Η ΦΥΣΙΚΗ ΜΕ ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ Α’ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ Συγγραφική ομάδα: Γεώργιος Θεοφ. Καλκάνης, Ουρανία Γκικοπούλου, Ευστράτιος Καπότης, Δημήτριος Γουσόπουλος, Ματθαίος Πατρινόπουλος, Παναγιώτης Τσάκωνας, Παναγιώτης Δημητριάδης, Λαμπρινή Παπατσίμπα, Κωνσταντίνος Μιτζήθρας, Αθανάσιος Καπόγιαννης, Δημήτριος Ι. Σωτηρόπουλος, Σάββας Πολίτης και τα μέλη των συγγραφικών ομάδων των βιβλίων "Φυσικά - Ερευνώ και Ανακαλύπτω" της Ε’ και Στ’ τάξης του δημοτικού σχολείου, από τα οποία έχει αντληθεί ένα μεγάλο μέρος του υλικού των φύλλων εργασίας. Φύλλο Εργασίας 5 Από τη Θερμότητα στη Θερμοκρασία – Η Θερμική Ισορροπία

α. Εισαγωγή Η θερμοκρασία είναι μια έννοια που μας βοηθά να περιγράψουμε πόσο θερμό ή ψυχρό είναι ένα σώμα. Όταν είναι θερμό λέμε ότι έχει υψηλή θερμοκρασία ενώ όταν είναι ψυχρό λέμε ότι έχει χαμηλή θερμοκρασία. Η Θερμότητα είναι μια μορφή ενέργειας που μεταφέρεται από ένα σώμα σε ένα άλλο λόγω διαφοράς θερμοκρασίας. Η Θερμότητα ρέει πάντα από σώματα με υψηλότερη θερμοκρασία σε σώματα με χαμηλότερη θερμοκρασία. Α Β Ερωτ.: Βρες ποια εικόνα προηγείται χρονολογικά, η Α ή η Β; …………………………………………………………………… ……………………………………………………………… ………………………………………………………………… η Β προηγείται χρονολογικά Η θερμοκρασία στο ποτήρι αριστερά θα μειώνεται και δεν θα βγαίνουν υδρατμοί, ενώ η θερμοκρασία στο ποτήρι δεξιά θα αυξάνεται και θα λιώσει ο πάγος

β. Συζητώ, Αναρωτιέμαι, Υποθέτω Συζήτησε με τους μαθητές τα παραπάνω φαινόμενα και τη σχέση θερμοκρασίας - θερμότητας. Γράψε τις υποθέσεις σου για αυτά τα φαινόμενα, τις αιτίες τους, την εξέλιξή τους και τα αποτελέσματά τους. Οι μαθητές υποθέτουν ότι αφού «η θερμότητα είναι ενέργεια που ρέει πάντοτε από τα σώματα με την υψηλότερη θερμοκρασία προς σώματα με χαμηλότερη θερμοκρασία» και «τα σώματα από τα οποία ρέει (ή εκπέμπεται) θερμότητα ψύχονται, ενώ τα σώματα στα οποία ρέει (ή απορροφούν) θερμότητα θερμαίνονται»: το ποτήρι με το θερμότερο νερό θα ψύχεται, ενώ το ποτήρι με το ψυχρότερο νερό θα θερμαίνεται έως ότου οι θερμοκρασίες γίνουν ίσες μεταξύ τους και ίσες με τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Εξυπακούεται ότι για αυτή την εξέλιξη του πειράματος η θερμοκρασία του περιβάλλοντος πρέπει να έχει κάποια ενδιάμεση τιμή (μεταξύ της θερμοκρασίας του θερμού νερού με υδρατμούς και της θερμοκρασίας του ψυχρού νερού με πάγο), όπως συμβαίνει τις περισσότερες εποχές στη χώρα μας.

γ. Ενεργώ πειραματίζομαι Υλικά / Όργανα: δύο θερμόμετρα οινοπνεύματος (με περιοχή τιμών από -100C έως 1200C), πυρίμαχο δοχείο (πυρέξ), νερό, ηλεκτρικό μάτι θέρμανσης, λεκάνη (μεγαλύτερη από το δοχείο) γ. Ενεργώ πειραματίζομαι 1 Τοποθέτησε το πυρίμαχο δοχείο το οποίο περιέχει μικρή ποσότητα νερού επάνω στο ηλεκτρικό μάτι. Άναψε το μάτι, ώστε να αρχίσει να θερμαίνεται το νερό. 2 Στη συνέχεια, τοποθέτησε το δοχείο με το ζεστό νερό μέσα στη λεκάνη η οποία περιέχει νερό της βρύσης. Άρχισε να μετράς συγχρόνως ανά ένα λεπτό τις τιμές της θερμοκρασίας του θερμότερου νερού του δοχείου και του ψυχρότερου νερού της λεκάνης. 2 Γράφε τις τιμές αυτές στις αντίστοιχες στήλες του παρακάτω πίνακα, ονομάζοντας θ1 τη θερμοκρασία του νερού του δοχείου και θ2 τη θερμοκρασία του νερού της λεκάνης. Συνέχισε να μετράς και να γράφεις, έως ότου οι δυο θερμοκρασίες σταθεροποιηθούν. 1 Θέρμανε το νερό έως ότου η θερμοκρασία του φθάσει στους 70οC περίπου.

γ. Ενεργώ πειραματίζομαι Σημειώνουμε τις τιμές των μετρήσεών σου στο διάγραμμα «θερμοκρασίας – χρόνου», χρησιμοποιώντας διαφορετικά σύμβολα, πχ. ο για τις τιμές των θερμοκρασιών του νερού του δοχείου και x για τις τιμές των θερμοκρασιών του νερού της λεκάνης. Σχεδιάζουμε μια καμπύλη για το καθένα. γ. Ενεργώ πειραματίζομαι Χρόνος (λεπτά) Θ1 (οC ) Θ2 (οC ) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ποια είναι η εξέλιξη των θερμοκρασιών; Σύγκρινε μεταξύ τους τις δύο καμπύλες. Τι παρατηρείς; Παρατίθενται μερικές ενδεικτικές τιμές των μετρήσεων (χρόνος, θ1): (1, 67), (2, 61), (3, 55), (4, 50), (5, 47), (6, 45), (7, 44), (8, 43), (9, 42), (10, 42), (11, 41), (12, 41), (13, 41), (14, 40), (15, 40), (16, 40), (17, 40), (18, 40) και (χρόνος, θ2): (1, 23), (2, 26), (3,29), (4, 32), (5, 34), (6, 35), (7, 36), (8, 36), (9, 36), (10, 36), (11, 36), (12, 37), (13, 37), (14, 37), (15, 37), (16, 37), (17, 38), (18, 38) και το σχετικό διάγραμμα.

δ. Συμπεραίνω, Καταγράφω Γράψε τα συμπεράσματά σου με βάση τις παρατηρήσεις σου. Τι ορίζεις ως "θερμική ισορροπία"; Όπως έχει υποτεθεί, το θερμότερο νερό του δοχείου ψύχεται, χάνοντας θερμότητα, ενώ το ψυχρότερο νερό της λεκάνης θερμαίνεται, παίρνοντας θερμότητα, έως ότου οι θερμοκρασίες γίνουν τελικά ίσες. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται «θερμική ισορροπία» (ή «θερμοκρασιακή ισότητα»).

ε. Εξηγώ, Εφαρμόσω, Γενικεύω Εφάρμοσε τα συμπεράσματά σου και σε άλλες περιπτώσεις επανάληψης των παραπάνω φαινομένων στην καθημερινή ζωή. Συζήτησε με τους συμμαθητές σου. ………… ……… ……… ………… ………… ………… ………… ……… ………… …………… ………… ………… ……… ………… ………… ……… ………… ……… ……… ………… ………… ………… ………… ……… ………… …………… ………… ………… ……… ………… ………… ………… Με τη βοήθεια του/της καθηγητή/τριάς σου και μελετώντας το παράρτημα, συζήτησε με τους συμμαθητές σου και εξήγησε την αύξηση ή μείωση της θερμοκρασίας των σωμάτων του μακρόκοσμου με τις κινήσεις των μορίων του μικρόκοσμου ………… ……… ……… ………… ………… ………… ………… ……… ………… …………… ………… ………… ……… ………… ………… ………… Τα φαινόμενα της θέρμανσης και της ψύξης ή το φαινόμενο της θερμικής ισορροπίας παρατηρούνται πολύ συχνά στην καθημερινή ζωή γύρω μας. Ένα ζεστό ποτήρι γάλα κρυώνει σε ένα κρύο δωμάτιο, το παγωμένο σώμα μας ζεσταίνεται σε ένα ζεστό δωμάτιο, ένα παγάκι στο αναψυκτικό θερμαίνεται και λιώνει, ενώ το αναψυκτικό ψύχεται. Η ψύξη και η θέρμανση γίνονται τόσο ταχύτερα όσο η διαφορά της θερμοκρασίας είναι μεγαλύτερη. Η αύξηση της θερμοκρασίας ενός σώματος οφείλεται στην προσφορά στο σώμα θερμότητας, δηλαδή ενέργειας. Η ενέργεια – θερμότητα αυτή αυξάνει τις συνεχείς και τυχαίες κινήσεις των μορίων του σώματος και, επομένως, αυξάνει την κινητική ενέργειά τους την οποία ονομάζουμε θερμική ενέργεια. Αντίστροφα εξηγούμε τη μείωση της θερμοκρασίας ενός σώματος.

Στ. Ενδεικτικό πείραμα Διάλεξε δυο όμοιους, λεπτούς και ψηλούς πυρίμαχους γυάλινους σωλήνες. Τύλιξε τον ένα σωλήνα με δύο ή τρεις στρώσεις πλαστικής αυτοκόλλητης ταινίας. Τοποθέτησε τους δύο σωλήνες σε στενό και ψηλό δοχείο. Θέρμανε νερό (πάνω από 700C) και ρίξε ίση ποσότητα του θερμού νερού στους δύο σωλήνες. Τοποθέτησε θερμόμετρα και στους δύο σωλήνες και στερέωσέ τα με μανταλάκια (όπως στην εικόνα). Ρίξε μικρά κομμάτια πάγου στο δοχείο έως επάνω. Άρχισε να μετράς τη θερμοκρασία του νερού και των δύο σωλήνων κάθε 1 min. Γράφε τις τιμές τους σ έναν πίνακα. Σταμάτα να μετράς όταν σταθεροποιηθούν οι τιμές.

ζ. Συζήτηση στο παραπάνω πείραμα Στο συγκεκριμένο πείραμα, η θερμοκρασία του νερού φθάνει τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος (δηλαδή τη θερμοκρασία του δοχείου) πιο γρήγορα όταν υπάρχει ή όταν δεν υπάρχει ταινία στους σωλήνες; ………… ……… ……… ………… ………… ………… ………… ……… ………… …………… ………… ………… ……… ………… ………… ………… Ποιος είναι ο ρόλος της ταινίας στο σωλήνα; …………………………………………………………………………………………………………………………………………… Τι νομίζεις ότι θα παρατηρήσεις και θα συμπεράνεις αν κάνεις το ίδιο πείραμα ρίχνοντας στο δοχείο θερμό νερό, ενώ στους σωλήνες ψυχρό; Στο συγκεκριμένο πείραμα η θερμοκρασία του νερού φθάνει γρηγορότερα στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος (δηλαδή του δοχείου) όταν δεν υπάρχει ταινία στο σωλήνα. Η ταινία βοηθά στη «θερμομόνωση» του σωλήνα, έτσι ώστε η ροή της θερμότητας να μειώνεται και η μείωση της θερμοκρασίας να επιβραδύνεται. Αν γίνει το ίδιο πείραμα ρίχνοντας στο δοχείο θερμό νερό, ενώ στους σωλήνες ψυχρό νερό, και ληφθούν μετρήσεις θα δημιουργηθεί διάγραμμα θερμοκρασίας – χρόνου με δυο καμπύλες θέρμανσης. Σε αυτές θα παρατηρηθούν αντίστροφα φαινόμενα αυτών του προηγουμένου πειράματος και θα διατυπωθούν παρόμοια συμπεράσματα με μόνη διαφορά ότι πρέπει να αναφέρονται ρυθμοί θέρμανσης και όχι ρυθμοί ψύξης.

η. Ενδιαφέρουσα εφαρμογή: Γρήγορη ψύξη αναψυκτικού (2min) Σε ένα δοχείο ανακατεύουμε παγάκια με νερό και 2 κουτ. αλάτι. Βυθίζουμε για 2 λεπτά το αναψυκτικό και παρατηρούμε ότι η θερμοκρασία του πέφτει στους 4-50C.