Het effect van warmte: eenvoudige experimenten met vaste stoffen, vloeistoffen en gassen Teach article

Vertaald door Piet Das. Van een zelfgemaakte thermometer tot breinaalden die groeien: in dit artikel enkele eenvoudige, maar leuke experimenten voor basisschoolleerlingen waarbij ze gaan onderzoeken wat er gebeurt als je vaste stoffen, vloeistoffen en gassen verwarmt.

Vloeibaar goud wordt in een
gietvorm gegoten om een
goudbaar te maken

Figuur met dank aan The
Puzzler; Bron: Flickr

Waarom spuiten olifanten water op hun rug? Hoe ontstaat mist? En waarom maken treinen het “kedeng-kedeng” geluid? Je leerlingen zullen al deze vragen kunnen beantwoorden als ze eenmaal hebben begrepen hoe warmte invloed heeft op vaste stoffen, vloeistoffen en gassen.

In deze kleine verzameling experimenten  beginnen we met onderzoeken hoe warmte de eigenschappen van de drie fasen van stoffen verandert. Vervolgens gaan we na hoe warmte gassen, vloeistoffen en vaste stoffen van de ene fase in de andere om kan zetten. Na elk experiment  stellen we, zoals echte wetenschappers, vragen over de resultaten en denken we na over hoe we ons experimentele ontwerp kunnen verbeteren.

Figuur met dank aan
videophoto / iStockphoto

Elk van de vijf experimenten is uit te voeren met eenvoudige materialen en is geschikt voor leerlingen van 7-11 jaar (houdt er evenwel rekening mee dat de beoordelaar het artikel meer geschikt acht voor leerlingen van 10-13 jaar). Wanneer ze samen worden gebruikt , kunnen ze uw klas een hele dag bezig houden, maar ze kunnen ook worden opgesplitst en gebruikt in afzonderlijke lessen. Vraag voordat u begint uw leerlingen om na te denken over wat vaste stoffen, vloeistoffen en gassen in werkelijkheid zijn, dus laat ze beschrijven hoe ze eruit zien en wat hun eigenschappenw1 zijn.

Veranderende eigenschappen

1) Maak je eigen thermometer: gassen zetten uit als ze worden verwarmd

Dit experiment introduceert het idee dat warmte gassen laat uitzetten. Studenten maken, gebaseerd op dit principe, hun eigen thermometer.

 

Veiligheid

Leerkrachten moeten de stap met de schaar zelf uitvoeren. Lees ook de Algemene Veiligheidsvoorschriften van Science in School.

 

Kwik en vloeibare stikstof.
Gebruik voorbeelden van
stoffen die voorkomen in een
fase die je niet verwacht,
zoals kwik of vloeibare
stikstof om zo studenten
vertrouwd te maken met de
verschillen tussen vaste
stoffen, vloeistoffen en
gassen. Dit helpt om
misvattingen terug te
dringen als ‘alle metalen
zijn vaste stoffen’. Wijs er
ook op dat lucht niet het
enige gas is (een andere
veel voorkomende
misvatting) en dat het in
feite een mengsel van
gassen is.

Figuur met dank aan dem10 /
iStockphoto

Materialen

Per groepje leerlingen:

  • Een stevige plastic fles met een deksel
  • Play doh of boetseerklei, bijvoorbeeld plasticine®
  • Een doorzichtig rietje
  • Een schaar
  • Voedingskleurstof (optioneel)
  • Kraanwater

Uitvoering

De zelfgemaakte
thermometer

Figuur met dank aan Andrew
Brown
  1. Gebruik een schaar om een gaatje in het deksel van de fles te maken dat groot genoeg is om het rietje door te steken.
     
  2. Vul de fles halfvol met koud water.
     
  3. Doe er een paar druppels voedingskleurstof  bij en meng het.
     
  4. Draai het deksel op de fles en steek het rietje erdoor tot in het water, let op dat het rietje de bodem van de fles niet raakt.
     
  5. Maak met boetseerklei het gaatje in het deksel dicht, waarbij je het rietje ook meteen vastzet. Het gaatje moet luchtdicht afgesloten zijn.
     
  6. Doe je hand om het bovenste deel van de fles. Wat gebeurt er met de vloeistof in het rietje en waarom?

Wat gebeurt er?

Ouderwetse
kwikthermometer. De
vloeistof in het reservoir
onderin de thermometer zet
uit bij verhitting, waardoor
het opstijgt in de smalle
glazen buis. De thermometer
in experiment 1 is gebaseerd
op het uitzetten van gas, niet
van vloeistof.

Figuur met dank aan Andres
Rueda; Bron: Flickr

De warmte van je hand verwarmt de lucht in de fles. De lucht zet uit en drukt op het water, waardoor het in het rietje omhoog gaat.

Vragen voor je leerlingen

  1. Was het echt de warmte die de vloeistof liet opstijgen in het rietje of kan de druk van je handen dit veroorzaken?
     
  2. Hoe kun je dit met een proefje testen?

    Antwoorden: de fles was van stevig materiaal en als we ervan uitgaan dat je niet kneep ging de vloeistof omhoog door de warmte en niet door de druk.

2) Zie een breinaald groeien: vaste stoffen zetten ook uit als je ze verwarmt

In het vorige experiment was de warmte van je handen voldoende om het gas in de fles behoorlijk uit te laten zetten. Bij een bepaalde toename van temperatuur zetten vaste stoffen echter veel minder uit dan gassen. In het volgende experiment gebruiken we een eenvoudig maar gevoelig instrument om de uitzetting van een breinaald te bestuderen die door een kaars wordt verwarmd.

 

Veiligheid

Omdat er open vuur en scherpe dingen worden gebruikt in dit experiment is het aan te bevelen om hem uit te voeren als demonstratie. Lees ook de algemene veiligheidsvoorschriften van Science in School.

 

Materialen

Experiment 2: Een breinaald
zien groeien. Klik op de
afbeelding om te vergroten.

Figuur met dank aan Andrew
Brown
  • Een metalen breinaald
  • Twee lege glazen flessen (wijnflessen zijn hiervoor geschikt)
  • Een kurk die in een van de flessen past
  • Een setje sleutels of ander ding (bv modelleer klei) het ene uiteinde van de breinaald te verzwaren
  • Een stapel boeken (of andere dinge nom het apparaat te ondersteunen)
  • Een naald met een cilindrische schacht
  • Een rietje
  • Een theelichtje (laag kaarsje)
  • Lucifers

Werkwijze

  1. Druk de kurk tot halverwege in een van de flessen.
     
  2. Druk het scherpe eind van de breinaald in de zijkant van de kurk zodanig dat de breinaald net boven de rand van de fles uitsteekt.
     
  3. Leg het andere eind van de breinaald over de opening van een tweede fles.
     
  4. Steek de naald door het rietje op eenderde van de hele lengte van het rietje. Het gaatje moet zo klein zijn dat het rietje niet los om de naald kan draaien.
     
  5. Leg de naald (met het rietje eraan vast) onder de breinaald en in een rechte hoek ermee, over de opening van de tweede fles.
     
  6. Hang een gewicht (bv sleutels) aan het vrije eind van de breinaald.
     
  7. Laat het rietje naar beneden wijzen.
     
  8. Zet een stapel boeken tussen de twee flessen.
     
  9. Zet het theelichtje op de stapel boeken. Maak de stapel zo hoog, dat de bovenkant van het theelichtje ongeveer 3 cm onder de breinaald zit.
     
  10. Steek het theelichtje aan. Wat gebeurt er met het rietje? Wat is daarvan de oorzaak?
Een brug met een voeg
waardoor deze kan uitzetten.

Figuur met dank aan Ingolfson;
Bron: Wikimedia Commons

Wat gebeurt er?

De warmte van het theelichtje laat de breinaald uitzetten. Als het in de lengte uitzet beweegt het en rolt over de naald. Het rietje vergroot de bewegingen van de naald.

Vragen voor je leerlingen

  1. We hebben gezien dat vaste stoffen en gassen uitzetten als ze verwarmd worden, maar hoe zit het met gassen?

    Antwoord: vloeistoffen vormen geen uitzondering – ze zetten ook uit als je ze verhit.
     

  2. Welke problemen zou uitzetting ten gevolge van warmte kunnen veroorzaken bij bruggen en rails?

    Antwoord: bekijk de plaatjes aan de rechterkant.

Een spoorstaaf met een voeg
waardoor deze kan uitzetten.
Aangegeven door de pijl.

Figuur met dank aan
PixOnTrax; Bron: Wikimedia
Commons
Denemarken Storebæltsbroen ( Grote Belt Brug).
Problemen in de echte wereld die worden veroorzaakt door de uitzetting van vaste stoffen zijn: rails en bruggen zetten uit bij warm weer, wat kan leiden tot kromtrekken of breken. Spoorwegingenieurs laten ruimtes open tussen de spoorstaven, waardoor ze ruimte krijgen om uit te zetten en dat veroorzaakt bij treinen het karakteristieke ‘kedeng-kedeng’ geluid als hun wielen over de voegen denderen. Op dezelfde manier bouwt men bruggen in gedeeltes, verbonden door verbindingen die uit kunnen zetten; de 18 km Storebæltsbroen ( Grote Belt Brug) in Denemarken kan 4,7 m uitzetten bij warm weer!
Figuur met dank aan Kdhenrik; Bron: Flickr

Fase-overgangen

Tot nu toe hebben de studenten gezien wat er gebeurt als we vaste stoffen en gassen verwarmen: ze zetten uit. U hebt uw leerlingen ook verteld dat vloeistoffen hetzelfde doen. Maar wat gebeurt er als we stoffen blijven verwarmen (figuur 1)? Vraag de leerlingen om te denken aan een goudbaar; deze is vast bij kamertemperatuur, bij 100 ° C en zelfs bij 500 ° C. Maar wat gebeurt er als we de temperatuur nog verder verhogen, zelfs tot 1064 ° C? Bij deze temperatuur gebeurt iets bijzonders: het massieve goud wordt een vloeistof! Verwarm je de vloeistof nog verder (tot 2856 ° C) dan gaat  de vloeistof koken en verandert in een gas.

Figuur 1: Dit diagram laat de fase-overgangen zien; dit zijn processen waarbij de ene fase waarin een stof voorkomt omgezet wordt in een andere fase. Fase-overgangen zijn omkeerbaar.
Figuur met dank aan k.landerholm, atomicshark en Vélocia; Bron: Flickr
’s Werelds grootste goudbaar
ligt in een museum in Toi,
Japan. Hij weegt 250 kg en
op het moment van schrijven
heeft hij een waarde van
ongeveer US $ 12 miljoen.

Figuur met dank aan PHGCOM;
Bron: Wikimedia Commons

Natuurlijk is dit een vrij extreem voorbeeld, de meeste van ons zullen nooit te maken krijgen met gasvormig goud. Maar iedereen in de klas zal de drie fase-overgangen kennen die water doorloopt: het veranderen van vast ijs in vloeibaar water (bij 0 ° C), daarna in de gasvorm als waterdamp (100 ° C). Dus evenals hen laten uitzetten kan warmte ook de oorzaak zijn dat stoffen van fase veranderen. Verschillende stoffen vereisen verschillende hoeveelheden warmte om dit te doen: het kost meer warmte om goud aan de kook te brengen dan water. Maar op z’n minst in theorie kunnen alle stoffen voorkomen ​​in drie fasen.

In de volgende experimenten zullen we bekijken wat er gebeurt als we vloeibaar water gasvormig maken en omgekeerd.

3) Van vloeistof naar gas: verdamping op je vinger

Nog voordat een vloeistof kookt kan een deel ervan al veranderen in gas – vraag uw leerlingen om na te denken over de slierten stoom die uit een pan met water komen lang voordat het kookt. In dit experiment zullen de studenten zien dat zelfs onze vingertoppen voldoende warmte opleveren om kleine hoeveelheden water te veranderen van een vloeistof in een gas. We noemen dit proces verdamping.

Materialen

  • Een kopje water
Water verdampt van je vinger
Figuur met dank aan Andrew
Brown

Uitvoering

Dit experiment kan het best buiten worden uitgevoerd of ergens waar het tocht, bijvoorbeeld bij een open raam.

  1. Dip je vingertop in het water en houdt hem omhoog.
     
  2. Wat zie en voel je?

Wat gebeurt er?

In dit experiment verwarmden we vloeibaar water, maar wat gebeurt er als we een vaste stof verwarmen? Denk eens aan wat er gebeurt als je boter verwarmt.

Vragen voor je leerlingen

Een olifant spuit water op
zijn rug

Figuur met dank aan
bratboy76; Bron: Flickr
 
  1. In this experiment we heated liquid water, but what happens when we heat a solid? Think about what happens when you heat butter.

    Antwoord: vaste stoffen smelten als ze verwarmd worden.
     

  2. Hoe kunnen we je experiment verbeteren?

    Antwoord: wat als je vinger niet koud aanvoelde door de verdamping maar doordat het water koud was? Om dit idee te testen kunnen we water gebruiken dat op kamertemperatuur (370 C) is. Probeer het eens – je zou hetzelfde resultaat moeten krijgen.
     

  3. Kun je uitleggen met wat je hebt geleerd waarom olifanten soms water over hun rug spuiten?

    Antwoord: olifanten doen dit om zichzelf af te koelen, door te profiteren van het koelvermogen van verdamping.

4) Van een gas naar vloeistof: condensatie in een plastic zak

Studenten hebben gezien dat door verwarmen van een vloeistof het omgezet kan worden in een gas (verdamping) maar dit is een omkeerbaar proces : voldoende afkoelen van een gas verandert het weer in een vloeistof, in een proces dat condenseren heet. In het volgende experiment, zullen de studenten condenseren onderzoeken.

Materialen

  • Een doorzichtige plastic zak
  • Een elastiekje
  • Een stukje doek
  • Water
Condensatie in een plastic
zak

Figuur met dank aan Andrew
Brown

Werkwijze

  1. Houd het doekje onder de kraan om het nat te maken en wring het uit om het teveel aan water te verwijderen.
     
  2. Doe het doekje in de plastic zak. Zorg dat er wat lucht in de zak zit en maak hem dicht.
     
  3. Leg de zak een uur op een warme plaats zoals op een radiator of direct in de zon. Wat zie je?

Wat gebeurt er?

Er vormen zich waterdruppeltjes aan de binnenkant van de zak.

Sabel Eiland bij de kust van
Nova Scotia, Canada, staat
bekend als “kerkhof van de
Atlantische Oceaan”. Het
eiland is 36 km lang en ligt
op een plaats waar warme,
vochtige lucht van de
Golfstroom wordt afgekoeld
door lucht van de
Noordelijke IJszee, waardoor
regelmatig zware mist
ontstaat. Dit maakt het een
gevaarlijke plaats voor
schepen: er zijn daar
tenminste 350 vaartuigen
gezonken

Figuur met dank aan archer
10 (Dennis) OFF; Bron: Flickr.

Hoe? Water verdampt uit het natte doekje zodat de lucht in de zak heel veel waterdamp bevat. De binnenkant van de zak is koud genoeg om de waterdamp om te zetten in vloeibaar water.

Vragen voor je leerlingen

  1. In dit experiment hebben we een gas (waterdamp) laten afkoelen, maar wat gebeurt er als we een vloeistof afkoelen? Denk eens aan het maken van ijsblokjes.

    Antwoord: vloeistoffen bevriezen en worden vast als ze worden afgekoeld
     

  2. Hoe kunnen we ons experiment veranderen zodat de waterdruppels sneller gevormd worden?

    Antwoord: door de buitenkant van de zak kouder te maken, zal de condensatie sneller verlopen, dit kan bijvoorbeeld door er een zak ijsklontjes naast te leggen
     

  3. Wat veroorzaakt mist: verdamping of condensatie?

    Antwoord: mist wordt gevormd wanneer waterdamp afkoelt en condenseert tot een wolk kleine waterdruppeltjes dichtbij de grond (zoals een wolk, maar dichter bij de grond).

Dankwoord

De instructie over hoe je een thermometer moet maken zijn overgenomen van de “California Energy Commission ’s Quest” website. Bekijk hun website voor deze en andere wetenschappelijke projecten.

Download

Download this article as a PDF

Web References

Resources

Author(s)

Erland Andersen is een voormalig lagere school leraar uit Denemarken. Hij geeft nu trainingen aan docenten in de natuurwetenschappenw2.

Erland ontwikkelde de proeven in dit artikel als onderdeel van een “klein energie rijbewijsw3”. Leerlingen verdienen hun rijbewijs door het uitvoeren van energie-experimenten in kleine groepen. Erland moedigt de leerlingen aan om uitteleggen en vragen te stellen over hun resultaten en om wat ze hebben geleerd te gebruiken bij het verklaren van verschijnselen in de echte wereld.

Andrew Brown is afgestudeerd in de moleculaire en cellulaire biologie aan de Universiteit van Bath, UK. Hij werkt momenteel voor Science in School, gevestigd in het “Europees Moleculair Biologie Laboratorium” in Heidelberg, Duitsland.


Review

De grote kracht van dit artikel is dat er een cluster van activiteiten gepresenteerd wordt in een volgorde die als een zinvol geheel aanvoelt. Hoewel de activiteiten waarschijnlijk bekend zijn bij veel leraren, zullen de voorgestelde volgorde en vragen de leraren helpen om nogal moeilijke concepten aan te pakken, zoals warmte-overdracht, verdamping en condensatie. De activiteiten helpen leraren ook om de omkeerbaarheid van een aantal van deze processen te onderzoeken. Een ander belangrijk voordeel van dit artikel is, dat het uitvoerbare en gemakkelijk experimenten zijn, die kunnen worden uitgevoerd met een standaard schooluitrusting en goedkope materialen.


Christiana Nicolaou, Cyprus




License

CC-BY-NC-SA