Djelovanje topline: jednostavni eksperimenti s krutinom, tekućinom i plinovima Teach article

Prevoditelj Ivana Gojević. Od kućnog termometra do pletećih igala koje rastu: evo nekoliko jednostavnih, ali zabavnih eksperimenata kojima učenici osnovne škole mogu istražiti što će se dogoditi s krutinom, tekućinama i plinovima ukoliko ih izložimo toplini.

Tekuće zlato ulijeva se u
gips kako bi se dobila zlatna
poluga

Slika zahvaljujući The Puzzler;
izvor slike: Flickr

Zašto slonovi špricaju vodu sa svojih leđa? Kako nastaje magla? I zašto vlakovi proizvode `klik klop` buku? Vaši će učenici imati odgovore na sva ova pitanja kad shvate kako toplina utječe na krutinu, tekućinu i plinove.

U ovoj maloj zbirci pokusa, započet ćemo s istraživanjem o tome kako toplina utječe na promjenu svojstava kod ovih triju agregatnih stanja materije. Potom smo ispitali kako toplina mijenja plinove, tekućinu i krutinu iz jednog stanja u drugo. U stilu pravih znanstvenika, nakon svakog eksperimenta, propitivali smo naše rezultate i promišljali o tome kako bismo mogli poboljšati naša istraživanja.

Slika zahvaljujući videophoto /
iStockphoto

Svaki od pet eksperimenata koristi jednostavne materijale i pogodan je za učenike u dobi 7-11 (iako, primjećujete, da recenzent sugerira da je članak pogodan za učenike u dobi 10-13). Možete ih koristiti zajedno, i tako imati pozornost svoji učenika cijeli dan, ili ih razdvojite i koristite u zasebnim lekcijama. Prije početka, pitajte svoje učenike da razmisle što su to zapravo krutine, tekućine i plinovi, u pogledu njihova pojavljivanja i njihovih svojstavaw1.

Mijenjanje svojstava

1) Napravite vlastiti termometar: širenje plinova prilikom zagrijavanja

Ovaj eksperiment se temelji na ideji da se tijekom zagrijavanja plinovi šire. Učenici će napraviti vlastiti termometar koji se temelji na ovom principu.

 

Sigurnosna napomena

Učitelji moraju napraviti korak u pokusu koji uključuje škare. Također pogledajte opće Science in School sigurnosne napomene.

 

Živa i tekući dušik. Kako bi
upoznali učenike s razlikama
između krutina, tekućina i
plinova, koristite primjere
materijala koji se pojavljuju
u neočekivanom agregatnom
stanju, kao što su živa i
tekući dušik. Time
osporavamo pogrešne
predodžbe poput ‘svi metali
su krute tvari’. I također
ističemo kako zrak nije jedini
plin (još jedna kriva
predodžba), već je on smjesa
plinova
Slika zahvaljujući
dem10 / iStockphoto

Materijali

Za grupu učenika:

  • Kruta plastična boca s poklopcem
  • Tijesto za igru ili glina za modeliranje, npr. Plastelin®
  • Prozirna plastična slamka za piće
  • Škare
  • Boja za hranu (po izboru)
  • Voda iz slavine

Postupak

Kućni termometar
Slika zahvaljujući Andrew
Brown
  1. Koristeći škare napravite rupu na poklopcu od boce, dovoljno veliku da kroz nju stane plastična slamka za piće.
     
  2. Napunite bocu dopola s hladnom vodom.
     
  3. Dodajte nekoliko kapi boje za hranu i promiješajte.
     
  4. Provucite slamku kroz poklopac od boce i zavrnite ga pritom pazeći da slamka ne dotiče dno boce.
     
  5. Glinu za modeliranje plombirajte oko rupe na poklopcu, te time pričvrstite slamku. Plomba mora biti potpuno nepropusna za zrak.
     
  6. Jednom rukom uhvatite gornji dio boce. Što se događa s tekućinom u slamci, i zašto?

     

Starinski termometar sa
živom. Tekućina u
termometru se širi kada se
zagrijava, što uzrokuje
njezino dizanje kroz usku
staklenu cijev. Termometar
u eksperimentu 1 temelji
se na širenju plina, ne
ekućine

Slika zahvaljujući Andres
Rueda; izvor slike: Flickr

Što se događa?

Toplina vaše ruke grije zrak unutar boce. Zrak se širi i pritišće vodu, što uzrokuje podizanje vode kroz slamku.

Pitanja za učenike

  1. Je li stvarno toplina ta koja je uzrokovala podizanje tekućine kroz slamku, ili bi za to mogao biti odgovoran pritisak vaših ruku?
     
  2. Kako to možemo testirati pokusom?

Odgovori: boca je bila kruta i, pretpostavljajući da ju niste stiskali, podizanje tekućine kroz slamku uzrokovano je toplinom, a ne tlakom. Ovo možete provjeriti tako što ćete ruke približiti boci, ne dodirujući je i vidjet ćete hoće li se tekućina i dalje uzdizati kroz slamku.

2) Pogledajte rast igle za pletenje: i krutine se šire prilikom zagrijavanja

U prethodnom eksperimentu, toplina ruku bila je dovoljna da znatno proširi plin u boci. Krutine se, međutim, šire slabije od plinova uz određeni porast temperature. U sljedećem eksperimentu, koristit ćemo jednostavan, ali vrlo osjetljiv uređaj kako bismo promatrali širenje igle za pletenje dok ju grijemo svijećom.

 

Sigurnosna napomena

Zbog otvorenoga plamena i oštrih predmeta koji se koriste u ovome eksperimentu, poželjno je da ga se samo demonstrira. Također pogledajte opće Science in School sigurnosne napomene.

 

Materijali

Eksperiment 2: gledati rast
igle za pletenje. Kliknite na
sliku za povećanje

Slika zahvaljujući Andrew
Brown
  • Metalna igla za pletenje
  • Dvije prazne staklene boce (pogodne su vinske boce)
  • Pluto koje odgovara jednoj od boca
  • Set ključeva ili drugi objekt (npr. glina za modeliranje) kojim bi pritisnuli jedan kraj igle za pletenje
  • Hrpa knjiga (ili neki drugi predmeti kojima ćete poduprijeti uređaj)
  • Šivača igla s cilindričnim vratilom
  • Slamka
  • Svijetli čaj (kratka svijeća)
  • Šibice

Postupak

  1. Gurnite pluto do pola u jednu od boca.
     
  2. Gurnite oštri kraj igle za pletenje u stranu pluta, tako da igla za pletenje tik iznad ruba boce.
     
  3. Postavite drugi dio igle za pletenje preko otvora druge boce.
     
  4. Zabodite šivaću iglu kroz slamku, na trećinu dužine slamke. Otvor bi trebao biti dovoljno mali kako se slamka ne bi labavo okretala oko igle.
     
  5. Postavite šivaću iglu (zajedno sa vezanom slamkom) preko otvora druge boce, ispod igle za pletenje i pod pravim kutom u odnosu na nju.
     
  6. Objesite masu (npr. ključeve) na slobodan kraj igle za pletenje.
     
  7. Usmjerite slamku nadolje.
     
  8. Postavite hrpu knjiga između dviju boca.
     
  9. Postavite svijeću na vrh hrpe knjiga. Prilagodite visinu hrpe knjiga na način da je vrh svijeće približno 3 cm od igle za pletenje.
     
  10. Zapalite svijeću. Što se događa sa slamkom? Što je uzrok tome?
     
Proširenje spojeva na mostu
Slika zahvaljujući Ingolfson;
izvor slike: Wikimedia
Commons

Što se događa?

Toplina svijeće uzrokuje širenje igle za pletenje. Kako se ona uzdužno širi, pomiće se i kotrlja šivaću iglu. Slamka povećava sitne pomake šivaće igle.

Pitanja za učenike

  1. Vidjeli smo da se krutine i plinovi šire prilikom zagrijavanja, ali što je s tekućinama?

    Odgovor: tekućine nisu iznimka – i one se šire prilikom zagrijavanja
     

  2. Koje problem može uzrokovati toplinsko širenje kod mostova i željeznica?

    Odgovor: vidi slike na desnoj strani.

Proširenje spojeva na
tračnicama,označeno
strelicom

Slika zahvaljujući PixOnTrax;
izvor slike: Wikimedia
Commons
Storebæltsbroen u Danskoj (veliki most).
Stvarni problemi uzrokovani širenjem krutina: tračnice i mostovi se pri vrućem vremenu šire, što može uzrokovati njihovo izvijanje ili lomljenje. Željezničari ostavljaju praznine u dijelovima tračnica, čime im je omogućeno širenje i, također, to daje vlakovima karakterističan “klik-klak” zvuk koji nastaje kada im kotači prolaze praznine. Slično tome, mostovi se grade u dijelovima, koji su povezani rastezljivim spojevima; 18 km dugačak Storebæltsbroen (veliki most) u Danskoj može se proširiti i do 4.7 m za vrijeme vrućina!

Slika zahvaljujući Kdhenrik; izvor slike: Flickr

Promjena stanja

Dosad, učenici su vidjeli što se događa s krutinama i plinovima prilikom zagrijavanja: one se šire. Također, rekli ste učenicima da se s tekućinama događa isto to. No, što se događa ukoliko grijemo tvari još duže? Neka vaši učenici zamisle grumen zlata; to je krutina pri sobnoj temperaturi, na 100 °C, čak i na 500 °C. Ali što će se dogoditi ako povisimo temperaturu još i više, na 1064 °C? Na ovoj temperaturi nešto se nevjerojatno događa: zlato krutina postaje tekućina! Zagrijte tekućinu još i više (na 2856 °C) te tekućina zavrije i pretvara se u plin.

Grafikon 1: Ovaj dijagram pokazuje procese koji su odgovorni za pretvaranje triju agregatnih stanja iz jednog u drugi. Promjene agregatnih stanja su reverzibilne
Slika zahvaljujući k.landerholm, atomicshark i Vélocia; izvor slike: Flickr
Najveća svjetska zlatna
poluga u muzeju u Toi,
Japan. Ona teži 250 kg i u
vrijeme pisanja ovog članka
vrijedi oko 12 milijuna
američkih dolara

Slika zahvaljujući PHGCOM;
izvor slike: Wikimedia
Commons

Naravno, ovo je vrlo ekstreman primjer; većina nas nikada neće doživjeti zlato u njegovu plinovitu stanju. No, svi će se u razredu upoznati s vodom koja prolazi kroz tri agregatna stanja: krenuvši od krutine leda koja prelazi u tekuću vodu (0 °C), a potom u plin, vodenu paru (100 °C). Dakle, kao što ih širi, toplina može uzrokovati promjenu agregatnih stanja kod tvari. Različite tvari zahtijevaju različite toplinske vrijednosti za to: potrebno je više topline da bi zavrelo zlato nego što je to potrebno vodi. No, barem u teoriji, sve tvari mogu postojati u tri agregatna stanja.

U sljedećim pokusima, uočit ćemo što se događa kada tekuća voda prelazi u plin – i obrnuto.

3) Tekućina u plin: isparavanje na tvome prstu

Čak i prije nego što tekućina zavrije, ona se može početi pretvarati u plin – zamolite svoje učenike da promisle o snopovima pare koji su se pojavili na posudi s vodom puno prije nego je ona zavrela. U ovome eksperimentu, učenici mogu uočiti da čak i naši prsti mogu proizvesti dovoljno topline da bi male količine vode prešle iz tekućeg u plinovito stanje. Mi to nazivamo proces isparavanjan.

Materijali

  • Čaša voder
Voda će isparavati s vašeg
prsta

Slika zahvaljujući Andrew
Brown

Postupak

Ovaj eksperiment najbolje je izvesti vani ili negdje gdje je propuh, kao što je blizina otvorenoga prozora.

  1. Umočite kažiprst u vodu te ga potom držite uspravno.
     
  2. Što vidite i osjećate?

Što se događa?

Voda isparava s vašeg prsta, ostavljajući ga suhim. Na prstu se također osjeća hladnoća. To se događa jer se toplina vašega tijela prenosi na tekuću vodu i prenese ju u vodenu paru.

Pitanja za učenike

Slon štrca mlaz vode na svoja
leđa

Slika zahvaljujući bratboy76;
izvor slike: Flickr
 
  1. U ovom smo eksperimentu zagrijavali tekuću vodu, ali što će se dogoditi kada zagrijavamo krutinu? Razmislite što bi se dogodilo kada bismo zagrijavali maslac.

    Odgovor: krutine se tope kad se zagrijavaju.
     

  2. Kako možemo unaprijediti naš eksperiment?

    Odgovor: što ako na vašem prst osjećate hladnoću, ali ne zbog isparavanja, već zbog toga što je voda bila hladna? Kako bismo provjerili tu teoriju, koristit ćemo vodu zagrijanu na tjelesnoj temperaturi (37 °C). Pokušajte – trebali biste dobiti isti rezultat.
     

  1. Uzeći u obzir što ste naučili, pokušajte objasniti zašto slonovi ponekad štrcaju mlaz vode na njihovim leđima?

    Odgovor: slonovi ovo čine kako bi se rashladili, i to iskorištavanjem snage hlađenja isparavanjem.
     

4) Plin u tekućinu: kondenzacija u vrećici

Učenici su vidjeli da zagrijavanje tekućine uzrokuje njezino pretvaranje u plin (isparavanje), ali ovo je reverzibilan proces: hlađenje plina pretvara ga u tekućinu, u procesu koji se naziva kondenzacija. U sljedećem eksperimentu učenici će proučavati kondenzaciju.

Materijali

  • Prozirna plastična vrećica
  • Elastična vrpca (lastik)
  • Mala tkanina
  • Voda
Kondenzacija u plastičnoj
vrećici

Slika zahvaljujući Andrew
Brown

Postupak

  1. Stavite tkaninu pod slavinu kako biste ju smočili te ju potom ocijedite uklanjajući tako višak vode.
     
  2. Stavite tkaninu u plastičnu vrećicu. Ostavite malo zraka unutra i zatvorite ju.
     
  3. Ostavite vrećicu na toplom mjestu, kao što su radijator ili izravno na sunčevoj svjetlosti, kroz jedan sat. Što primjećujete?

Što se događa?

Formiraju se kapljice vode na unutarnjoj strani vrećice.

Otok Sable, uz obalu Nove
Škotske, Kanada, poznat kao
‘groblje Atlantika’. Otok je
dug 36 km i na tom se
mjestu topao, vlažan zrak
Golfske struje hladi zbog
zraka Atričkog oceana,
uzrokujući time česte, teške
magle. To ga čini opasnim
mjestom za brodove:
najmanje 350 plovila je
tamo uništeno

Slika zahvaljujući archer10
(Dennis) OFF; izvor slike: Flickr

Kako? Voda isparava s mokre krpe te tako zrak u vrećici sadrži veliku količinu vodene pare. Unutarnja površina vrećice je dovoljno hladna kako bi vodenu paru promijenila u tekuću vodu.

Pitanja za učenike

  1. U ovom smo eksperimentu hladili plin (vodenu paru), ali što će se dogoditi ako hladimo tekućinu? Razmislite o tome kako dobivamo kocke leda.

    Odgovor: kada se hladi, tekućina se zamrzne i postaje krutina.
     

  2. Kako bismo mogli prilagoditi naš eksperiment da bi se kapljice vode brže stvarale?

    Odgovor: čineći površinu vrećice hladnijom, primjerice postavljanjem kockica leda pored nje, što će ubrzati proces kondenzacije.

  3. Koji uzrokuje maglu: isparavanje ili kondenzacija?

    Odgovor: magla nastaje kada se vodena para hladi i kondenzira se u oblak sitnih kapljica vode u blizini tla (poput oblaka, ali niže, pri tlu).

Zahvala

Upute o tome kako napraviti termometar preuzete su i prilagođene sa web stranica California Energy Commission Energy Quest. Na njihovoj web stranici naći ćete ovaj, i druge znanstvene projekte..

Download

Download this article as a PDF

Web References

Resources

Author(s)

Erland Andersen je bivši učitelj u osnovnoj školi iz Danske. On sada nudi tečajeve osposobljavanja za nastavnike znanostiw2.

Erland razvija aktivnosti iz ovoga članka kao dio ‘male vozačke dozvole o energiji’w3. Učenici zaslužuju svoju licencu izvodeći energetski-povezane eksperimente u malim grupama. Erland potiče učenike da se objasne i propituju svoje rezultate, te da ono što su naučili objasne na pojavama u stvarnom svijetu.

Andrew Brown je diplomirao molekularnu i staničnu biologiju na Sveučilištu u Bathu, Velika Britanija. Trenutno radi za Science in School, a uporište mu je u Europskom Laboratoriju Molekularne Biologije u Heidelbergu u Njemačkoj.


Review

Velika prednost ovoga članka je u tome što on predstavlja skup aktivnosti poredanih tako da čine smislenu cjelinu. Iako su aktivnosti vjerojatno već poznate kod mnogih učitelja, predloženi redoslijed i pitanja pomoći će učiteljima kako da približe svojim učenicima neke prilično teške pojmove, kao što su prijenos topline, isparavanje i kondenzacija. Aktivnosti će također pomoći nastavnicima da ispitaju reverzibilnosti nekih od tih procesa. Još jedna važna prednost ovog članka je da nudi izvedive i jednostavne eksperimente, koji se mogu izvesti primjenom standardne školske opreme i povoljnog materijala.


Christiana Nicolaou, Cipar




License

CC-BY-NC-SA