Temat

Przekazywanie ciepła w zjawisku przewodnictwa. Rola izolacji cieplnej

Etap edukacyjny

Drugi

Podstawa programowa

IV. Zjawiska cieplne. Uczeń:

1) opisuje zjawisko przewodnictwa cieplnego; rozróżnia materiały o różnym przewodnictwie; opisuje rolę izolacji cieplnej.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Wyjaśnienie mechanizmu przewodzenia ciepła.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Przedstawienie mechanizmu przewodzenia ciepła.

2. Zapoznanie uczniów z przewodnikami i izolatorami ciepła.

3. Wskazanie roli izolacji ciepła w życiu codziennym.

Cele (szczegółowe) operacyjne

The student:

- przedstawia zjawisko przepływu ciepło,

- rozpoznaje i wymienia przewodniki i izolatory.

Metody kształcenia

1. Pogadanka, „burza mózgów”.

2. Uczenie się przez eksperymentowanie.

Formy pracy

1. Eksperymentowanie w grupach.

2. Praca w grupach nad rozwiązywaniem zadań problemowych.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Pytania wprowadzające:

1. Co to jest temperatura?

2. Czy istnieje 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 fizyczną opisującą stan ciała. Charakteryzuje ona średnią energię 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.

Realizacja lekcji

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,
- 4 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 cm 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 wpływające 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.

[Iluustracja 1]

[Ilustracja interaktywna]

Zjawisko przewodnictwa cieplnego zachodzi dla każdego obiektu - tutaj schematycznie narysowany jest 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.

Podsumowanie lekcji

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.