Konkurs Mały odkrywca Etap III ciepło - zimno Doświadczenie Przewodnictwo cieplne metali Materiały: dwa pręty (lub rurki): miedziany i stalowy, plastelina, dwa szklane słoiki, taśma klejąca, palnik spirytusowy doświadczenia: Do miedzianej rurki i pręta stalowego w jednakowej odległości od siebie przyklejamy kuleczki z plasteliny. Oba pręty układamy obok siebie na dwóch szklanych słoikach, które pełnią rolę izolowanych statywów i przyklejamy je do słoików taśmą klejącą. Końce obu prętów ogrzewamy za pomocą palnika spirytusowego własnej roboty, wykonanego ze słoika po ketchupie. Po dłuższej chwili plastelinowe kuleczki zaczynają odpadać od rurki miedzianej. Od stalowego pręta kulki odpadają dużo później. Fragment filmu pokazujący przewodzenie ciepła został dwukrotnie przyspieszony. W metalach elektrony z ostatniej powłoki energetycznej, zwanej walencyjną pod wpływem oddziaływania sieci krystalicznej uwalniają się i tworzą tak zwany gaz elektronowy. Elektrony te mogą poruszać się chaotycznie z bardzo dużymi prędkościami po całym metalu zderzając się ze sobą i jonami sieci krystalicznej. Im szybciej poruszają się elektrony i większe są drgania jonów sieci, tym wyższa jest temperatura metali. Jeśli podgrzejemy jeden koniec pręta, to poprzez niezliczoną ilość zderzeń elektronów z innymi elektronami oraz jonami sieci, energia zostaje przenoszona do dalszych części pręta i rośnie temperatura tych części. Przylepione do prętów plastelinowe kuleczki ogrzewają się, zaczynają się topić i odpadają od prętów. Szybkość zachodzenia tych procesów zależy od budowy sieci krystalicznej metalu. Podobnie odbywa się przepływ prądu gdy do końców przewodnika przyłożymy napięcie elektryczne. Dlatego dobre przewodniki elektryczności są również dobrymi przewodnikami ciepła. Stal dużo gorzej przewodzi prąd elektryczny niż miedź więc jest gorszym przewodnikiem ciepła i plastelinowe kuleczki od stalowego pręta odpadają dużo później. Doświadczenie 2 Materiały: szklanka, woda, kostka lodu, solniczka z solą kuchenną doświadczenia: Nalewamy do szklanki wody i wrzucamy do niej kostkę lodu. Kładziemy jeden koniec nitki na kostce. Sypiemy na kostkę z nitką sól kuchenną. Ciągnąc za drugi koniec nitki wyciągamy kostkę lodu. Po wrzuceniu kostki lodu do wody lód szybko osiąga temperaturę 0 C i zaczyna się topić. Gdy posypiemy na kostkę lodu sól, to ona rozpuszcza się. Ale do rozpuszczenia (polega to na odrywaniu cząsteczek ciała stałego i mieszaniu się ich z cząsteczkami cieczy) potrzebna jest dość duża energia, aby cząsteczki soli mogły przezwyciężyć siły wiązania kryształu. Tę energię pobierają kosztem energii wewnętrznej lodu, więc temperatura lodu znacznie się obniża (sól obniża temperaturę zamarzania czyli krzepnięcia wody). Ale temperatura jest na tyle niska, że woda znajdująca się na kostce lodu krzepnie i nitka przymarza do kostki lodu. Gdy pociągniemy za drugi koniec nitki to wyciągamy kostkę lodu ze szklanki. Uwagi do wykonania: wymaga pewnej wprawy, należy wybrać wypukłą kostkę lodu i położyć nitkę na wystającej części lodu Doświadczenie 3
Zgnieciona butelka plastikowa Doświadczenie 4 Dlaczego wodę należy ogrzewać od spodu? Materiały: szklana rurka (w takich rurkach sprzedawane są laski wanilii), kombinerki, palnik spirytusowy, zimna woda, denaturat doświadczenia: Do szklanej rurki wlewamy zimną wodę. Szklaną rurkę chwytamy kombinerkami, umieszczamy rurkę nad palnikiem spirytusowym i podgrzewamy ją od spodu. Woda ogrzewa się powoli, cała rurka ma tą samą temperaturę. Po dłuższym czasie woda w rurce wrze w całej objętości. W drugiej części po schłodzeniu rurki napełniamy ją zimną wodą i ponownie umieszczamy rurkę nad palnikiem ale ogrzewamy tylko jej górna część. Woda w górnej części bardzo szybko doprowadzona jest do wrzenia natomiast dolna część pozostaje cały czas chłodna. Zachodzi tutaj konwekcja ciepła czyli unoszenie. Ciepła woda ma małą gęstości i unosi się do góry, a zimna woda dużą gęstość (jest cięższa) i spada w dół. Dlatego też ogrzewając rurkę od spodu ogrzewamy całą objętość wody i długo czekamy na wrzenie. W drugiej części ciepła woda nie opada, dolny koniec jest cały czas zimny i możemy rurkę trzymać na dole goła ręką. Woda jest doprowadzana do wrzenia bardzo szybko. Doświadczenie 5 Konwekcja w zabarwionej wodzie Materiały: tabletka Kalium zawierająca nadmanganian popasu, szklanka, zimna woda, palnik spirytusowy doświadczenia: Tabletkę Kalium zawierającą nadmanganian potasu, podzieloną na części, wrzucamy do szklanki z zimną wodą. Bez podgrzewania tabletka słabo się rozpuszcza, a powstałe smugi nie unoszą się, tylko opadają. Następnie szklankę podgrzewamy na palniku spirytusowym wykonanym ze słoika po ketchupie. Tabletka rozpuszcza się i ciepłe strugi wody wraz z nadmanganianem potasu unoszą się do góry. Zimna woda z górnej części szklanki opada na dno. Ogrzewana woda bardzo szybko się miesza. Ciepła woda ma małą gęstości i unosi się do góry, a zimna dużą gęstość (jest cięższa) i spada w dół. Takie zjawisko nazywamy konwekcją czyli unoszeniem. Więcej informacji można znaleźć w artykule: Konwekcja ciepła. Uwagi do wykonania: łatwe, palnik spirytusowy można wykonać ze słoika po ketchupie, knot można kupić w sklepie (przeznaczony jest on do lampek oliwnych) Doświadczenie 6: Skąd i dokąd przepływa ciepło? Słoik o pojemności 1 litra, łyżka do zupy, drewniana łyżka lub łopatka, plastikowa łyżka lub łopatka, kawałek twardego masła (najlepiej wyjęty prosto z lodówki), nóż do krojenia masła, trzy różnokolorowe pinezki, gorąca woda. Kolejne czynności: 1. Do słoika ostrożnie wlewamy gorącą wodę (czynność wykonywana pod nadzorem nauczyciela). 2. Na trzonek każdej z łyżek lub łopatek nakładamy taki sam kawałek masła (kostkę o boku pół centymetra) i dociskamy, żeby nie spadł. W każdy kawałek masła wbijamy pinezkę. 3. Pytamy dzieci, co się stanie, kiedy zanurzymy wszystkie trzy łyżki w wodzie. Ustalamy, w jakiej kolejności, czy też jednocześnie, pinezki wpadną do wody w słoiku (hipoteza). Dzieci zapisują swoje przewidywania w przygotowanej tabeli. 4. Wkładamy łyżki do wody i obserwujemy, co się dzieje z pinezkami. Wyniki dzieci zapisują w tabeli, porównując ze swoimi przewidywaniami. Masło topi się na trzonkach łyżek i pinezki odpadają, ponieważ wszystkie łyżki przejmują ciepło od wody w słoiku i przekazują do masła. Proces przepływu ciepła między obiektami poprzez ich zetknięcie się nazywamy przewodzeniem, a materiały przewodnikami ciepła. Różne materiały mają różną zdolność przewodzenia ciepła. W naszym doświadczeniu najlepszym przewodnikiem ciepła okazał się metal, a najsłabszym drewno. Doświadczenie nr 2: Jak zatrzymać ciepło? Dwa szklane słoiki z pokrywkami, nalepki na słoiki, wełniana szmatka, czajnik elektryczny z wodą, termometr laboratoryjny.
Kolejne czynności: Podpisz słoiki (nr 1 i nr 2). Podgrzej wodę w czajniku i ostrożnie wlej ją do obu słoików, do ¾ ich pojemności. Słoik nr 1 przykryj wełnianą szmatką, a słoik nr 2 pozostaw bez przykrycia. Po 5 min. zmierz temperaturę wody w obu słoikach i zapisz w tabeli. Zdejmij wełnianą szmatkę, zamknij oba słoiki, dokręcając zakrętki. Odstaw je na pół godziny w zacienione miejsce. Do tabeli wpisz, jaka wg Ciebie temperatura wody będzie w słoiku nr 1 i w słoiku nr 2. Ponownie zmierz temperaturę wody w obu słoikach, zapisz wyniki w tabeli i porównaj ze swoimi przewidywaniami. Woda w słoiku nr 1 jest cieplejsza niż woda w słoiku nr 2, ponieważ ten słoik był przykryty wełnianą szmatką i powierzchnia wody w słoiku nie kontaktowała się bezpośrednio z chłodnym powietrzem na zewnątrz, które schłodziło wodę w słoiku nr 2. Wełniana szmatka odizolowała wodę od zimnego powietrza, zatrzymując ciepło wewnątrz słoika. Materiały, które nie przewodzą ciepła nazywamy izolatorami. Np. uchwyty patelni zrobione są z dobrych izolatorów, chroni to nas przed poparzeniem się (jak wiemy z poprzedniego doświadczenia, metal, z którego wykonane są patelnie jest bardzo dobrym przewodnikiem ciepła); w sieci ciepłowniczej stosowane są rury preizolowane dzięki temu ograniczane są straty energii cieplnej podczas dostarczania jej do budynków. Doświadczenie 7: Czy ciepło potrafi latać? Kartka ze wzorem spirali (wzór poniżej), nożyczki, igła, gruba nitka lub cienki sznurek, 2 świeczki typu podgrzewacze Kolejne czynności: Wycinamy spiralę według wzoru (możemy wcześniej ją pokolorować). Zakończenie spirali (w środku rysunku) zaginamy w dół, tworząc półkole, a w drugim końcu, zaznaczoną kropkę przebijamy igłą i przeciągamy nitkę lub robimy igłą otwór i przeciągamy przez niego sznurek, zawiązując na końcu supełek. Gotową spiralę trzymamy nad zapalonymi świeczkami (uważając, żeby za bardzo jej nie obniżyć i żeby papier się nie zapalił). Obserwujemy ruch wirowy spirali. Spirala zostaje wprawiona w ruch wirowy, ponieważ ogrzane nad świeczką powietrze, rozszerza się, czyli cząsteczki powietrza pod wpływem ciepła poruszają się coraz szybciej i unoszą się do góry. Kiedy Słońce ogrzewa Ziemię, ogrzewane jest również powietrze wokół niej. Ciepłe powietrze jest lżejsze niż zimne i unosi się do góry. To wznoszące się ciepłe powietrze ludzie wykorzystują do latania na lotniach, a ptaki np. bociany, korzystając z tych ciepłych prądów zwanych termicznymi unoszą się do góry bez żadnego wysiłku. Kiedy wietrzymy pomieszczenie, zimne powietrze z zewnątrz jako cięższe wpada do środka na wysokości parapetu, natomiast ogrzane powietrze z pomieszczenia lżejsze wydostaje się na zewnątrz bliżej górnej ramy okna. Doświadczenie 8: Który kolor pochłania więcej ciepła? Cztery puszki po napojach, 2 paski białego i 2 paski czarnego kartonu o szerokości równej wysokości puszki, taśma klejąca lub klej, woda w naczyniu z podziałką, 4, duży, głęboki talerz lub średnio głęboka miska, folia aluminiowa termometry laboratoryjne. Kolejne czynności: Z pasków kartonu wykonujemy 4 rulony, które trzeba nałożyć na każdą z puszek. Puszki numerujemy (1 - biała, 2 - czarna, 3 - biała, 4 - czarna). Do każdej puszki wlewamy taką samą ilość wody. Wewnętrzną stronę talerza lub miski wyścielamy folią aluminiową. Znajdujemy bardzo nasłonecznione miejsce, ustawiamy nasze zwierciadło jak najbardziej pionowo, stroną wklęsłą do słońca i przed nim stawiamy puszkę nr 1 i nr 2. Pozostałe dwie puszki ustawiamy tak, aby nasilenie promieni słonecznych było podobne, ale poza zasięgiem zwierciadła. Mierzymy temperaturę początkową we wszystkich puszkach i zapisujemy w tabeli. Obok zaznaczamy nasze przewidywania, w której puszce będzie najwyższa temperatura, a w której najniższa oraz czy woda będzie cieplejsza w puszkach białych czy w czarnych? Zostawiamy puszki na 2 godziny. Po tym czasie mierzymy temperaturę wody w każdej z puszek, jednocześnie wkładając termometry do każdej z nich. Porównujemy wyniki z naszymi przewidywaniami.
W puszkach okrytych białym rulonem temperatura wody była niższa, ponieważ jasne kolory, a szczególnie biały, odbijają promienie słoneczne, a tym samym nie pochłaniają ciepła. Natomiast ciemne kolory, a szczególnie czarny, są doskonałymi pochłaniaczami ciepła, dlatego woda w czarnych puszkach była znacznie cieplejsza. Temperatura wody w puszkach nr 1 i nr 2 (ustawionych przed miską/talerzem pokrytym folią) była znacznie wyższa od temperatury wody w puszkach ustawionych poza zwierciadłem, ponieważ błyszcząca, wklęsła powierzchnia silnie skupiała promienie słoneczne, które po odbiciu się od folii dodatkowo nagrzewały obie puszki. Na takiej samej zasadzie jak nasze puszki działają kolektory słoneczne. Są to urządzenia, które zamieniają energię promieniowania słonecznego na ciepło. Odbywa się to poprzez przeniesienie ciepła słonecznego na nośnik, który odda to ciepło w formie i w miejscu odpowiednim dla nas. Takim nośnikiem może być woda lub powietrze. Pozyskane w ten sposób ciepło nazywamy czystą energią, ponieważ wytworzenie jej jest przyjazne dla środowiska: nie zużywa jego zasobów i nie zanieczyszcza. Jest to energia ze źródeł odnawialnych. Kolektor składa się z: przezroczystego pokrycia, absorbera (absorbować pochłaniać), najczęściej jest to blacha miedziana pokryta specjalną powłoką, wymiennika ciepła (najczęściej są to rurki miedziane przylutowane do absorbera, wypełnione wodą lub powietrzem) i izolacji, przeważnie z wełny mineralnej lub pianki poliuretanowej. W niektórych typach kolektorów montowane są zwierciadła skupiające promienie słoneczne, które są odbijane w kierunku absorbera, będącego jednocześnie wymiennikiem ciepła. Jednak celność zwierciadeł jest uzależniona od kierunku padania promieni słonecznych, co w praktyce oznacza, że aby utrzymać wysoką sprawność przez cały dzień, kolektor musi poruszać się zgodnie z pozornym ruchem słońca, co znacznie zwiększa koszty budowy i utrzymania takiego kolektora, ale zapewnia większą sprawność instalacji. Kolektory słoneczne najpowszechniej wykorzystywane są do: podgrzewania wody użytkowej, podgrzewania wody basenowej, wspomagania centralnego ogrzewania. Doświadczenie 9 Jak zrobić chmurę? Materiały: słoik dla każdej grupy z wyznaczonym poziomem 2,5 cm od spodu ciepła woda talerz do przykrycia słoika kostki lodu latarka Działanie i obserwacja Uczniowie napełniają słoik ciepłą wodą do wyznaczonego poziomu, następnie wykładają kilka kostek lodu na talerz i przykrywają nim słoik. Należy zaciemnić pomieszczenie i latarką podświetlić słoik. Po kilku minutach należy unieść talerzyk i podświetlić część nad słoikiem. Ponownie przykrywamy słoik i obserwujemy zbierające się krople wody. Obserwacja zjawiska powstawania chmury z opadami deszczu. Wnioski: Kiedy powietrze wewnątrz słoika unosi się i jest ochładzane przez lód, tworzy się para wodna, która skrapla się i opada w postaci deszczu. Doświadczenie 10 Czy nasze ciało potrafi określić temperaturę? Materiały: dwie miski z chłodną wodą kostki lodu jedna miska z ciepłą wodą Problem: Jaka jest woda, ciepła czy zimna? Działanie i obserwacja Ustawiamy na stoliku trzy miski obok siebie. Do pierwszej nalewamy chłodną wodą i wkładamy kostki lodu. Drugą miskę napełniamy chłodną wodą, a trzecią ciepłą. Prosimy ucznia, żeby jedną dłoń włożył do pierwszej miski, a drugą w tym samym czasie do trzeciej. Po kilku sekundach prosimy o przełożenie obu rąk do środkowej, drugiej miski i określenie, czy woda jest zimna, czy ciepła? Wnioski: Ręka, która wcześniej była w lodowatej wodzie, w misce środkowej odczuwa ciepło, zaś ta, która moczyła się w ciepłej, teraz odczuwa zimno. Informacja dla uczniów
Nasze ciało niezbyt dokładnie potrafi określać temperaturę. Czujniki w skórze mierzą tylko wzrost lub spadek ciepłoty, a nie faktyczną temperaturę. Dlatego dawno temu naukowcy skonstruowali przyrząd do mierzenia temperatury termometr. prezentacja różnych termometrów omówienie sposobu odczytywania temperatury wykonanie praktycznych pomiarów ciepłoty wody w trzech miskach Doświadczenie 11. Kiedy możemy oparzyć język herbatą? Materiały: duży, wysoki słoik na tyle mały słoiczek, żeby zmieścił się w dużym sznurek atrament lub barwnik gorąca woda Hipoteza: Uczniowie zastanawiają się, dlaczego można oparzyć język gorącą herbatą? Działanie i obserwacja 1. Napełniamy duży słoik zimną wodą nieco powyżej wysokości malutkiego słoiczka. 2. Przywiązujemy sznurek do szyjki mniejszego słoika, tak żeby można było całość unieść do góry. 3. Teraz będzie potrzebna pomoc opiekuna nalewamy gorącą wodę do malutkiego słoiczka i zabarwiamy ją kilkoma kroplami atramentu lub barwnika. Tak przygotowany roztwór umieszczamy wraz z małym naczyniem w dużym słoiku z zimną wodą. (Eksperyment będzie prawidłowo wykonany, jeżeli mały słoiczek z gorącą wodą zostanie całkowicie zanurzony w zimnej wodzie.) 4. Obserwujemy, co dzieje się w obu słoikach. Wnioski: Gorąca, zabarwiona woda uniosła się do góry i zgromadziła na powierzchni. Problem: Co można zrobić, żeby uniknąć poparzenia języka gorącą herbatą? Uczniowie: Wymieszać herbatę łyżeczką. Doświadczenie 12 Składniki Napój, nawóz z azotanem potasu, duże szklane naczynie, woda, łyżka, termometr Rozpuść nawóz w wodzie (3 4 łyżki nawozu w 100 ml wody). Zmierz temperaturę roztworu oraz dłonią sprawdź temperaturę napoju. Wstaw do roztworu napój i pozostaw go w nim na około 5 minut. Ponownie zmierz temperaturę roztworu z nawozem. Wyjmij napój i sprawdź dłonią jego temperaturę. Zrób to inaczej Przeprowadź doświadczenie z napojami o różnej temperaturze, na przykład z gorącą lub mrożoną herbatą. Zbadaj, czy większa ilość rozpuszczonego nawozu wpływa na temperaturę roztworu i szybkość z jaką zmienia się temperatura napoju. Jak zmieniła się temperatura roztworu z nawozem? Czy zmieniła się również temperatura napoju? Od czego to może zależeć? Jak nadmiar nawozu może oddziaływać na temperaturę gleby? Jaki to może mieć wpływ na rośliny? Doświadczenie 13 Kostki lodu Składniki dwa talerze jednakowej wielkości kostki lodu tkanina polarowa/puchowa Rozłóż na dwóch talerzach taką samą liczbę kostek lodu. Jeden talerz przykryj tkaniną polarową, drugi pozostaw nieosłonięty.
Zaobserwuj, co stanie się z kostkami lodu po kilkunastu minutach. Zrób to inaczej Ubierz jedną osobę w furto bądź polar i poproś, aby stała tak ubrana przez 10 minut w ciepłym pomieszczeniu. Jeżeli będzie zimno, niech wykona kilka podskoków. Obserwuj wygląd skóry na nieosłoniętych częściach skóry. Co stało się z kostkami lodu na obu talerzach? Dlaczego? Jaką funkcję spełniła polarowa tkanina? Doświadczenie 14 Gorący atrament przezroczyste pojemniki/kubki/szklanki granatowy tusz/atrament gorąca oraz zimna woda, ewentualnie kostki lodu ocet sok z cytryny 1. Ustaw obok siebie 5 pojemników. Do pierwszego nalej zimną wodę, a do pozostałych gorącą. 2. Do wszystkich pojemników z wodą dodaj po kilka kropel granatowego tuszu. Odczekaj dłuższą chwilę i obserwuj, co się dzieje. 3. Pojemniki pierwszy i drugi pozostaw bez zmian. Do trzeciego dodaj trochę octu, do czwartego lód lub zimną wodę, do piątego odrobinę soku z cytryny. Obserwuj, co się dzieje. Pojemniki z cieczami możesz pozostawić na dłuższy czas, np. na dobę, zaglądając do nich co pewien czas. Co się działo z atramentem po wkropleniu go do zimnej wody? A co się z nim działo po wkropleniu do gorącej wody? Skąd może to wynikać? Jaki efekt uzyskałeś po dodaniu octu do gorącej wody z atramentem? Czy podobny wynik ukazał się po dodaniu soku z cytryny lub lodu? Doświadczenie 15 Mrożąca sól Składniki Miska Słoik Kostki lodu Sól Woda 1. Wsyp kostki lodu do miski. 2. Wsyp sól na kostki lodu. 3. Do słoika nalej trochę wody. 4. Wstaw słoik z wodą do miski z lodem. 5. Pozostaw na około pół godziny. 6. Sprawdź, co się stało. ZRÓB TO INACZEJ - Wykonaj doświadczenie, nie używając soli. Porównaj obserwacje. - Spróbuj wykonać doświadczenie zimą wykorzystując zamiast lodu śnieg. - Zmień ilość wody w słoiku i lodu w misce. Co się stało z lodem? Co się stało z wodą? Jak po wykonaniu doświadczenia wygląda miska? Dlaczego w doświadczeniu używamy soli? Do jakich praktycznych zastosowań można wykorzystać ten efekt? Doświadczenie 16 Czy wszystkie ciała przewodzą ciepło?
Składniki masło (lub smalec) trzy równej długości i grubości patyczki: drewniany, metalowy i plastikowy kubek z gorącą wodą 1. Na patyczki nabij kawałki masła lub tańszego smalcu. 2. Wstaw je do kubka z gorącą woda i obserwuj. ZRÓB TO INACZEJ - Można próbować z różnymi temperaturami zaczynając np. od najniższej. Który materiał szybciej przewodzi ciepło? Czy patyczki powinny być jednakowej grubości i długości? Co decyduje o tym, że metal szybciej przekazuje ciepło?