O privire rapida

Nivel de clasă: 11 (10-12)

Timp cerut: 3 ore

(poate fi împărțit în trei sesiuni de 60 de minute)

Cost/Grup cheltuibil: 2,50 USD

Dimensiunea grupului: 3

Dependența activității: Nici unul

Domenii de subiect: Chimie, Fizică

O privire rapida

(poate fi împărțit în trei sesiuni de 60 de minute)

Deși nu este necesară nicio taxă sau taxă pentru utilizarea materialelor curriculare TeachEngineering în sala de clasă, lecțiile și activitățile necesită adesea furnizarea de materiale.

Costul consumabil este costul estimat al bunurilor necesare pentru fiecare grup de studenți implicați în activitate.

Orice echipament reutilizabil necesar pentru predarea activității nu este inclus în această estimare; a se vedea lista de materiale/consumabile pentru detalii.

Activități asociate acestei lecții

Majoritatea materialelor curriculare din TeachEngineering sunt organizate ierarhic; adică, majoritatea activităților practice fac parte din lecții, lecțiile sunt grupate în unități de mai multe zile și acestea sunt din nou grupate în domenii tematice.

Cu toate acestea, unele activități sau lecții au fost dezvoltate pentru a sta singure și, prin urmare, s-ar putea să nu se conformeze acestei ierarhii stricte.

Curriculum-ul conex arată modul în care documentul pe care îl vizualizați în prezent se încadrează în această ierarhie a materialelor curriculare.

Aboneaza-te la newsletter-ul nostru

Cuvinte cheie

Educatorii împărtășesc experiențe

  • rezumat
  • Conexiune de inginerie
  • obiective de invatare
  • Lista materialelor
  • Fișe de lucru și atașamente
  • Mai multe programe de studiu de genul acesta
  • Cunoaștere pre-cerere
  • Introducere/Motivație
  • Procedură
  • Vocabular/Definiții
  • Evaluare
  • Sfaturi de depanare
  • Extensii de activitate
  • Scalarea activității
  • Comentarii și sfaturi ale utilizatorilor

numărarea

Figura 1. Calorimetrul cu argon lichid DZero este utilizat pentru detectarea particulelor subatomice în experimente mecanice cuantice complexe.

rezumat

Conexiune de inginerie

Inginerii chimici proiectează și operează, printre altele, instalații și procese mari care fac produse utilizabile din substanțe chimice, variind de la energie electrică, produse alimentare, medicamente, materiale, combustibili și substanțe chimice rafinate. Pentru a aplica și controla în mod sigur și eficient aceste procese, un inginer trebuie să știe cât de multă căldură va fi generată într-o anumită reacție. Dacă se generează prea multă căldură, proteinele se denaturează, produsele ard sau se descompun sau un reactor ar putea exploda violent. Dacă se generează prea puțină căldură, substanțele chimice nu reacționează, nu se generează suficientă energie sau sunt favorizate produsele greșite. În plus, un inginer trebuie să fie conștient de modul în care echipamentul de proces în sine va afecta procesul chimic. Prin posibilitatea de a prezice cantitatea de căldură care va fi produsă într-o reacție (precum și presiunea), sistemele pot fi proiectate având în vedere toleranțe specifice și condiții de reacție maximizate.

obiective de invatare

După această activitate, elevii ar trebui să poată:

  • Descrieți câteva principii de bază ale termodinamicii și ale transferului de căldură în acțiune.
  • Comparați și contrastați diferențele dintre aplicația din lumea reală și analiza pe hârtie.

Standarde educaționale

Fiecare lecție sau activitate TeachEngineering este corelată cu unul sau mai multe standarde educaționale de știință, tehnologie, inginerie sau matematică (STEM) K-12.

Toate cele peste 100.000 de standarde K-12 STEM acoperite de TeachEngineering sunt colectate, întreținute și ambalate de Achievement Standards Network (ASN), un proiect al D2L (www.achievementstandards.org).

În ASN, standardele sunt structurate ierarhic: mai întâi după sursă; de exemplu, de stat; în cadrul sursei după tip; de exemplu, știință sau matematică; în cadrul tipului după subtip, apoi după clasă etc.

HS-PS3-1. Creați un model de calcul pentru a calcula schimbarea energiei unei componente dintr-un sistem atunci când se cunosc schimbarea energiei celeilalte componente și fluxurile de energie în și din sistem. (Clasele 9-12)

Sunteți de acord cu această aliniere? Vă mulțumim pentru feedback-ul dumneavoastră!

Acord de aliniere: Vă mulțumim pentru feedback-ul dumneavoastră!

Acord de aliniere: Vă mulțumim pentru feedback-ul dumneavoastră!

Conservarea energiei înseamnă că schimbarea totală a energiei în orice sistem este întotdeauna egală cu energia totală transferată în sau din sistem.

Acord de aliniere: Vă mulțumim pentru feedback-ul dumneavoastră!

Energia nu poate fi creată sau distrusă, dar poate fi transportată dintr-un loc în altul și transferată între sisteme.

Acord de aliniere: Vă mulțumim pentru feedback-ul dumneavoastră!

Expresiile matematice, care cuantifică modul în care energia stocată într-un sistem depinde de configurația acestuia (de exemplu, pozițiile relative ale particulelor încărcate, compresia unui arc) și modul în care energia cinetică depinde de masă și viteză, permit utilizarea conceptului de conservare a energiei prezice și descrie comportamentul sistemului.

Acord de aliniere: Vă mulțumim pentru feedback-ul dumneavoastră!

Disponibilitatea energiei limitează ceea ce poate apărea în orice sistem.

Acord de aliniere: Vă mulțumim pentru feedback-ul dumneavoastră!

Acord de aliniere: Vă mulțumim pentru feedback-ul dumneavoastră!

Știința presupune că universul este un vast sistem unic în care legile de bază sunt consecvente.

Acord de aliniere: Vă mulțumim pentru feedback-ul dumneavoastră!

  • Rezolvați ecuații liniare și inegalități într-o singură variabilă, inclusiv ecuații cu coeficienți reprezentați prin litere. (Clasele 9-12) Mai multe detalii

Sunteți de acord cu această aliniere? Vă mulțumim pentru feedback-ul dumneavoastră!

Rezolvați ecuații simple raționale și radicale într-o singură variabilă și dați exemple care arată cum pot apărea soluții străine. (Clasele 9-12) Mai multe detalii

Sunteți de acord cu această aliniere? Vă mulțumim pentru feedback-ul dumneavoastră!

  • Energia nu poate fi creată și nici distrusă; cu toate acestea, poate fi convertit de la o formă la alta. (Clasele 9-12) Mai multe detalii

Sunteți de acord cu această aliniere? Vă mulțumim pentru feedback-ul dumneavoastră!

Energia poate fi grupată în forme majore: termice, radiante, electrice, mecanice, chimice, nucleare și altele. (Clasele 9-12) Mai multe detalii

Sunteți de acord cu această aliniere? Vă mulțumim pentru feedback-ul dumneavoastră!

  • Rezolvați ecuații liniare și inegalități într-o singură variabilă, inclusiv ecuații cu coeficienți reprezentați prin litere. (Clasele 9-12) Mai multe detalii

Sunteți de acord cu această aliniere? Vă mulțumim pentru feedback-ul dumneavoastră!

  • Utilizați măsurători, ecuații și grafice adecvate pentru a culege, analiza și interpreta date despre cantitatea de energie dintr-un sistem sau un obiect (clasele 9-12) Mai multe detalii

Sunteți de acord cu această aliniere? Vă mulțumim pentru feedback-ul dumneavoastră!

Folosiți dovezi directe și indirecte pentru a dezvolta predicții ale tipurilor de energie asociate cu obiectele (clasele 9-12) Mai multe detalii

Sunteți de acord cu această aliniere? Vă mulțumim pentru feedback-ul dumneavoastră!

Identificați diferite forme de energie și calculați cantitățile acestora măsurând caracteristicile lor definitorii (clasele 9-12) Mai multe detalii

Sunteți de acord cu această aliniere? Vă mulțumim pentru feedback-ul dumneavoastră!

Lista materialelor

  • 2 pahare
  • Sare KCl (clorură de potasiu)
  • apă
  • o bucată de lemn subțire și ușoară sau 6-8 bețișoare Popsicle®
  • termometru
  • dispozitiv de agitare (cum ar fi un stick de gheață sau un agitator de cafea)

Fiecare grup ar trebui să aibă:

  • 2-3 căni de cafea Styrofoam®
  • pahare de hârtie
  • pânză
  • simțit
  • spumă
  • termometru
  • o tijă de amestecat
  • apă
  • benzi de cauciuc
  • bandă
  • hârtie
  • orice alte materiale care pot fi benefice pentru proiectarea unei echipe
  • Stai, ce tocmai s-a întâmplat? Foaie de lucru, câte una pe elev
  • Calorimetrul și foaia de lucru a laboratorului dvs., câte unul pe elev
  • Foaie de lucru pentru evaluare și îmbunătățire, câte una pe elev

Pentru a partaja cu întreaga clasă:

  • foarfece
  • folie de aluminiu
  • clorura de potasiu

Fișe de lucru și atașamente

Mai multe programe de studiu de genul acesta

Elevii învață conceptele fundamentale de transfer de căldură și căldură de reacție. Aceasta include concepte precum chimia fizică, o ecuație pentru transferul de căldură și o înțelegere de bază a transferului de energie și căldură.

Cunoaștere pre-cerere

Algebră: Elevii trebuie să știe cum să efectueze manipularea algebrică de bază a ecuațiilor și tehnicilor de substituție.

Chimie: Elevii ar trebui să fie conștienți de faptul că substanțele chimice interacționează în reacții care modifică proprietățile chimice și/sau fizice ale unui sistem. De asemenea, elevii ar trebui să aibă o anumită experiență cu echilibrele alunite sau stoichiometria (matematica din spatele chimiei).

Științe fizice: Elevii ar trebui să fie familiarizați cu conceptul de energie, că poate fi schimbată și că vine sub diferite forme.

Introducere/Motivație

Vă întrebați vreodată exact cum se știe câte calorii sunt într-o pungă delicioasă de chipsuri? Sau câtă energie este într-o cutie răcoritoare de pop? Dar reacțiile chimice precum hidrogenul și oxigenul? Reacționează atât de repede, cum poate un om de știință sau un inginer să înceapă chiar să măsoare energia eliberată? Cum putem scala reacțiile pentru diferite dimensiuni și cantități de reactanți? Mulți dintre voi s-ar putea să se gândească „Ei bine, ei o privesc bineînțeles!” În cele din urmă, datele trebuiau să vină de undeva. Răspunsul la toate aceste întrebări este calorimetria. Dacă reacționăm la elementul nostru de interes în prezența unei substanțe cu o capacitate de căldură cunoscută, putem măsura schimbarea temperaturii substanței cunoscute folosind un calorimetru. Adesea, această substanță este apă. Putem apoi să raportăm schimbarea temperaturii la cantitatea de căldură transferată folosind anumite ecuații de transfer de căldură.

Această activitate demonstrează nu numai căldurile soluției, ci modul în care măsurăm aceste valori și anumite probleme pe care le întâmpinăm în încercarea de a face acest lucru cu precizie și ieftin în situații din lumea reală.

Procedură

[Pentru profesor] Cupele din polistiren sunt izolatoare bune (motiv pentru care le folosim pentru cafeaua fierbinte). Furnizați mai multe materiale și cupe diferite pentru studenți și lăsați-i să decidă ce ar izola cel mai bine reacția lor. Unul dintre cele mai bune moduri de a folosi cupele din polistiren este de a le cuibări una în cealaltă, creând un strat dublu de izolație. Dacă este posibil, evitați spațiul aerian deasupra apei și sub cupa cuibărită. Un capac este, de asemenea, important pentru a preveni căderea căldurii în aer. Furnizați pânză și plastic pentru a fi utilizate ca capace, pe lângă capacele obișnuite pentru ceașcă de cafea. Puneți elevii să creeze unele variații pe această temă generală pe baza cunoștințelor lor despre calorimetre. Mai multe fundaluri sunt furnizate în foaia de lucru asociată, „Așteptați, ce tocmai s-a întâmplat?”

Înainte de activitate

  • Răciți două pahare de 100 ml apă până aproape de îngheț.
  • Adună materiale.

Cu studenții

Răciți două pahare cu apă până aproape de îngheț. Așezați suficiente bastoane Popsicle® sau bucata subțire de lemn pe o suprafață plană, asigurându-vă că paharul se potrivește deasupra lemnului/bastoanelor. Se toarnă o parte din apa rece ca gheața din primul pahar pe lemn/betisoare. Așezați al doilea pahar deasupra lemnului, asigurându-vă că există apă între lemn și sticlă. În cel de-al doilea pahar, aruncați câteva lingurițe de sare și amestecați bine. Utilizați un termometru pentru a măsura temperatura pe măsură ce scade sub 0 ° C (sau 32 ° F, punctul de îngheț al apei), chiar dacă nu s-a format gheață în pahar. După câteva minute de apă a vasului la o temperatură sub punctul de îngheț al apei, ridicați vasul de pe masă. Dacă demonstrația a avut succes, lemnul ar trebui să fie înghețat în pahar. Întrebați elevii câtă energie ar putea fi necesară pentru a face acest lucru pe mol de apă. Spuneți-le că trebuie să proiecteze o modalitate de a măsura cantitatea de căldură absorbită în dizolvarea acestei sări pe gram de sare.

Partea 2: Proiectarea unui calorimetru

  1. După demonstrație, elevii au citit Așteptați, ce tocmai s-a întâmplat? Fisa de lucru. După ce au terminat de citit informațiile de bază, elevii ar trebui să răspundă la întrebările din foaia de lucru. Apoi, discutați locurile în care poate fi pierdută căldura, cum ar fi aerul, o masă sau chiar un calorimetru.
  2. Arătați clasei materialele disponibile pentru proiectarea lor calorimetrică.
  3. Ca clasă, discutați câteva dintre calitățile diferitelor materiale. În ce este diferită o ceașcă de hârtie decât ceașcă de spumă? Cum diferă folia de simțit?
  4. Împărțiți elevii în grupuri de 2-3 și cereți-i să facă idei pentru ceea ce cred că ar fi cel mai eficient calorimetru. Puneți fiecărui grup să proiecteze un calorimetru pe hârtie, folosind materialele de care dispun.
  5. Verificați dacă dispozitivele sunt fezabile. Dacă nu sunt, direcționați elevii să continue să gândească și să proiecteze. Un dispozitiv fezabil ar trebui să poată reține apa și să fie făcut din ceva oarecum izolant. Probabil ar trebui folosită o ceașcă în design. Asigurați-vă că fiecare grup include puncte de acces pentru termometru și dispozitiv de amestecare. Deconectați-vă de modele fezabile. Vezi Figura 2 pentru un calorimetru eșantion. Figura 2. Un exemplu de calorimetru realizat de elevi.

Vocabular/Definiții

adiabatic: Nu conduce căldură, Q = 0. Impermeabil la căldură

calorimetru: Un dispozitiv conceput pentru a măsura energia transferată sau căldura.

calorimetrie: Utilizarea aplicată a unui calorimetru.

capacitate termică de presiune constantă: (Cp) Cantitatea de energie necesară pentru creșterea sau scăderea unei cantități date de substanță cu o unitate de temperatură la o presiune constantă.

entalpia: o valoare specială utilizată în inginerie pentru a descrie cantitatea de energie dintr-un sistem, inclusiv presiunea și volumul, în raport cu o stare de referință.

echilibra: A merge la echilibru; pentru a ajunge la o stare echilibrată, stabilă.

căldură: Energie transferată între două sisteme ca urmare a unei diferențe de temperatură.

căldura soluției: Energia generată sau consumată la dizolvarea unei substanțe în alta.

Evaluare

Brainstorming: În grupuri mici, cereți elevilor să se angajeze într-o discuție deschisă. Amintiți-le elevilor că nici o idee sau sugestie nu este „o prostie”. Toate ideile ar trebui ascultate cu respect. Încurajați ideile sălbatice și descurajați critica ideilor. Înainte de a le arăta studenților proviziile disponibile, puneți-i pe elevi să înceapă să se gândească la modul de realizare a unui calorimetru cel mai eficient. Dacă ar folosi un borcan de sticlă vs. un recipient de plastic vs. o ceașcă de hârtie sau spumă. Dă-le timp să vină cu idei sălbatice, precum și idei fezabile, astfel încât să înceapă să gândească ca ingineri.

Foaie de lucru: instruiți elevii să finalizeze Așteptați, ce s-a întâmplat? Fisa de lucru. Examinați răspunsurile pentru a evalua stăpânirea subiectului.

Evaluare încorporată a activității

Foaia dvs. de lucru Calorimetru și dvs.: Rugați elevii să completeze foaia de lucru Calorimetru și laborator. Examinați răspunsurile pentru a evalua stăpânirea subiectului.

Foaie de lucru: cereți elevilor să completeze foaia de lucru de evaluare și îmbunătățire. Examinați răspunsurile pentru a evalua stăpânirea subiectului.

Probleme de siguranta

Elevii trebuie să folosească mănuși și ochelari de protecție atunci când folosesc sarea. Amintiți-le elevilor să nu mănânce KCl și să nu-l frece în ochi.

Sfaturi de depanare

KCl poate deveni aglomerat într-o bucată mare și trebuie să fie rupt. Pentru a împiedica acest lucru să se întâmple mereu, depozitați-l într-un recipient etanș într-un loc uscat.

Dacă calorimetrul pierde prea multă căldură în mediul înconjurător, temperatura s-ar putea să nu se modifice în mod vizibil. Încercați să utilizați mai multă sare, asigurându-vă că este bine amestecat și atingeți calorimetrul cât mai puțin posibil. Mâinile dvs. adaugă căldură sistemului.

Extensii de activitate

Pentru a adăuga o altă dimensiune reală activității, acordați fiecărui grup o sumă inițială de bani falsi (de exemplu, Thermodollars) și cereți-i să „cumpere” fiecare articol. Acest lucru pune unele constrângeri în design-urile lor, cum ar fi doar posibilitatea de a-și permite două căni și o bucată de folie în loc de trei căni și folie nelimitată.

Scalarea activității

  • Pentru clasele inferioare, furnizați un plan standard pentru calorimetru pentru a testa aceeași reacție.
  • Pentru clasele superioare, studenții trebuie să discute cu profesorii locali de colegiu/universitate despre obținerea oportunității de a lucra în laborator și de a folosi calorimetre reale pentru reacții chimice.

Referințe

S.U.A. Departamentul Energiei, Biroul Științei, Laboratorul Național de Accelerare Fermi, 29 ianuarie 2004, accesat pe 15 noiembrie 2009. http://www.fnal.gov/pub/today/archive_2004/today04-01-29.html

Colaboratori

Program de sprijin

Mulțumiri

Conținutul acestui curriculum bibliotecă digitală a fost dezvoltat în cadrul unei subvenții din partea Fondului pentru îmbunătățirea educației post-secundare (FIPSE), S.U.A. Departamentul de Educație și Fundația Națională pentru Științe Grantul GK-12 nr. 0338326. Cu toate acestea, aceste conținuturi nu reprezintă neapărat politicile Departamentului Educației sau ale Fundației Naționale Științifice și nu ar trebui să vă asumați aprobarea de către guvernul federal.

Ultima modificare: 23 septembrie 2019