Μετάφραση από τον Σταύρο Παπαδόπουλο και την Κλαίρη Αχιλλέως.
Θα μπορούσαν τα τσόφλια που πετάμε να είναι η επόμενη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας; Παρακινήστε τους μαθητές σας να το ανακαλύψουν με την βοήθεια της θερμιδομετρίας.
Ο κόσμος αρχίζει να συνειδητοποιεί τη ζημιά που προκαλείται από την καύση ορυκτών καυσίμων. Ως αποτέλεσμα, πολλές χώρες στρέφονται προς εναλλακτικές λύσεις περισσότερο φιλικές προς το περιβάλλον, συμπεριλαμβανομένης της ενέργειας που προέρχεται από βιομάζαw1. Παρόλο που αυτές οι πηγές θεωρούνται γενικά καλύτερες από τις μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, ένα από τα επιχειρήματα στο επίκεντρο των περισσότερων συζητήσεων για τη βιοενέργεια, είναι ότι οι γεωργικές εκτάσεις συχνά προσανατολίζονται στην παραγωγή βιομάζας, με κόστος την ελάττωση της παραγωγής τροφίμων. Ένας προφανής τρόπος για να αποφευχθεί το δίλημμα «τρόφιμα έναντι καυσίμων» (και για τη μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα κατά τη διαδικασία) είναι η παραγωγή βιοενέργειας από απόβλητα.
Τα τελευταία χρόνια, ένα υλικό που συνήθως θεωρούμε ως πηγή τροφής – οι ξηροί καρποί - έχει αρχίσει να χρησιμοποιείται ως πηγή ενέργειας. Προς το παρόν, χρησιμοποιούνται ολόκληροι οι ξηροί καρποί, αλλά η καύση των κελυφών που απομένουν θα ήταν άραγε ένας πιο βιώσιμος τρόπος χρήσης αυτού του υλικού; Και θα μπορούσαν άραγε τα κελύφη των ξηρών καρπών, που πετάμε, να βοηθήσουν στην κάλυψη μελλοντικών ενεργειακών μας αναγκών; Στις δραστηριότητες που ακολουθούν, παρακινούμε τους μαθητές να το ανακαλύψουν.
Χρησιμοποιώντας ένα πρωτότυπο, δικής μας κατασκευής θερμιδόμετρο, μαθητές ηλικίας 14-19 ετών, υπολογίζουν την ποσότητα θερμικής ενέργειας που απελευθερώνεται από κελύφη διαφορετικών ξηρών καρπών. Συγκρίνοντας τα αποτελέσματά τους με δεδομένα από την επιστημονική βιβλιογραφία, οι μαθητές αξιολογούν κατά πόσο τα κελύφη αυτά, θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν άλλες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας που χρησιμοποιούνται σήμερα.
Η κατασκευή του θερμιδόμετρου διαρκεί 1-2 ώρες. Προτείνουμε οι μαθητές να εργάζονται σε ομάδες των 2-3 ατόμων και να κατασκευάζουν ένα θερμιδόμετρο ανά ομάδα. Εάν το σχολείο σας διαθέτει ήδη θερμιδόμετρα που μπορούν να τεθούν σε επαφή με μια φλόγα, μπορείτε να παραλείψετε αυτό το μέρος της δραστηριότητας και να αρχίσετε αμέσως με το πείραμα.
Για ένα θερμιδόμετρο καύσης (σχήμα 1):
Στις ίδιες ομάδες, οι μαθητές καίνε κελύφη και πυρήνες διάφορων ξηρών καρπών, χρησιμοποιώντας το θερμιδόμετρό τους και υπολογίζουν την ποσότητα της θερμικής ενέργειας που μεταφέρεται από τον πυρήνα ή το αντίστοιχο κέλυφος στο νερό του ποτηριού ζέσεως. Αν και ο στόχος του πειράματος είναι ο προσδιορισμός της ποσότητας ενέργειας που απελευθερώνεται από τα κελύφη (και όχι τους πυρήνες), οι μαθητές πρέπει επίσης να καίνε τους πυρήνες, ώστε να συγκρίνουν τα αποτελέσματά τους με τις δημοσιευμένες τιμές, καθώς αυτές οι τιμές είναι ευρύτερα διαθέσιμες από εκείνες για τα κελύφη.
Για τους υπολογισμούς οι μαθητές χρησιμοποιούν την ακόλουθη εξίσωση:
Q = m x c x ΔΤ
Όπου:
Q είναι η θερμική ενέργεια που μεταφέρθηκε (J)
m η μάζα του νερού (kg)
c η ειδική θερμοχωρητικότητα του νερού (4200 J kg-1 K-1)
ΔΤ η μεταβολή της θερμοκρασίας (K)
Προτείνουμε οι μαθητές να κάψουν πυρήνες και κελύφη για τέσσερις διαφορετικούς τύπους ξηρών καρπών, οπότε όλο το πείραμα θα διαρκέσει περίπου 2 ώρες, συμπεριλαμβανομένων των υπολογισμών και των απαιτούμενων επαναλήψεων.
Αυτή η δραστηριότητα δεν θα πρέπει να πραγματοποιείται εάν οι μαθητές ή το προσωπικό που εμπλέκονται έχουν αλλεργία στους καρπούς με κέλυφος. Θυμηθείτε ότι υπολείμματα μπορεί να παραμείνουν στον αέρα μετά από την άλεση ή την καύση ξηρών καρπών, τα οποία θα μπορούσαν να επηρεάσουν άλλα άτομα με σοβαρές αλλεργίες που ενδέχεται να χρησιμοποιήσουν την ίδια αίθουσα στη συνέχεια.
Πρέπει να χρησιμοποιούνται προστατευτικά γυαλιά για τα μάτια και πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη προσοχή όταν υπάρχουν φλόγες.
Μέση θερμική ενέργεια ανά kg (x 104 kJ/kg) | ||
---|---|---|
Τύπος ξηρού καρπού | Πυρήνας | Κέλυφος |
Καρύδι | 1.4595 | 0.5320 |
Φουντούκι | 1.4175 | 0.5285 |
Αμύγδαλο | 1.1690 | 1.0745 |
Φιστίκι | 0.6685 | 0.5180 |
Οι μαθητές πρέπει να συγκρίνουν τα δικά τους αποτελέσματα για τους πυρήνες των ξηρών καρπών, με τις τιμές που είναι ευρέως διαθέσιμες στην επιστημονική βιβλιογραφία. Η σύγκριση αυτή τους επιτρέπει να αξιολογούν την αξιοπιστία των αποτελεσμάτων τους που αναφέρονται στα κελύφη. Οι μαθητές μπορούν να αναζητήσουν την ίδια τη βιβλιογραφία ή να χρησιμοποιήσουν τις τιμές που δίνονται στον πίνακα 2. Οι μαθητές μας διαπίστωσαν ότι οι δικές τους πειραματικές τιμές για τους πυρήνες των καρπών, διέφεραν κατά περίπου 50% από τις δημοσιευμένες τιμές (Brufau et al., 2006). Αυτή η μεγάλη διαφορά παρέχει την ευκαιρία να συζητήσουμε το γιατί η πειραματική διάταξη και η ακολουθούμενη διαδικασία μπορούν να προκαλέσουν μια τέτοια ασυμφωνία. Αργότερα, οι μαθητές θα υπολογίσουν έναν διορθωτικό παράγοντα με τον οποίο θα τροποποιήσουν τα δεδομένα τους. Υπάρχουν διάφορες πηγές σφαλμάτων για τις οποίες μπορείτε να συζητήσετε, για παράδειγμα:
Συνολικά, ωστόσο, η μεγαλύτερη πηγή σφάλματος στην θερμιδομετρία προκύπτει ως αποτέλεσμα της απώλειας θερμότητας στο περιβάλλον. Για να αντιμετωπιστεί το γεγονός αυτό, οι μαθητές πρέπει να βαθμονομήσουν το θερμιδόμετρό τους. Στην επόμενη δραστηριότητα, το βαθμονομούν, μετρώντας την ενέργεια καύσης ενός κεριού παραφίνης συγκεκριμένης μάζας.
Μέση θερμική ενέργεια ανά kg (x 104 kJ/kg) | |||
---|---|---|---|
Πυρήνας ξηρού καρπού | Πειραματικές τιμές χωρίς βαθμονόμηση | Πειραματικές τιμές με βαθμονόμηση | Δημοσιευμένες τιμές |
Καρύδι | 1.460 | 2.840 | 2.735 |
Φουντούκι | 1.418 | 2.757 | 2.679 |
Αμύγδαλο | 1.169 | 2.274 | 2.302 |
Φιστίκι | 0.669 | 1.300 | 1.147 |
Οι μαθητές υπολογίζουν την ποσότητα θερμικής ενέργειας που απορροφά το νερό στο ποτήρι ζέσεως από τη θερμότητα του κεριού και την συγκρίνουν με την ποσότητα θερμικής ενέργειας που απελευθερώνει το κερί. Συγκρίνοντας τις δύο τιμές, οι μαθητές μπορούν να υπολογίσουν την απώλεια θερμότητας και το σφάλμα στις μετρήσεις τους. Αυτή η διαδικασία διαρκεί περίπου 1 ώρα, συμπεριλαμβανομένων των αναγκαίων επαναλήψεων.
D = 4.2 x 104 / 2.1589 x 104
= 1.945
Για το τελικό μέρος της δραστηριότητας, οι μαθητές αξιολογούν εάν τα κελύφη θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν άλλες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Για να γίνει αυτό, οι μαθητές μπορούν να αποκτήσουν στοιχεία από την επιστημονική βιβλιογραφία σχετικά με την ενέργεια που απελευθερώνεται από την καύση των υφιστάμενων πηγών βιομάζας, όπως σκληρό ξύλο, πέλλετ από ξύλο ή πυρήνες από ελιές και να τα συγκρίνουν με τα δικά τους πειραματικά αποτελέσματα για τα κελύφη. Εναλλακτικά, οι μαθητές θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν τις τιμές του πίνακα 3, οι οποίες προέρχονται από τη δημοσιευμένη βιβλιογραφία. Μπορούν τότε να σχεδιάσουν αυτές τις πληροφορίες σε ένα γράφημα (σχήμα 6).
Μέση θερμική ενέργεια ανά kg (x 104 kJ/kg) | |||
---|---|---|---|
Βιομάζα (κελύφη ξηρών καρπών και άλλες πηγές) | Πειραματικές τιμές χωρίς βαθμονόμηση | Πειραματικές τιμές με βαθμονόμηση | Δημοσιευμένες τιμές |
Καρύδι | 0.5321 | 1.0349 | - |
Φουντούκι | 0.5285 | 1.0279 | - |
Αμύγδαλο | 1.0745 | 2.0899 | - |
Φιστίκι | 0.5180 | 1.0075 | - |
Σκληρό ξύλο | - | - | 1.5823 |
Πέλλετ από ξύλο | - | - | 1.9088 |
Πυρήνας από ελιά | - | - | 1.8944 |
Συνολικά, τα αποτελέσματά μας έδειξαν ότι η ενέργεια που απελευθερώνεται από την καύση των κελυφών είναι κατά 46% χαμηλότερη από την ενέργεια που απελευθερώνεται από αυτές τις τρεις άλλες ανανεώσιμες πηγές. Ωστόσο, σημειώστε ότι η τιμή της ενέργειας που υπολογίσαμε για τα κελύφη αμυγδάλου ήταν στην πραγματικότητα συγκρίσιμη με αυτή για τα πέλλετ ξύλου και ακόμη καλύτερη από τις τιμές του σκληρού ξύλου ή των πυρήνων ελιάς.
Εάν ο χρόνος το επέτρεπε, οι μαθητές θα μπορούσαν να πραγματοποιήσουν τα πειράματα θερμιδομετρίας για αυτές τις άλλες πηγές βιομάζας και να συγκρίνουν τις δικές τους τιμές για το σκληρό ξύλο, για παράδειγμα, με τις τιμές τους για τα κελύφη.
Για να αξιολογηθεί πλήρως το κατά πόσο τα κελύφη θα μπορούσαν να είναι μια κατάλληλη εναλλακτική λύση, οι μαθητές θα πρέπει επίσης να εξετάσουν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της χρήσης κελυφών για βιοενέργεια. Για παράδειγμα, το κύριο πλεονέκτημα είναι ότι τα κελύφη είναι ένα υλικό που πετιέται, συνεπώς το κόστος παραγωγής είναι πολύ χαμηλό. Τα κελύφη επίσης, περιέχουν πολύ λίγη υγρασία, επομένως δεν απαιτούν περαιτέρω ξήρανση - σε αντίθεση με (για παράδειγμα) τα πέλλετ ξύλου – γεγονός το οποίο μειώνει το κόστος επεξεργασίας. Ωστόσο, η ποσότητα ενέργειας που παράγεται από ορισμένους ξηρούς καρπούς είναι πολύ χαμηλότερη από άλλες πιθανές πηγές, όπως δείχνουν τα αποτελέσματα. Επιπλέον, η χρήση κελυφών ως πηγής βιοενέργειας είναι εφικτή μόνο σε χώρες όπου η παραγωγή καρπών με κέλυφος - και ιδιαίτερα οι καρποί αμυγδάλου - είναι υψηλή, όπως οι ΗΠΑ, η Ισπανία, το Ιράν, η Ιταλία και η Συρίαw2.
Συνολικά, οι μαθητές μας εκτίμησαν τη σημασία της χρήσης κελυφών ως πηγής ενέργειας και κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η χρήση κελυφών - που διαφορετικά θα πήγαιναν στα σκουπίδια - για παραγωγή βιοενέργειας είναι μια πολύτιμη και καινοτόμος πρακτική. Σε ποια συμπεράσματα θα κατέληγαν οι δικοί σας μαθητές;
Οι συγγραφείς θα ήθελαν να ευχαριστήσουν θερμά τους μαθητές τους Γιάννη Χαραλαμπίδη, Αλέξη Νίκα και Γιάννη Μαντζαρίδη για τη συνδρομή τους στα πειράματα που περιγράφονται σε αυτό το άρθρο, το οποίο γράφτηκε στη μνήμη του Γιάννη Μαντζαρίδη, (†2017).
Οι ευχαριστίες τους επίσης απευθύνονται στον Δρα Γεώργιο Μεμετζίδη για τις γόνιμες συζητήσεις που έγιναν σχετικά με την κατασκευή και βαθμονόμηση του θερμιδόμετρου. Θα ήθελαν επίσης να εκφράσουν την ευγνωμοσύνη τους προς τον σημερινό Διευθυντή του σχολείου, Δρα Κωνσταντίνο Κεραμιδά, για το ενδιαφέρον και τη συνεχή υποστήριξή του.