Comeniusproject TEWISE

Comeniusprojec t
TEWISE
MODUŁ „TERMODYNAMIKA”
Wszyscy lubimy ciepło…
10650-CP-1-2002-A -COMENIUS-C21
T
Józefina Turło
Andrzej Karbowski
Grzegorz Osiński
Krzysztof Służewski
EXPRESSTRAIN
Instytut Fizyki
Uniwersytet Mikołaja Kopernika, Toruń, Polska
2003-2005
Copyright © 2002-2010 by Project "TEWISE"
for the project -team:
[email protected]
All rights reserved. Privacy Statement.
This project has been funded with support from the European Commission.
This publication [communication] reflects the views only of the author, and the Commission
cannot be held responsible for any use which may be made of the information contained therein.
TERMODYNAMIKA
Spis modułów 1- 4
I. CIEPŁO I TEMPERATURA
1.
Przykłady z życia – ciepło i zimno
2.
Pojęcie ciepła
3.
Pojęcie temperatury
4.
Pomiary temperatury
4.1. Skale temperatur – Kelvina, Celsjusza i Fahrenheita
4.2. Pomiary temperatury zimnej i ciepłej wody
II. DROGI PRZEPŁYWU ENERGII NA SPOSÓB CIEPŁA
1.
Przewodniki i izolatory
1.1. Pytania identyfikujące prekoncepcje
1.2. Doświadczenie związane z podgrzewaniem drewna i miedzi
1.3. Termiczne właściwości różnych materiałów
2.
Konwekcja
2.1. Konwekcja w rurze szklanej
2.2. Konwekcja ciepłego i zimnego powietrza w pokoju
3.
Promieniowanie
4.
Modelowe wytłumaczenie
III. ROZSZERZALNOŚĆ CIEPLNA
1.
Przykłady z życia codziennego
2.
Doświadczenie z rozszerzaniem się metalu
3.
Zależność od temperatury – opis matematyczny
IV. STANY SKUPIENIA MATERII
1.
Struktura gazów, cieczy i ciał stałych
1.1. Przykłady z przyrody
1.2. Model stanów skupienia materii
2.
Zmiana stanu skupienia
3.
Ogólny schemat zmian stanu skupienia materii
CIEPŁO I TEMPERATURA
ƒ
ƒ
ƒ
Co oznacza pojęcie “zimno”?
Dlaczego czujesz, że szklanka z herbatą jest gorąca?
Dlaczego śnierg jest zimny?
1. Przykłady z życia – ciepło i zimno
Wykonajmy prosty eksperyment
ciepła
woda
gorąca
ciepła
woda
gorąca
woda
woda
z lodem
woda
woda
z lodem
Najpierw włóż swoją lewą dłoń do wody z lodem, a prawą do gorącej wody i poczekaj pół
minuty. Następnie włóż obie dłonie do ciepłej wody. Co teraz czujesz? Czy wiesz, dlaczego
to czujesz?
2. Pojęcie ciepła
Ciepło to proces przepływu energii pomiędzy dwoma ciałami o różnych temperaturach.
GORĄCE
CIAŁO
przepływ energii na sposób ciepła
ZIMNE
CIAŁO
Przepływ energii ma miejsce podczas zderzeń cząstek danego ciała.
Przykłady:
ƒ Przepływ energii na sposób ciepła z piecyka do powietrza w pokoju oraz z powietrza
do wszystkich rzeczy w pokoju.
ƒ Przepływ energii na sposób ciepła z palnika gazowego do czajnika, następnie do wody
w środku czajnika.
ƒ Czy możesz podać więcej przykładów?
TEWISE
„Ciepło i temperatura”
1a
3. Pojęcie temperatury
Popatrzmy, jak cząsteczki poruszają się i zderzają ze sobą na dwuwymiarowym stoliku
powietrznym (klip wideo).
Teraz obejrzyjmy symulację komputerową ruchu cząstek w modelu trójwymiarowym (klip
wideo).
Cząstki poruszają się w pudełku we wszystkich, przypadkowych kierunkach. Podczas zderzeń
przekazują energię między sobą i ściankami pudełka.
Temperatura zależy od szybkości cząstek:
T ~ szybkości cząstek
Gdy temperatura rośnie, rośnie też szybkość molekuł. Gdy temperatura maleje – szybkość
molekuł maleje wraz z nią.
Możemy teraz ostatecznie zdefiniować pojęcie temperatury:
Temperatura jest wielkością fizyczną, charakteryzującą kinetyczną energię
postępowego ruchu cząstek.
TEWISE
„Ciepło i temperatura”
1b
4. Pomiary temperatury
4.1. Skale temperaturowe – Kelvina, Celsjusza i Fahrenheita
Pierwszy termometr rtęciowy został skonstruowany przez Gabriela Fahrenheita w Gdańsku
w 1720 roku. Punkt zerowy skali został wyznaczony na podstawie najniższej temperatury
powietrza zimą (ok. -17 oC), a 100 oF – na podstawie temperatury ciała żony Fahrenheita.
W skali Kelvina 0 jest wartością bezwzględną, która reprezentuje najniższą temperaturę w
przyrodzie – gdy cząstki nie poruszają się (pozostają w spoczynku). Temperatura zamarzania
wody w tej skali to 273 K.
Skala Celsjusza (najpopularniejsza w Europie) odnosi się do punktów zamarzania (0 oC ) i
wrzenia (100 oC) wody.
W tabeli poniżej porównano te trzy skale temperaturowe:
Wzory, pozwalające na przekształcenie jednej skali na drugą są następujące:
TEWISE
„Ciepło i temperatura”
1c
4.2. Pomiary temperatury zimnej i ciepłej wody
Przygotujmy dwie szklanki – jedną z ciepłą wodą, a drugą z lodem. Zmierzmy temperaturę za
pomocą zwykłego (rtęciowego) i elektronicznego termometru.
Zwykłe termometry rtęciowe
Pomiar elektroniczny
Temperatura zamarzniętej wody wynosi 0 oC, a wody ciepłej 22 oC.
TEWISE
„Ciepło i temperatura”
1d
DROGI PRZEPŁYWU ENERGII NA SPOSÓB CIEPŁA
1. Przewodniki i izolatory
ƒ
ƒ
Dlaczego łyżeczka w kubku goracej herbaty jest też gorąca?
Dlaczego powietrze w pokoju nagrzewa się, gdy znajduje się tam
gorący piecyk?
1.1. Możemy wyróżnić trzy główne drogi przepływu energii cieplnej (na sposób ciepła):
przewodzenie, konwekcję, promieniowanie.
1.2. Doświadczenie związane z podgrzewaniem drewna i miedzi
Przygotuj: świecę, 2 kawałki papieru oraz drewniany i metalowy walec. Wykonaj
doświadczenie (lub obejrzyj film wideo) i odpowiedz na pytanie: który cylinder jest
przewodnikiem ciepła, a który izolatorem ciepła?
Po podgrzaniu, papier owinięty wokół drewnianego walca jest ciemniejszy niż papier
owinięty wokół walca miedzianego. Oznacza to, że metal jest dobrym przewodnikiem ciepła,
a drewno jest izolatorem.
1.3. Termiczne właściwości różnych materiałów
Na rysunku poniżej pokazano doświadczenie, które prezentujące termiczne właściwości
różnych materiałów. Mamy tam ciąg prętów wykonanych z różnych materiałów i pokrytych
woskiem. Końce tych prętów zanurzone są w gorącej wodzie. Co obserwujemy?
Możemy zauważyć, że wosk topi się najpierw na miedzianym i aluminiowym pręcie, a na
końcu na plastikowym i szklanym. Powodem tego jest fakt, że niektóre materiały są dobrymi
przewodnikami ciepła, a inne dobrymi izolatorami ciepła.
TEWISE
„Drogi przepływu energii na sposób ciepła” 2 a
W tabeli poniżej przedstawiono właściwości termiczne niektórych materiałów.
diament
najlepszy przewodnik
najgorszy izolator
srebro, miedź,
aluminium, stal, ołów,
lód, marmur, szkło,
polietylen, nylon,
guma, drewno,
polistyren, wełna szklana
najlepszy izolator
najgorszy przewodnik
2. Konwekcja
2.1. Konwekcja w szklanej rurce
Podgrzej wodę w szklanej rurce i obserwuj zachowanie kawałków korka (wykonaj
doświadczenie lub obejrzyj film).
Widzimy, że gdy jedna część cieczy lub gazu jest gorętsza niż inna to przejawia tendencję
ruchu ku górze. Mamy tu do czynienia z procesem konwekcji.
Konwekcja jest procesem przepływu energii cieplnej (na sposób ciepła). W jej wyniku prądy
konwekcyjne krążą w objętości cieczy lub gazu.
2.2. Konwekcja zimnego i ciepłego powietrza w pokoju
Oto schemat cyrkulacji powietrza w pokoju, będącej rezultatem prądów konwekcyjnych.
TEWISE
„Drogi przepływu energii na sposób ciepła” 2 b
3. Promieniowanie
Promieniowanie umożliwia przepływ energii cieplnej między źródłem a odbiornikiem nawet
wtedy, gdy nie ma między nimi połączenia. Na przykład, energia cieplna pochodząca ze
Słońca dochodzi do nas jako promieniowanie, ponieważ jest ona przenoszona przez próżnię
kosmiczną.
Zauważ, że pomiędzy kubkiem a książkami pokazanymi na rysunku poniżej, nie ma żadnego
połączenia. Mimo to po chwili chłodne książki staną się cieplejsze.
Energia cieplna będzie przenoszona między gorącym kubkiem na chłodnymi książkami za
pomocą promieniowania, które nazywamy promieniowaniem podczerwonym. Nie możemy
go zobaczyć, ale możemy je poczuć na naszej skórze, ponieważ podnosi ono jej temperaturę.
Kamera termiczna* może wykonywać zdjęcia w podczerwieni
różnych obiektów, na przykład ludzkich ciał (patrz ilustracja po
lewej). Na rysunku obok czerwone i jasne miejsca oznaczają
cieplejsze partie ludzkiego ciała, a ciemne miejsca – partie
chłodniejsze. Zauważ, że najcieplejszą częścią ludzkiego ciała jest
głowa.
Kamera to może być także używana w nocy. Gdy nasze oczy
niczego nie widzą, kamera wykrywa promieniowanie podczerwone
różnych ciał, na przykład ludzi, zwierząt lub urządzeń. Taka kamera
nosi nazwę noktowizora.
* Materiał rozszerzony
TEWISE
„Drogi przepływu energii na sposób ciepła” 2 c
4. Wyjaśnienie za pomocą modelu *
Przepływ energii na sposób ciepła zawsze zachodzi od gorącego do zimnego ciała.
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Cząstki posiadające wyższą energię (większa prędkość i masa) przekazują ją do
cząstek o energii niższej.
Proces ten zachodzi w gazach, cieczach i ciałach stałych.
W gazach i cieczach przepływ energii zachodzi podczas zderzeń.
W ciałach stałych drgające atomy w jednej części ciała przekazują swe drgania
atomom znajdującym się pobliżu.
* Materiał rozszerzony
TEWISE
„Drogi przepływu energii na sposób ciepła” 2 d
ROZSZERZALNOŚĆ CIEPLNA
1. Przykłady z codziennego życia
Popatrzmy, jak skonstruowany jest most. Ma on specjalne złącza (patrz rysunek poniżej).
Dlaczego? Co się dzieje z metalami, gdy stają się one cieplejsze lub chłodniejsze?
Mosty muszą być budowane z użyciem specjalnych złączy, które pozwalają na cieplne
rozszerzanie się elementów mostu. W przeciwnym wypadku mogłyby się one wyginać.
Przyjrzyj się też budowie torów kolejowych (rysunek poniżej).
Co widzimy, patrząc na przewody trakcji elektrycznej?
Druty elektryczne na zdjęciu powyżej wiszą nieco w dół, ponieważ był to słoneczny dzień.
Ale gdy nadejdzie zima i temperatura powietrza spadnie, przewody zaczną się kurczyć. Aby
przewody nie zostały zerwane muszą mieć dodatkowy kawałek „słonecznego przewodu”.
Gdy jest ciepło metale rozszerzają się. Gdy jest zimno – kurczą się.
TEWISE
„Rozszerzalność cieplna”
3a
2. Doświadczenie z rozszerzaniem się metali
Obejrzyjmy teraz doświadczenie prezentujące rozszerzanie się kawałka metalu w specjalnym
urządzeniu (wykonaj doświadczenie lub obejrzyj film).
Gdy podgrzewamy urządzenie metalowe ramię rozszerza się. Możemy skorygować jego
długość za pomocą śrub. Gdy przestaniemy podgrzewać urządzenie, kładziemy na ramieniu
kawałek szkła i obserwujemy jak metal zaczyna się kurczyć – aż do potłuczenia szkła.
3. Zależność od temperatury – opis matematyczny
Spróbujmy obliczyć, jak duże jest wydłużenie kawałka metalu, gdy go podgrzejemy.
a) Początkowa sytuacja jest taka: kawałek metalu ma długość L1 i temperaturę T1.
T1
Kawałek metalu (zimnego)
L1
ΔL
T2
Kawałek metalu (ciepłego)
L2
b) Gdy podgrzejemy metal, temperatura wzrośnie i metal rozszerzy się.
Teraz długość metalu wynosi L2 a temperatura T2.
Zmiana temperatury: ΔT = T2 – T1
Zmiana długości: ΔL = L2 – L1
TEWISE
„Rozszerzalność cieplna”
3b
Dla zmiany temperatury ΔT wzór matematyczny, opisujący zmianę długości ΔL to:
ΔL = α L ΔT,
gdzie α jest współczynnikiem rozszerzalności liniowej. Jest on różny dla różnych materiałów.
Kilka przykładów współczynnika rozszerzalności liniowej α przedstawiono w tabeli poniżej.
Ciała stałe
α [1/oC]
Miedź
Aluminium
Złoto
Stal
1,7 · 10-5
2,4 · 10-5
1,4 · 10-5
1,2 · 10-5
Ćwiczenie obliczeniowe
Znajdź całkowitą zmianę w długości 2700-metrowego mostu Złote Wrota w San Francisco,
gdy temperatura wzrasta od 5 oC rankiem do 25 oC w południe. Most jest zbudowany ze stali.
Rozwiązanie
Z tabeli dowiemy się, że stal ma współczynnik rozszerzalności liniowej α = 1,2 · 10-5 1/oC.
Zastosujmy równanie:
ΔL = αLΔT
gdzie
ΔT = 25 oC – 5 oC = 20 oC
wtedy
ΔL = αL ΔT = 1,2 · 10-5 1/oC · 2700 m · 20 oC = 0,65 m = 65 cm
Oto powód, dla którego złącza konstrukcyjne są tak bardzo ważne!
TEWISE
„Rozszerzalność cieplna”
3a
STANY SKUPIENIA MATERII
1. Gazy, ciecze i ciała stałe
1.1. Przykłady z życia
a) Co oznacza pojęcie „stan skupienia materii”?
b) Jakie rodzaje materii widzisz na obrazku poniżej?
Na obrazku możemy wyróżnić trzy różne stany skupienia materii:
ƒ gaz – para wodna unosząca się z czajnika,
ƒ ciecz – woda z kranu,
ƒ ciało stałe – sople lodu za oknem.
1.2. Model stanów skupienia materii
Widzimy tutaj jak ułożone są cząstki w różnych stanach skupienia (ciało stałe, ciecz i gaz).
W ciele stałym cząstki są ułożone bardzo ściśle. W cieczach cząstki mają nieco przestrzeni
pomiędzy sobą. W gazach cząstki poruszają się swobodnie.
TEWISE
„Stany skupienia materii”
4a
W zależności od temperatury wszystkie substancje mogą zmienić swój stan skupienia.
Rysunki poniżej pokazują model zmiany stanu skupienia gazu.
Na rysunku a temperatura jest dość wysoka, więc atomy poruszają się szybko i zderzają się
pomiędzy sobą.
Na rysunkach b i c temperatura zaczyna się obniżać, atomy zaczynają poruszać się coraz
wolniej, a podczas kolizji przyklejają się do siebie, tworząc najpierw małe grupki, a później
coraz większe gromady.
Na rysunku d widzimy, że wszystkie cząsteczki są zgrupowane. Panuje tam już bardzo niska
temperatura i gaz zmienił swój stan skupienia na ciecz.
Proces, w trakcie którego gaz zmienia się w ciecz nazywamy kondensacją.
3. Ogólny schemat zmian stanów skupienia materii
Dla trzech stanów skupienia materii mamy sześć możliwych sposobów ich zmian. Wszystkie
są przedstawiona na schemacie poniżej.
resublimacja
kondensowanie
GAZ
zamarzanie
CIECZ
parowanie
topnienie
CIAŁO
STAŁE
sublimacja
TEWISE
„Stany skupienia materii”
4b
Ciepło i praca
Co robisz ze swoimi dłońmi w czasie zimy, gdy są one zmarznięte?
Przypomnijmy sobie doświadczenie z poprzedniego modułu – 4b “Stany materii” –
dotyczącego podgrzewania kawałka lodu, który najpierw zamienił się w wodę, a następnie w
parę. Energia, której dostarczyliśmy kawałkowi lodu:
ƒ podnosi energię kinetyczną cząstek – poruszają się one szybciej, temperatura rośnie,
ƒ podnosi energię potencjalną cząstek – wiązania zostają złamane i substancja zmienia swój
stan skupienia.
Popatrz na ilustrację poniżej, przedstawiającą sprężanie powietrza w pompce rowerowej.
Gdy tłoczek pompki porusza się w dół ściska
molekuły powietrza i sprawia, że poruszają
się one szybciej – ich energia kinetyczna
rośnie, a wraz z nią rośnie energia
wewnętrzna gazu. Gaz staje się gorętszy.
A więc możemy ścisnąć ciało, aby stało się cieplejsze. Ten proces jest bardzo łatwy do przeprowadzenia w
przypadku gazu, gdyż gaz jest bardzo ściśliwy. Możemy użyć siły, aby wykonać pracę na gazie i w ten sposób
przekazać mu energię.
Możemy wyrazić pracę sprężania jako:
W = Fx ,
gdzie F jest naszą siłą, a x jest przesunięciem tłoka pompki.
Wprowadzimy teraz pojęcie wewnętrznej energii.
Zmiana energii wewnetrznej to .U.
Energia wewnętrzna U danego ciała to suma kinetycznych i
potencjalnych energii wszystkich cząstek ciała.
TEWISE
"Cieplo i prasa"
5a
Historyczny eksperyment Joule’a
Doświadczalne
Pierwsze
Prawosprawdzanie
Termodynamiki
Pierwszego Prawa
Jak
praca
może
być
zamieniona
w
ciepło?
TermodynamikiExpresstrain 2004
„Pierwsze Prawo Termodynamiki”
6a
W 1850 roku James Prescott Joule (1818-1889) wykonał doświadczenie,
które wskazywało, że ciepło jest formą tego samego typu energii, co
praca.
Mierzył on równoważnik energii mechanicznej względem energii
cieplnej: ile dżuli odpowiada jednej kalorii?
Na obrazku po lewej można zobaczyć schemat oryginalnego
doświadczenia Joule’a. Dwa odważniki zawieszone na lince, obracają
łopatki, które mieszają wodę. Podczas tego procesu woda ulega
podgrzaniu.
Za pomocą tego doświadczenia Joule zademonstrował, że praca jest
równoważna energii cieplnej.
Pierwsze Prawo Termodynamiki
Wzrost energii wewnętrznej układu jest sumą pracy dokonanej na układzie i energii dostarczonej do
układu na sposób ciepła.
Matematycznie można to wyrazić w następujący sposób:
ΔU = ΔQ – ΔW,
gdzie:
ΔU – zmiana energii wewnętrznej,
ΔQ – zmiana energii dostarczonej do układu na sposób ciepła (tzw. „energii cieplnej”),
ΔW – zmiana pracy wykonanej przez układ.
UWAGA: Zauważ, że rozważamy tutaj pracę wykonaną przez układ, a więc używamy w
równaniu znaku „minus”. Gdy rozważalibyśmy pracę wykonaną na układzie, musielibyśmy
użyć znaku „plus” w powyższym równaniu.
Powyższe równanie możemy przekształcić w:
ΔQ = ΔU + ΔW
Wnioski:
ƒ Gdy praca jest wykonywana na układzie energia wewnętrzna gazu, według pierwszego
prawa termodynamiki, rośnie i/lub ciepło jest wydzielane z układu.
ƒ Podsumowując, w każdym przypadku pierwsze prawo termodynamiki mówi, że nie
możemy wziąć więcej z układu niż do niego dostarczyliśmy i/lub więcej niż tam już jest.
Jest to zgodne z zasadą zachowania energii.
kgm 2
Jednostką pracy w systemie jednostek SI jest dżul [J] 1J = 1N × 1m = 2
s
Historyczną jednostką ciepła jest kaloria [cal] – ilość energii cieplnej,
która jest potrzebna, aby podnieść temperaturę 1grama wody o 1 oC.
Mechaniczny równoważnik ciepła: J = W/Q; 1 cal = 4,186 J.
TEWISE
"Pierwsze Prawo Termodynamiki"
6a
Wykonajmy doświadczenie z użyciem ręcznego termoergonometru w celu oszacowania
mechanicznego równoważnika ciepła.
Termoergonometr pokazany jest na rysunku poniżej:
Aby wykonać doświadczenie musimy ok.
100 razy zakręcić korbą, starając się
używać zawsze tej samej siły, która jest
mierzona przez siłomierz.
Gdy kręcimy korbą tuleja i obejma trą o
siebie i, wytwarzając siłę tarcia,
podgrzewają określoną ilość nafty w
naczyniu kalorymetrycznym.
Po 100 obrotach mierzymy zmianę
temperatury cieczy.
W tabeli poniżej przedstawiono wyniki
uzyskane w trakcie rzeczywistego
doświadczenia.
Używamy równania:
ΔU = ΔQ + ΔW,
gdzie ΔU = 0, wtedy ΔW = – ΔQ i |ΔW/ ΔQ| = 1
Najpierw, obliczmy pracę W wykonaną na układzie:
W = F·l·2Л·n = 1N · 0,5m · 2Л · 100 = 314 J
gdzie: F – siła tarcia, l – długość ramienia; n – ilość obrotów.
Następnie, obliczmy energię cieplną (ciepło) wytworzoną przez układ:
Q = [m1cc + (m2 + m3)cg + m4cp] · (t2 – t1) = 258,92 J
gdzie: m1 – masa naczynia kalorymetrycznego, (m2 + m3) – masa układu
trącego, m4 – masa nafty, cc – ciepło właściwe kalorymetru, cg – ciepło
właściwe układu trącego, cp – ciepło właściwe nafty, t1 – temperatura
początkowa, t2 – temperatura końcowa.
masa naczynia kalorymetrycznego: m1 = 0.0072 kg
masa układu trącego: m2 + m3 = 0,05 kg
masa nafty: m4 = 0,01737 kg
długość ramienia: 0,425 m
ilość obrotów: n = 100
siła: F = 1 N
temperatura początkowa: t1 = 22 oC
temperatura końcowa: t2 = 28 oC
ciepło właściwe kalorymetru: cc = 452 J/(oC·kg)
ciepło właściwe układu trącego: cg = 500 J/(oC·kg)
ciepło właściwe nafty: cp = 2100 J/(oC·kg)
Wykorzystując powyższe dane otrzymamy: W/Q = 314/258,92 ≈ 1,21.
A więc widzimy, że praca wykonana na układzie jest równoważna do
energii cieplnej (ciepła) wytworzonego przez układ (w zakresie błedu
pomiaru, który w naszym przypadku jest dość duży – ok. 20%).
TEWISE
"Pierwsze Prawo Termodynamiki"
6b
Silniki cieplne
Dlaczego karoseria samochodu obok silnika jest ciepła po podróży?
Dlaczego wielkie silniki, szczególnie te w dużych ciężarówkach,
potrzebują zimnej wody, aby bezpiecznie i dobrze pracować?
ƒ
ƒ
ƒ
Silnik cieplny jest urządzeniem, które przekształca energię cieplną w pracę.
Obecnie używa się wielu typów silników cieplnych: silniki benzynowe w kosiarkach do trawy, silniki diesla
w ciężarówkach i turbiny parowe w elektrowniach.
Wszystkie spośród nich działają według tej samej podstawowej zasady przesyłania energii cieplnej do
płynu, który następnie zużywa część tej energii do wykonania pracy mechanicznej.
Zasada zachowania
energii wymagana dla
silników to:
Dostarczona energia
cieplna = praca + wydzielona energia cieplna
lub
Praca = dostarczona energia cieplna – wydzielona energia cieplna
Opis diagramu cyklu silnika cieplnego
W ogólności, silnik cieplny pobiera ciepło ze „zbiornika”
wysokiej temperatury (np. spalające się paliwo) o
temperaturze Tc, przekształca część z niego na pracę, a resztę
oddaje do „zbiornika” niskiej temperatury (np. do chłodziarki)
o temperaturze Tz (patrz rysunek po lewej).
Historyczny silnik Herona
Na obrazku po lewej pokazano model urządzenia znanego jako
silnik Herona. Zostało ono wynalezione ok. 150 p.n.e. przez Herona
w Aleksandrii (Egipt). Kolba zawieszona jest na lince, więc może
swobodnie się obracać. Gdy woda w kolbie zaczyna wrzeć, para
wydobywa się z dwóch rurek (skierowanych w przeciwne strony) i
kolba rotuje, wykonując jednocześnie pracę.
Źródła energii
Jak
już wiemy
z poprzedniej
jednostki,
energiienergii”
używanej 7 a
Źródła
energii
Expresstrain
2004ponad 90%
„Źródła
przez nas
pochodzi
nieodnawialnych
źródeł energii.
Które
źródło
energiizjest
bardziej ekologiczne:
węgiel czy Słońce?
Jak
oszczędzać
tę
energię
w
naszym
codziennym
życiu?
Uzasadnij swój wybór.
Nieodnawialne
Odnawialne
Paliwa kopalne: węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny.
Problemy ekologiczne!
Spalające się paliwa kopalne w elektrowniach i w
silnikach samochodów zanieczyszczają atmosferę
szkodliwymi gazami. Kwaśne deszcze powodowane są
przez dwutlenek siarki i dwutlenek węgla.
Paliwa atomowe: uran.
Odpady materiałów radioaktywnych o długim czasie
rozpadu stanowią poważny problem dla środowiska
naturalnego.
Energia wiatru: Grupy wielkich turbin wiatrowych
napędzają generatory elektryczne.
Energia słoneczna: Lustra i panele używane są do
„łapania” energii promieniowania Słońca.
Energie pływów i hydroelektrownie: Grawitacyjne
przyciąganie
Księżyca
i
Słońca
powoduje
„wybrzuszenie” wód oceanicznych i morskich na
powierzchni Ziemi. W trakcie obrotu Ziemi, każda
część przechodzi przez to „wybrzuszenie” – następują
przypływy i odpływy.
Energia geotermalna: Woda jest podgrzewana przez
gorące skały, leżące wiele kilometrów pod
powierzchnią Ziemi.
Biomasa: Szybko rosnące rośliny lub biomasa użyta
do produkcja węglowodorów może być użyta jako
paliwo.
Ten rodzaj energii nie zanieczyszcza środowiska i
nie może zostać wyczerpany.
Światowe wykorzystanie źródeł energii
Ropa naftowa
Węgiel
Gaz ziemny
Paliwo jądrowe
40%
28%
23%
7%
Hydroelektrownie
2%
Cieplna izolacja domu
Gorące ciała mają zasoby energii wewnętrznej. W poprzednich modułach zobaczyliśmy, że energia ma tendencję
do ucieczki z ciepłych ciał do zimniejszego otoczenia za pomocą przewodzenia, konwekcji lub promieniowania.
Jeśli pragniemy oszczędzać energię, naszym największym problemem będzie zapobieganie szybkiemu
TEWISE
"Zródla energii"
7a
rozprzestrzenianiu się energii. Aby zminimalizować straty energii w naszych domach używamy specjalnych
energooszczędnych technologii (patrz tabela i rysunek poniżej).
2004
PodsumowanieExpresstrain
i test
„Źródła energii”
7b
Technologia
Grube zasłony, eliminowanie przeciągów
Jak to działa?
Chroni przed napływem zimnego powietrza i ucieczką
powietrza ciepłego.
Materiały izolacyjne stosowane na poddaszu i pod Chroni przed ucieczką ciepła na drodze przewodzenia
podłogą
przez podłogi i sufity.
Okna z podwójnymi i potrójnymi szybami
Próżnia między szybami zmniejsza straty ciepła na
drodze przewodzenia i konwekcji.
Mur szczelinowy
Chroni przed stratami ciepła na drodze przewodzenia
przez ściany.
Pianka izolacyjna lub wełna mineralna wypełniająca Minimalizuje straty ciepła na drodze konwekcji w
mur szczelinowy
murze szczelinowym
PODSUMOWANIE:
1. Ciepło jest procesem przepływu energii pomiędzy ciałami o różnych temperaturach. Jest
to związane z przepływem energii cieplnej podczas zderzeń molekuł ciała.
2. Temperatura jest fizyczną wielkością, charakteryzującą kinetyczną energię postępowego
ruchu cząstek.
TEWISE
"Zródla energii"
7 b"?ród?a en
Pytania testowe
3. Skale temperatur:
a) Skala Kelvina – bezwzględna skala temperatury oparta na zerze absolutnym, gdy
kinetyczna energia cząstek jest równa zero. Punkt zamarzania i wrzenia wody wynosi
odpowiednio: 273 K i 373 K.
b) Skala Celsjusza – skala związana z 0 oC i 100 oC, czyli punktami, odpowiednio
zamarzania i wrzenia wody.
c) Skala Fahrenheita – skala, w której 32 oF i 212 oF są punktami odpowiednio
zamarzania i wrzenia wody.
4. Przewodzenie – Przepływ energii cieplnej („ciepła”) na drodze oddziaływań między
cząstkami, bez przepływu masy. Zachodzi głównie w ciałach stałych.
5. Konwekcja – Przepływ energii cieplnej („ciepła”) poprzez przepływ masy. Zachodzi w
cieczach i gazach w połączeniu z ruchami całości lub części ośrodka.
6. Promieniowanie – Przepływ
promieniowania podczerwonego.
energii
cieplnej
(„ciepła”)
transfer
w
postaci
7. Rozszerzalność cieplna – gdy temperatura rośnie metal rozszerza się, gdy temperatura
maleje - metal kurczy się. Matematyczny opis tego zjawiska jest następujący: ΔL = αLΔT.
8. Zmiana fazy – przejście od jednego stanu skupienia materii do innego, na przykład z
ciała stałego do cieczy, z cieczy do gazu.
9. Wewnętrzna energia U – energia ciała, będąca sumą energii kinetycznej i potencjalnej
chaotycznie poruszających się cząstek tego ciała.
10. Pierwsze prawo termodynamiki – wzrost energii wewnętrznej układu jest sumą pracy
dokonanej na układzie i energii dostarczonej do układu na sposób ciepła. Wyraża je
zasada zachowania energii układy termodynamicznego:
ΔU = ΔQ − ΔW
11. Silnik cieplny – urządzenie, które przekształca energię cieplną w pracę.
1. Temperatura jest:
a) mierzeniem ciepła;
b) codziennym pomiarem ciepła i zimna;
c) funkcją energii kinetycznej postępowego ruchu cząstek;
d) odpowiedź b) i c)
2. Czy temperatur podawana w prognozie pogoda byłaby taka sama w skali Celsjusza i
Fahrenheita? i test”
TEWISE
"Podsumowanie i test"
8a
3. Gdy wychodzisz z domu w mroźny dzień to „zimno wchodzi do domu”, czy może
„ciepło ucieka na zewnątrz”?
4. Większość substancji rozszerza się wraz ze wzrostem temperatury. Wyjaśnij to
zjawisko w ramach kinetyczno-molekularnej teorii budowy materii.
5. Gdy
jesz
gorący
kawałek
szarlotki, możesz zauważyć, że ciasto jest tylko trochę gorąca, ale jabłkowe nadzienie
parzy usta. Dlaczego?
6. Dlaczego używa się wody, aby magazynować energię cieplną w domach
wykorzystujących energię słoneczną?
7. Dlaczego materiał jest dobrym izolatorem cieplnym? Wyjaśnij to w oparciu o
kinetyczno-molekularną teorię budowy materii.
8. Dlaczego podziemne rury wodociągowe zamarzają dopiero wtedy, gdy na dworze
przez kilka dni jest bardzo zimno?
9. Gdy twoja skóra jest gorąca, naczynia krwionośne rozszerzają się. Gdy skóra jest
chłodna – naczynia kurczą się. Co jest przyczyną takiego zachowania?
10. Dlaczego niektóry ciecze parują łatwiej niż inne?
11. Ludzie podróżujący w gorących regionach czasami przenoszą wodę w porowatej
brezentowej torbie, która pozostaje wilgotna. Zawieszają ją na przednim zderzaku
swojego samochodu lub ciężarówki. Co jest tego przyczyną?
12. Według pierwszego prawa termodynamiki, jeśli ciepło jest dostarczone do układu, to
zostaje ono przekształcone na:
a) temperaturę,
b) pracę,
c) wewnętrzną energię,
d) pracę i/lub wewnętrzną energię.
13. Ziemia od milionów lat jest ogrzewana przez promieniowanie Słońca, ale jej
temperatura pozostaje w miarę stała. Dlaczego?
14. Szklane ścianki termosu pokrywa cienka srebrna warstewka. Ma to na celu
zredukowanie strat ciepła na drodze:
a) konwekcji,
b) parowania,
c) przewodzenia,
d) promieniowania.
15. Podaj kilka zalet i wad używania paliw nieodnawialnych.
TEWISE
"Podsumowanie i test"
8b