Plán Název: Voda obsažená v hrnku, šíření tepla Témata: Voda obsažená v hrnku, šíření tepla Čas: : 90 minut (2 vyučovací hodiny) Věk: 9. ročník 14-15 let Diferenciace: Schopnější studenti mohou vysledovat v jednom grafu změny teploty a vlhkosti v závislosti na čase vjednom hrnku; v jiném grafu pak změny u druhého hrnku. Následně tyto změny vysvětlit. Nejnadanější studenti mohou vést diskuzi o významu teploty a vzdušné vlhkosti pro člověka a jeho prostředí. Studenti, kteří dokončí práci rychleji, mají k dispozici úkoly na prohloubení. Pomůcky: 2 hrnky; 2 víčka na hrnky. Víčka by měla obsahovat otvor pro vložení senzorů; Horká voda (cca 70 o C); 2 teplotní senzory (od -25 o C do 110 o C) nebo termometry; 2 senzory vlhkosti; plastové sáčky; tkaničky na zavázání plastových sáčků; počítačový výukový systém (Nova5000, Xplorer GLX a jiný); učebnice; pracovní listy. Požadované znalosti: pojmy teploty, energie, vzdušné vlhkosti; graf y = f (x) a rychlost změn. Instrukce, ICT podpora atd.: Studentům poskytneme seznam vybavení potřebného pro tuto aktivitu a seznámíme je s průběhem jednotlivých aktivit. Vzhledem k tomu, že výsledky nejsou známy dopředu, může mezi studenty vyvstat diskuze. Analýza výsledků a diskuze bude nejefektivnější při práci ve dvojicích nebo ve skupinách po 3-5 studentech. Výstupy: Všichni Budou schopni charakterizovat teplotu. Budou schopni popsat proces vypařování. Podle instrukcí budou schopni seřadit přístroje pro další práci. Většina Budou schopni určit teplotu jako měření vnitřní energie. Budou schopni popsat jednotlivé parametry a určit fázi změny. Budou schopni nakreslit graf zaznamenávající změny teplot a vlhkosti. Z grafu budou schopni vysvětlit proces šíření tepla. Někteří Budou schopni nalézt spojení mezi teplem a metabolismem, které existuje v hliněném hrnku a v lidském těle, když se potí. Budou schopni vysvětlit důležitost vzdušné vlhkosti pro člověka a jeho životní prostředí. Zdraví: Bezpečné zacházení s pokusným vybavením a horkou vodou. 1
Plán Popis hodiny Úvodní aktivita Studenti si osvěží některé znalosti z matematiky: analýza vztahu mezi dvěma proměnnými danými grafem, ohodnotit the rate of change of the process. Horkou vodu nalijeme do kovové a hliněné nádoby a uzavřeme. Po určité době změříme teplotu vody v obou nádobách. Studentů se zeptáme, ve které nádobě zůstala voda teplejší a proč? Studenti poté vysvětlí zákon zachování energie v případě různých změn fyzikální energie. Hlavní aktivita Studenti nejprve pracují na úkolech pracovního listu: Voda obsažená v hliněné nádobě, přenos tepla. Praktické aspekty jim vysvětlíme. Sestavte nástroje podle obrázku: Nalijte do nádob stejné množství vody o stejné teplotě (téměř 2/3 objemu). Jednu hliněnou nádobu uzavřete do plastového sáčku. Do obou víček vložte teplotní sensory. Jeden sensor vlhkosti vložte do plastového sáčku a ten druhý položte do blízkosti druhé nádoby. Plastový sáček zavažte. Měřte změny teploty v obou nádobách. Měřte změny vlhkosti v bezprostřední blízkosti druhé nádoby a v plastovém sáčku po dobu 10min. Po 10 min vyjměte nádobu z plastového sáčku. Sledujte změny teploty a vlhkosti dalších 10 15 minut. Změny můžeme pozorovat ještě dál, pokud ponecháme Nova5000 v provozu po několik následujících hodin. Nakreslete graf teploty t = f (τ). Nakreslete graf vlhkosti ρ = f(τ). Prohloubení V této fázi mohou schopnější studenti navrhnout úpravy a vylepšení experimentu. Práce s pracovním listem Studenti pracují samostatně. Zaznamenávají výsledky, doplňují teplotu (t) a vlhkost (ρ) do tabulek, nakreslí grafy t = f (τ) a ρ = f(τ) a z těchto grafů definují a stanoví počáteční a konečné hodnoty teploty a vlhkosti a změny těchto hodnot v první i v druhé nádobě. Schopnější studenti mohou z jednoho grafu stanovit změnu teploty a vlhkosti v závislosti na čase u první nádoby a z jiného grafu změnu teploty a vlhkosti v závislosti na čase u druhé nádoby. Tyto změny následně vysvětlí. Prohloubení 2
Plán Studenti, kteří dokončí práci s předstihem, pokračují v práci na dalších úkolech (Voda obsažená v hliněném hrnku, výzkum přenosu tepla). Závěrečná aktivita Studenti diskutují o zvolených postupech a zvažují příčiny jakýchkoliv neobvyklých výsledků. Studenti mají vyvodit závěry o změnách teplot v obou nádobách, vysvětlit rozdíly, vyvodit závěry o změnách vlhkosti v blízkosti obou nádob a rozdíly vysvětlit. Schopnější studenti mohou prodiskutovat podobnost tepelného metabolismu v hliněné nádobě a tepelného metabolismu, ke kterému dochází v lidském těle při pocení. 3
Pracovní list VODA OBSAŽENÁ V HLINĚNÉ NÁDOBĚ, ŠÍŘENÍ TEPLA Vedení (kondukce) tepla je jeden za způsobů šíření tepla, ke kterému dochází mezi dvěma spojenými tělesy nebo v rámci tělesa jednoho. Látky, které vedou teplo velmi dobře, se nazývají tepelné vodiče (např. stříbro, měď, zlato a další kovy). Látky, v nichž se teplo téměř nešíří, se nazývají tepelné izolátory (např. plasty, dřevo, sklo, vzduch a další). V dávných dobách nomádské kmeny uchovávaly vodu v hliněných nádobách, protože žily na horkých a suchých místech. Navzdory prostředí tak voda zůstávala chladná. Hlína je porézní materiál, voda jím tak může prostupovat a odpařovat se. Teplotu těles můžeme měřit různými typy teploměrů. Zákon měření je velmi jednoduchý: teploměr musí být upevněn k tělesu po určitou dobu tak, aby se teploty tělesa a teploměru vyrovnaly, tedy až nastane tepelná rovnováha. Teplota na teploměru se nemění. Jestliže budeme těleso zahřívat, musí dojít mezi tělesem a teploměrem k nové tepelné rovnováze, teploměr ukazuje jinou hodnotu. Teplota tedy popisuje tepelnou rovnováhu mezi nádobami. Hovoříme-li o tepelných podmínkách, je nutné zmínit, že mísení plynů různých teplot, průměrná kinetická energie neuspořádaného pohybu molekul se vyrovnává a teplota se vyrovnává. Teplota je tak považována za hodnotu průměrné kinetické energie neuspořádaného pohybu částic. Rychlost molekul tekutiny stejné teploty je různá. Nejrychlejší molekuly překonávají kohezní síly dalších molekul, opustí kapalinu, tedy kapalina se odpařuje. Kapalinu opouštějí molekuly s největší kinetickou energií a kapalina se tak ochlazuje. Molekuly, které opustily kapalinu, se pohybují chaoticky a seskupují se na povrchu kapaliny. Některé z nich se vrací zpět do kapaliny, pára kondenzuje. V případě, že k tomuto procesu dochází v uzavřené nádobě, může nastat stav, kdy stejné množství molekul, které opustily tekutiny, se do ní i vrátí. Při termodynamické rovnováze mezi párou a tekutinou se pára nazývá nasycená. Planeta Země je jedinou známou planetou, kde nalezneme velké množství povrchové vody. V atmosféře obsahuje vodní páru, která ovlivňuje procesy, které probíhají na povrchu Země. Množství vodní páry v atmosféře se nazývá vzdušná vlhkost, která se neustále mění. Vlhkost je důležitá pro vegetaci, zvířata, ale i zdraví člověka. Vzdušná vlhkost ovlivňuje i stavby, umělecká díla. Je důležité udržovat vyhovující vlhkost v prostorách pro život, zejména k uchování ovoce, zeleniny a dalších produktů. Optimální relativní vlhkost mezi 40 % a 60 % je ideální pro naše zdraví. V zimě ve vytápěných prostorách nedosahuje vlhkost ani 20 %, což rychle vysušuje sliznice nosu, krku i plic. Proto bychom v zimních měsících měli vytápěné prostory zvlhčovat. Vysoká teplota okolního prostředí může zvýšit teplotu lidského těla. Přestože kůže cítí, že se vnější teplota mění, centrum kontrolující teplotu, které se nachází v mozku, reaguje pouze na změny teplot krve. Jestliže je teplota těla vyšší než obvykle, vyšle centrum signál vlásečnicím v kůži, aby se rozšířily. Teplejší krev proudí do těchto vlásečnic a kůže zčervená. Současně jsou aktivovány i potní žlázy a začnou produkovat větší množství potu. Pot, který se dostane na povrch kůže, se odpařuje. Pára snižuje teplo na povrchu kůže, protože voda měnící se na páru využívá teplo pro narušení vodíkových vazeb. Povrch kůže se ochlazuje a ochlazuje proudící krev. Jakmile začne teplota okolí klesat, zapne centrum úsporné mechanismy. Následně se vlásečnice smrští a rozšíří se žilky v hlubších vrstvách. Tak je zachovávána běžná teplota těla. Otázky Odpovědi 1. Co udává teplota? 2. Co je teplota? 4
Pracovní list 3. C je vzdušná vlhkost? 4. Jsou dány rovnice: y = 3x; y = 4x. Nakreslete grafy y = f (x) a porovnejte jejich sklon. 5
Odpovědní arch VODA OBSAŽENÁ V HLINĚNÉ NÁDOBĚ, ŠÍŘENÍ TEPLA Odpovědní arch Zapište hodnoty do tabulky Změny teploty a vlhkosti Doba experimentu τ (min) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1. nádoba teplota, t ( 0 C) 2. nádoba teplota, t ( 0 C) vlhkost v blízkosti 1. nádoby ρ (%) Po vyjmutí první nádoby z plastového sáčku vlhkost v blízkosti 2. nádoby ρ (%) Doba experimentu τ (min) 1 1. nádoba teplota, t ( 0 C) 3. nádoba teplota, t ( 0 C) vlhkost v blízkosti 1. nádoby ρ (%) vlhkost v blízkosti 2. nádoby ρ (%) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Z hodnot v tabulce nakreslete grafy teplotních změn v první i druhé nádobě t = f (τ): 6
Odpovědní arch Z grafu stanovte počáteční a konečnou hodnotu teploty a jejich změny: t 1= t 2= Δt = první nádoba je umístěna v plastovém sáčku: t 3= t 4= Δt = první nádoba je vyjmuta z plastového sáčku: t 1= t 2= Δt = druhá nádoba je v místnosti (úvodní dvě minuty): druhá nádoba je v místnosti (poslední dvě minuty): t 3= t 4= Δt = Z hodnot v tabulce nakreslete grafy šíření vlhkosti v blízkosti první a druhé nádoby ρ = f (τ): 7
Odpovědní arch Z grafu stanovte počáteční a konečnou hodnotu vlhkosti a změny těchto hodnot, jestliže je sensor vlhkosti: ρ 1 = ρ 2 = Δρ = první nádoba je v plastovém sáčku: ρ 3 = ρ 4 = Δρ = po vyjmutí první nádoby z plastového sáčku: v blízkosti druhé nádoby v místnosti: ρ 1 = ρ 2 = Δρ = Zodpovězte následující otázky a vysvětlete příčiny: Porovnejte změny teplot: první nádoba je uzavřena v plastovém sáčku a následně je ze sáčku vyjmuta 8
Odpovědní arch... druhá nádoba je umístěna v místnosti první dvě minuty a poslední dvě minuty... Porovnejte změny teplot v obou nádobách: Zda jsou stejné?... Vysvětlete rozdíly.... Závěr: Jaký vliv měl plastový sáček na: Vlhkost uvnitř sáčku...... Změnu teploty vody v nádobě...... K jakému přenosu tepla docházelo v obou nádobách?... 9
Prohloubení Rychlost ochlazování vody Do nádoby s horkou vodou umístíme teploměr a každé 2 minuty odečteme naměřenou teplotu. Hodnoty zapisujeme do tabulky. Čas, min. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 Teplota, ºC 100 88 80 74 68 64 60 58 56 54 52 50 48 47 46 Nakreslete graf závislosti změny teploty chladnoucí vody na čase. Vypočtěte rychlost chladnutí vody: 0 4 min. Rychlost chladnutí = 4 8 min. Rychlost chladnutí = 8 12 min. Rychlost chladnutí = 12 16 min. Rychlost chladnutí = 16 20 min. Rychlost chladnutí = 20 24 min. Rychlost chladnutí = 24 28 min. Rychlost chladnutí = 28 30 min. Rychlost chladnutí = Kdy chladla voda rychleji a proč? 10