2. Is there a relationship between the temperature of the body and the kinetic energy of the moving molecules/atoms from which the body is built?
3. What condition must be met to let the heat flow between the two bodies?
Conclusion:
Temperature is a physical quantity describing the condition of the body. It characterizes the average kinetic energy of moving and vibrating molecules and atoms from which the body is built and the energy of interactions between them. The higher the temperature of the body, the higher the average kinetic energy of the moving atoms and molecules in it. If, on the other hand, the body temperature drops, then also the molecules and atoms of the body move more slowly.
Research problem: Research on the phenomenonphenomenonphenomenon of heat conduction in solid bodies.
You will need: - a metal rod (for example made of aluminum) with the length of approximately 40 cm, - gas or spirit burner, - a tripod with handles and wooden pliers, - 4 beads attached with paraffin to the rod.
Explain how you will demonstrate the phenomenonphenomenonphenomenon of heat conduction.
Instructions for the experiment:
1. Attach the beads to the rod at equal distances using paraffin: one at the end and the other two at the distance 15 and 30 cm from this end. Leave the other end of the rod free.
2. Secure the rod on a tripod in the horizontal position.
3. Light the burner and put the end of the rod on which there is no bead in the flame.
4. Observe the behavior of beads attached to the rod. Make a note of your observations.
Conclusions:
1. The observations made show that the temperature of the entire rod gradually increases, even though only one of its ends is placed in the flame.
2. We do not observe any movement of the entire rod, even though energy is transported through the rod. This method of energy transport is called thermal conductivity.
The average kinetic energy of molecules in the body with a higher temperature is higher than the energy in the body with lower temperature. When particles collide, some of the kinetic energy is transferred to another molecule. At any moment there are a lot of such collisions and energy is successively passed from the body with a higher temperature to a body with a lower temperature.
Answer the questions:
1. What is the direct cause of heat conduction? 2. Describe the mechanism of energy transfer in the thermal conduction process. 3. Is the mass moving over distance during thermal conduction? 4. What conditions must be met for the energy transfer process to cease?
Answers:
1. The temperature difference. 2. Higher temperature body molecules collide with lower temperature body molecules. During such collisions, kinetic energy is transmitted. 3. There is no mass transfer. 4. The energy transfer process ceases when the particle temperature is the same.
Experiment 2
Repeat experiment 1, but at the same time use two bars with beads attached with paraffin. The bars should be made of steel and aluminum.
Describe your observations.
Conclusions:
1. The time in which the beads came away from the bars was nonidentical for each bar. This means that the speed at which thermal energy is transported is different for various materials. We say that various materials have different thermal conductivity coefficients.
2. The beads attached to the aluminum rod came away from it earlier then the beads attached to the steel one. This means that heat energy is transported faster in aluminum.
There are four factors which influence how quickly heat is transferred through an object. The mathematical relationship that has been observed and tested experimentally is expressed by the following formula:
The letter Q stands for the amount of heat that was transferred at time t, k is the thermal conductivity coefficient of the material, A is the area of the cross sectioncross sectioncross section of the body, ΔT is the temperature differencetemperature differencetemperature difference at its ends, a d the distance that the heat must be transferred over.
Thermal conductivity consists in transferring energy between touching bodies or areas of one body, whose temperatures are different.
As a result of this phenomenon the temperature of the body, or a part of the body, tends to equalize. The mechanism of thermal conductivity is based on direct transfer of kinetic energy between molecules or atoms of matter.
Taking the ability to transport thermal energy into account, we divide the substances into: - heat conductors - thermal energy is transported in them quickly and easily, - thermal insulators - transport of thermal energy takes place slowly.
The best heat conductors are: metals (also liquid) and diamond.
Good heat insulators are: gases, glass wool, cork or polystyrene.
Selected words and expressions used in the lesson plan
Materiały, które łatwo i szybko transportują ciepło, nazywamy przewodnikami cieplnymi.
Materiały, które wolno transportują energię cieplną, nazywamy izolatorami cieplnymi.
m7724ea98f771ac83_1528449000663_0
Przekazywanie ciepła w zjawisku przewodnictwa. Rola izolacji cieplnej
m7724ea98f771ac83_1528449084556_0
Drugi
m7724ea98f771ac83_1528449076687_0
IV. Zjawiska cieplne. Uczeń:
1) opisuje zjawisko przewodnictwa cieplnego; rozróżnia materiały o różnym przewodnictwie; opisuje rolę izolacji cieplnej.
m7724ea98f771ac83_1528449068082_0
45 minut
m7724ea98f771ac83_1528449523725_0
Wyjaśnienie mechanizmu przewodzenia ciepła.
m7724ea98f771ac83_1528449552113_0
1. Przedstawienie mechanizmu przewodzenia ciepła.
2. Zapoznanie uczniów z przewodnikami i izolatorami ciepła.
3. Wskazanie roli izolacji ciepła w życiu codziennym.
m7724ea98f771ac83_1528450430307_0
Uczeń:
- przedstawia zjawisko przepływu ciepło,
- rozpoznaje i wymienia przewodniki i izolatory.
m7724ea98f771ac83_1528449534267_0
1. Pogadanka, „burza mózgów”.
2. Uczenie się przez eksperymentowanie.
m7724ea98f771ac83_1528449514617_0
1. Eksperymentowanie w grupach.
2. Praca w grupach nad rozwiązywaniem zadań problemowych.
m7724ea98f771ac83_1528450127855_0
Pytania wprowadzające:
1. Co to jest temperatura?
2. Czy jest związek pomiędzy temperaturą ciała a energią kinetyczną poruszających się cząsteczek/atomów z których zbudowane jest ciało?
3. Jaki warunek musi być spełniony aby pomiędzy dwoma ciałami następował przepływ ciepła?
Wniosek:
Temperatura jest wielkością opisującą stan ciała. Charakteryzuje ona średnią energie kinetyczną poruszających się oraz drgających cząsteczek i atomów, z których zbudowane jest ciało oraz energię oddziaływań między nimi. Im wyższa temperatura tym większa jest średnia energia kinetyczna poruszających się atomów i cząsteczek z których zbudowane jest ciało. Jeżeli natomiast temperatura ciała spada, to również cząsteczki i atomy ciała poruszają się wolniej.
m7724ea98f771ac83_1528446435040_0
Doświadczenie 1 ( do wykonania w grupie)
Problem badawczy: Badanie zjawiska przewodzenia ciepła w ciałach stałych.
Co będzie potrzebne: - pręt metalowy (może być na przykład aluminiowy) o długości około 40 cm, - palnik gazowy lub spirytusowy, - statyw wraz z uchwytami i drewnianymi szczypcami, - koraliki przymocowane do pręta za pomocą parafiny ze świecy.
Przedstaw w jaki sposób zademonstrujesz zjawisko przewodnictwa ciepła.
Instrukcja wykonania eksperymentu:
1. Używając parafiny przymocuj koraliki do pręta w równych odstępach: jeden na końcu, a dwa pozostałe 15 i 30 cm od tego końca. Drugi koniec pręta pozostaw wolny.
2. Zamocuj pręt na statywie w pozycji poziomej.
3. Zapal palnik i ten koniec pręta, na którym nie ma koralika umieść w płomieniu.
4. Obserwuj zachowanie się koralików przymocowanych do pręta. Zanotuj swoje obserwacje.
Wnioski: 1. Z przeprowadzonych obserwacji widać, że stopniowo rośnie temperatura całego pręta, mimo że w płomieniu umieszczono tylko jeden z jego końców. 2. Nie obserwujemy żadnych ruchów całego pręta, a mimo to przez pręt transportowana jest energia. Ten sposób transportu energii nazywamy przewodnictwem cieplnym.
Średnia energia kinetyczna cząsteczek w ciele o wyższej temperaturze jest większa, niż w tym o niższej temperaturze. Kiedy dochodzi do zderzeń między cząsteczkami, część energii kinetycznej zostaje przekazana innej cząsteczce. W każdym momencie zachodzi mnóstwo takich zderzeń i energia jest sukcesywnie przekazywana z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze.
Odpowiedz na pytania:
1. Co jest bezpośrednią przyczyną przewodzenia ciepła? 2. Opisz mechanizm przekazywania energii w procesie przewodnictwa cieplnego. 3. Czy podczas przewodzenia cieplnego następuje przemieszczanie masy na odległość? 4. Jakie warunki muszą być spełnione, aby proces przekazywania energii przestał zachodzić?
Odpowiedzi:
1. Występująca różnica temperatur. 2. Cząsteczki ciała o wyższej temperaturze zderzają się z cząsteczkami ciała o niższej temperaturze. Podczas takich zderzeń dochodzi do przekazywania energii kinetycznej. 3. Nie następuje przemieszczenie masy. 4. Proces przekazywania energii przestaje zachodzić w momencie, gdy temperatura cząsteczek będzie taka sama.
Doświadczenie 2
Powtórz doświadczenie 1, ale użyj jednocześnie dwóch prętów; stalowego i aluminiowego z przymocowanymi przy użyciu parafiny koralikami.
Przedstaw swoje obserwacje.
Wnioski: 1. Czas, po którym koraliki oderwały się od prętów, był różny dla każdego z nich. Oznacza to, że szybkość, z jaką transportowana jest energia cieplna, jest różna dla różnych materiałów. Mówimy, że różne materiały mają różne współczynniki przewodnictwa cieplnego. 2. Najszybciej odkleiły się koraliki przyklejone do pręta aluminiowego, potem stalowego. Oznacza to, że energia cieplna najszybciej transportowana jest w aluminium.
Są cztery czynniki które wpływają na to, jak szybko ciepło przepływa przez dany obiekt. Matematyczna zależność, która została zaobserwowana i sprawdzona doświadczalnie, wyraża się następującym wzorem:
Literą Q oznaczamy ilość ciepła, które przepłynęło w czasie t, k to współczynnik przewodnictwa cieplnego danego materiału, A to pole powierzchni poprzecznego przekroju ciała, ∆T - różnica wartości temperatury na jego końcach, a d - odległość, przez którą musi „przepłynąć” ciepło.
[Ilustracja 1]
[Ilustracja interaktywna]
Zjawisko przewodnictwa cieplnego zachodzi dla każdego obiektu - tutaj schematycznie narysowaliśmy regularny prostopadłościan, ale ciepło może być przewodzone przez szyby w oknach naszych domów, czy warstwę tłuszczu u zwierząt.
Poniżej podano przykładowe wartości współczynnika k dla różnych materiałów.
[Tabela 1]
Definicje:
Materiały, które łatwo i szybko transportują ciepło, nazywamy przewodnikami cieplnymi.
Materiały, które wolno transportują energię cieplną, nazywamy izolatorami cieplnymi.
m7724ea98f771ac83_1528450119332_0
Przewodnictwo cieplne polega na przekazywaniu energii pomiędzy stykającymi się różnymi ciałami lub obszarami jednego ciała, których temperatury są różne. W wyniku tego zjawiska temperatura ciała/ciał dąży do zrównania. Mechanizm przewodnictwa cieplnego oparty jest na bezpośrednim przekazywaniu energii kinetycznej między cząsteczkami lub atomami materii.
Ze względu na zdolność transportowania energii cieplnej substancje dzielimy na: - przewodniki ciepła – energia cieplna jest w nich transportowana szybko i łatwo, - izolatory cieplne – transport energii cieplnej zachodzi w nich wolno.
Najlepszymi przewodnikami ciepła są: metale (również ciekłe) i diament.
Dobrymi izolatorami ciepła są: gazy, wata szklana, korek, styropian.