Κεφ. 2: ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ

2.2 Θερμότητα: μια μορφή ενέργειας

Τι είναι ενέργεια;

Παρά τον τίτλο, οι συγγραφείς ευτυχώς αποφεύγουν να δώσουν ξανά το λανθασμένο ορισμό της σελ. 13. Επομένως, προς τι ο τίτλος;

Τίτλοι που θα ταίριαζαν είναι: “Η ενέργεια μεταφέρεται και αλλάζει μορφές.” ή “Με την έννοια της ενέργειας μπορούμε να περιγράψουμε κάθε μεταβολή.” ή “ Η έννοια της ενέργειας και οι μεταβολές.”

Όταν κρατάμε τη χορδή του τόξου τεντωμένη ασκούμε σ’ αυτή δύναμη. Τότε λέμε ότι η χορδή έχει δυναμική ενέργεια.

Εύκολα ένας μαθητής θα μπορούσε να καταλήξει στο λανθασμένο συμπέρασμα ότι όταν ασκούμε δύναμη σ’ ένα σώμα, τότε το σώμα αποκτά δυναμική ενέργεια.

Μια απλή διατύπωση με τη οποία αποφεύγεται η παρανόηση είναι:

Η τεντωμένη χορδή του τόξου έχει ενέργεια την οποία ονομάζουμε δυναμική ενέργεια.

Τι είναι θερμότητα;

Με μεταφορά θερμότητας περιγράφουμε τη θέρμανση, τη θερμική διαστολή, την τήξη, το βρασμό κ.τ.λ. Υπάρχουν ωστόσο θερμικές μεταβολές οι οποίες δεν περιγράφονται με μεταφορά θερμότητας.

Θα νόμιζε κανείς (και ιδίως οι μαθητές) ότι η θέρμανση, η θερμική διαστολή κ.τ.λ. περιγράφονται πάντα με μεταφορά θερμότητας και κάποιες άλλες θερμικές μεταβολές δεν περιγράφονται με μεταφορά θερμότητας.

Αυτό μάλλον που ήθελαν να γράψουν οι συγγραφείς είναι ότι η θέρμανση, η θερμική διαστολή, η τήξη, ο βρασμός και γενικά όλες οι θερμικές μεταβολές δεν περιγράφονται πάντα με μεταφορά θερμότητας.

Η θέρμανση του νερού και του αναδευτήρα, που αναφέρεται παρακάτω, δεν περιγράφεται με μεταφορά θερμότητας.

Ένας αγωγός, ο οποίος διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα, θερμαίνεται, διαστέλλεται και ενδεχομένως τήκεται, χωρίς να έχει συμβεί κάποια μεταφορά θερμότητας.

Ένα υγρό (π.χ. το νερό) μπορεί να βράσει χωρίς να μεταφερθεί σ’ αυτό θερμότητα, αν ελαττωθεί η πίεση υπό την οποία βρίσκεται. Η θερμότητα εξαέρωσης προέρχεται από την θερμική του ενέργεια και το υγρό ψύχεται.

Οι συγγραφείς δε θα ολίσθαιναν σε μια λανθασμένη διατύπωση, αν σκέφτονταν ότι απευθύνονται σε μαθητές Β΄ Γυμνασίου και είχαν γράψει το εξής απλό: Η αύξηση της θερμοκρασίας ενός σώματος μπορεί να συμβεί και χωρίς να μεταφερθεί θερμότητα σ’ αυτό. Μετά να ακολουθούσε το παράδειγμα με τον αναδευτήρα.

Μονάδα μέτρηση της ενέργειας

Η ενέργεια είναι φυσικό μέγεθος το οποίο μπορούμε να το μετρήσουμε.

Μήπως υπάρχει κάποιο μέγεθος που δεν μπορούμε να το μετρήσουμε;

Πρέπει να είμαστε προσεκτικοί στις εκφράσεις μας, γιατί οι μαθητές συχνά παρανοούν αυτό το οποίο λέμε.

Μέγεθος είναι κάθε έννοια που μπορεί να προσδιοριστεί ποσοτικά, δηλαδή, που μπορεί να μετρηθεί.

Μια σωστή διατύπωση είναι:

Η ενέργεια είναι ένα φυσικό μέγεθος, δηλαδή, μπορούμε να τη μετρήσουμε.

Στην αρχή της σελίδας

2.3 Πώς μετράμε τη θερμότητα;

... συμπεραίνουμε ότι η θερμότητα που μεταφέρεται σ’ ένα σώμα:

α) Είναι ανάλογη με την αύξηση της θερμοκρασίας του.

β) Είναι ανάλογη της μάζας του σώματος.

γ) Εξαρτάται από το είδος του υλικού.

Από την έκφραση αυτή φαίνεται ότι η μάζα και το υλικό προσδιορίζουν τη θερμότητα που μεταφέρεται σ’ ένα σώμα. Όμως, σ’ ένα σώμα μπορεί να μεταφερθεί γενικά οποιοδήποτε ποσό θερμότητας ανεξάρτητα από τη μάζα του και το υλικό του. Μόνο αν επιδιώκεται ορισμένη αύξηση της θερμοκρασίας, η μάζα και το υλικό του σώματος προσδιορίζουν τη θερμότητα που απαιτείται να μεταφερθεί.

Η κατάσταση σώζεται αν αντικαταστήσουμε την έκφραση “η θερμότητα που μεταφέρεται σ’ ένα σώμα” με την έκφραση “η θερμότητα που απαιτείται για να θερμανθεί ένα σώμα”.

Παρόμοια είναι η διαδικασία και κατά την ελάττωση της θερμοκρασίας του σώματος.

Η διαδικασία δεν είναι παρόμοια. Παρόμοιο είναι το συμπέρασμα.

Η πρόταση πρέπει να διαγραφεί και στο τέλος των συμπερασμάτων να γράψουμε το εξής: Παρόμοια συμπεράσματα ισχύουν και στην περίπτωση που το σώμα ψύχεται.

... = 2 Kg ´ 5 °C ´ 4200 J/Kg = ...

Να συμπληρωθεί ο βαθμός Κελσίου (°C) στη μονάδα της ειδικής θερμότητας.

Δείτε κι’ αυτό

Σε ποιες μορφές μετατρέπεται η ενέργεια που ξοδεύεται στη διάρκεια ενός λεπτού ανθρώπινης δραστηριότητας; Σε κάθε 100 joules ενέργειας που παράγονται στους μύες, τα 3/4 μετατρέπονται σε θερμότητα και το υπόλοιπο 1/4 σε κινητική ενέργεια.

Ο χρονικός προσδιορισμός “στη διάρκεια ενός λεπτού” δεν έχει νόημα.

Από την άλλη μεριά, θα έπρεπε να αναφέρεται ότι οι θερμίδες, που αναγράφονται στην εικόνα κάτω από τις αντίστοιχες ανθρώπινες δραστηριότητες, ξοδεύονται στη διάρκεια ενός λεπτού.

Επίσης, ο ποσοτικός προσδιορισμός “σε κάθε 100 Joules” δεν έχει κανένα νόημα, αφού ακολουθούν κλάσματα.

Μην το δείτε, λοιπόν, κι’ αυτό ή διορθώστε το.

Στην αρχή της σελίδας

2.4 Θερμοκρασία, θερμότητα και μικρόκοσμος

Αυτά τα μικροσκοπικά σωματίδια τα ονομάζουμε μόρια.

Όχι, δεν μπορεί να γίνει αυτή η απλοποίηση. Οι μαθητές διδάσκονται στο μάθημα της Χημείας ότι οι ουσίες αποτελούνται ή από ανεξάρτητα άτομα ή από μόρια ή από ιόντα.

Τι θα πείραζε να αναφέρονται και στο υπόλοιπο κείμενο ως σωματίδια;

Εικόνα 2.15

Η εικόνα έρχεται σε αντίθεση με το κείμενο και μπερδεύει τον αναγνώστη. Το κείμενο αναφέρεται σε ψυχρό κύλινδρο και θερμό νερό, ενώ σ’ αυτή την εικόνα ο κύλινδρος είναι θερμός και το νερό ψυχρό.

Στην αρχή της σελίδας

2.5 Θερμική διαστολή και συστολή

Μερικά τυπογραφικά λάθη:

Στον υπότιτλο του πίνακα με τις τιμές γραμμικής διαστολής: 100 °C αντί για 1000 C

Στο κείμενο για το Concorde: 1000 °C αντί για 10000 C

Στον υπότιτλο του πίνακα 2.2, σελ. 56: 40 °C αντί για 400 C

Διαστολή των αερίων

Στους -273 °C, δηλαδή σε 0 Κ ο όγκος κάθε αερίου θεωρητικά μηδενίζεται.

Να διαγραφούν οι λέξεις “θεωρητικά μηδενίζεται” και στη θέση αυτών των λέξεων, οι μαθητές να γράψουν:

“... θα μπορούσε κανείς να συμπεράνει ότι μηδενίζεται. Αυτό όμως δε συμβαίνει, γιατί όσα αναφέρθηκαν προηγουμένως δεν ισχύουν για θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν.” 

Ερμηνεία της διαστολής

... θεωρούμε ότι τα μόρια συγκρατούνται σαν να συνδέονται με μικροσκοπικά ελατήρια ...

Δεν νομίζω ότι η εισαγωγή αυτού του προτύπου διευκολύνει την κατανόηση της διαστολής και μάλιστα όταν τα ελατήρια του προτύπου έχουν την παράξενη ιδιότητα να επιμηκύνονται ευκολότερα, παρά να συμπιέζονται.

Άλλωστε, οι συγγραφείς δε χρησιμοποιούν αυτό το πρότυπο σε άλλες περιπτώσεις, όπως π.χ. στην αγωγή της θερμότητας. Εκεί γράφουν για συγκρούσεις των μορίων με τα γειτονικά τους.

Για την ερμηνεία της διαστολής θα μπορούσαν να έχουν γράψει το εξής:

Όταν αυξηθεί η θερμοκρασία ενός στερεού σώματος, τα σωματίδια που το αποτελούν ταλαντώνονται με μεγαλύτερο πλάτος. Όμως, τα σωματίδια απωθούνται ισχυρά, όταν έρχονται πολύ κοντά το ένα στο άλλο. Για αυτό οι αποστάσεις μεταξύ τους γίνονται μεγαλύτερες και το σώμα συνολικά διαστέλλεται.

Δυνάμεις κατά τη διαστολή και συστολή

... και αφήνονται πλέον τα διάκενα αυτά.

Δεν αφήνονται πλέον διάκενα στις σιδηροτροχιές.

Σήμερα, με μέτρα που λαμβάνονται κατά την τοποθέτηση των σιδηροτροχιών (κατάλληλη στήριξη, θερμοκρασία των σιδηροτροχιών) αποφεύγονται τα δυσάρεστα αποτελέσματα της διαστολής, χωρίς να αφήνονται διάκενα.

Η διαστολή του νερού

Έτσι όταν η θερμοκρασία στην επιφάνεια μιας λίμνης φτάσει στους 4°C, το νερό της επιφάνειας ως πυκνότερο βυθίζεται.

Δεν είναι ανάγκη η θερμοκρασία του νερού στην επιφάνεια της λίμνης να φτάσει στους 4°C για να γίνει πυκνότερο από το υπόλοιπο νερό και να βυθιστεί. Για παράδειγμα, αν η θερμοκρασία του νερού της λίμνης είναι 10°C και η θερμοκρασία στην επιφάνεια ελαττωθεί, ας πούμε στους 9°C, τότε το νερό της επιφάνειας γίνεται πυκνότερο και βυθίζεται.

Η περιγραφή του φαινομένου έχει ως εξής:

Όταν ο καιρός είναι ψυχρός, το νερό στην επιφάνεια της λίμνης ψύχεται, γίνεται πυκνότερο και βυθίζεται. Θερμότερο νερό, ως ελαφρύτερο, έρχεται στην επιφάνεια και με τη σειρά του ψύχεται και βυθίζεται. Με αυτόν τον τρόπο η θερμοκρασία του νερού της λίμνης ελαττώνεται σταδιακά μέχρι τους 4°C. Τότε, όμως, καθώς το νερό της επιφάνειας ψύχεται ακόμα περισσότερο, γίνεται ελαφρύτερο και παραμένει εκεί. Η ψύξη του συνεχίζεται και γίνεται πάγος, που επιπλέει στην επιφάνεια της λίμνης. Η θερμοκρασία του νερού κοντά στον πάγο είναι 0°C, αλλά νερό των 4°C συνεχίζει να παραμένει στον πυθμένα, επειδή είναι το πυκνότερο.

2.6 Αλλαγές κατάστασης

Τήξη - Πήξη

... ο πάγος λιώνει - εκτός και αν ο αέρας είναι ψυχρότερος από τον πάγο!

Όχι. Για να μη λιώσει ο πάγος αρκεί η θερμοκρασία του αέρα να μην είναι μεγαλύτερη από 0°C.

Ένα κομμάτι πάγου λιώνει όταν εκτεθεί σε αέρα υψηλότερης θερμοκρασίας.

Το λάθος επαναλαμβάνεται. Το σωστό είναι ότι ένα κομμάτι πάγου λιώνει όταν εκτεθεί σε αέρα του οποίου η θερμοκρασία είναι υψηλότερη από 0°C.

Βρασμός - Υγροποίηση

Οι υδρατμοί υγροποιούνται στους 100°C δηλαδή σε θερμοκρασία ίση με τη θερμοκρασία βρασμού.

Η θερμοκρασία βρασμού του νερού είναι 100°C, μόνο αν η πίεση είναι 1 Αtm. Γι’ αυτό, οι υδρατμοί υγροποιούνται στους 100°C, μόνο όταν βρίσκονται σε πίεση 1 Αtm.

Η μερική πίεση των υδρατμών που υπάρχουν στον αέρα είναι μικρότερη από 1 Αtm και εξαρτάται από την περιεκτικότητα του αέρα σε υδρατμούς. Γι’ αυτό υγροποιούνται, μόνο αν η θερμοκρασία ελαττωθεί αρκετά (ώστε να γίνει ίση με τη θερμοκρασία βρασμού που αντιστοιχεί στη μερική τους πίεση). Επιπλέον, αν η μερική πίεση των υδρατμών είναι μικρότερη από 4,6 Τοrr, τότε δεν μπορούν να υγροποιηθούν, παρά μόνο να μετατραπούν σε πάγο.

Αν πούμε στους μαθητές ότι οι υδρατμοί υγροποιούνται στους 100°C δεν θα μπορούν να εξηγήσουν απλές καταστάσεις και φαινόμενα:

Γιατί δεν έχουν υγροποιηθεί οι υδρατμοί, που υπάρχουν μέσα στην αίθουσα της τάξης μας;

Γιατί υπάρχουν υδρατμοί στην εκπνοή μας, παρόλο που η θερμοκρασία τους είναι 37°C;

Γιατί οι υδρατμοί που βγαίνουν με την εκπνοή μας υγροποιούνται μόνο σε ψυχρές μέρες, όταν βρεθούν στον κρύο αέρα;

Σε μαθητές της Β΄ Γυμνασίου και αρχάριους στη Φυσική το μόνο που μπορούμε να πούμε είναι ότι οι υδρατμοί υγροποιούνται όταν ψύχονται.

Αλλαγές κατάστασης και μικρόκοσμος

Από 0°C μέχρι 4°C μικροσκοπικοί κρύσταλλοι πάγου, που έχουν παραμείνει μέσα στο νερό, λιώνουν σιγά - σιγά ...

Η χρησιμοποίηση της λέξης “λιώνουν” που σημαίνει “τήκονται” οδηγεί τον μαθητή στην σκέψη ότι η τήξη τελικά δε συντελείται στους 0°C, αλλά από 0°C μέχρι 4°C.

Οι συγγραφείς θα ήταν προτιμότερο να είχαν γράψει ότι τα μόρια του νερού δεν μπορούν να συγκρατηθούν πλέον σ’ αυτούς τους κρυστάλλους και σιγά - σιγά αποδεσμεύονται.

Στην αρχή της σελίδας

2.9 Θερμότητα και ρεύματα μεταφοράς

Αυτά τα υλικά παγιδεύουν, μέσα σε μικρές κοιλότητες (πόρους), αέρα αποτρέποντας τη δημιουργία ρευμάτων μεταφοράς. Για αυτό και τα μάλλινα ρούχα μας “ζεσταίνουν” το χειμώνα.

Ο λόγος που χρησιμοποιούμε για θερμομόνωση υλικά πορώδη ή γενικώς υλικά που παγιδεύουν τον αέρα είναι ότι ο αέρας είναι κακός αγωγός της θερμότητας. Βέβαια, είναι σημαντικό ότι ο παγιδευμένος αέρας δεν μπορεί να κυκλοφορήσει και έτσι εμποδίζεται η διάδοση της θερμότητας με μεταφορά. Όμως, δεν είναι σωστό να παραλείπεται ότι ο παγιδευμένος αέρας εμποδίζει τη διάδοση της θερμότητας με αγωγή. Άλλωστε, η ερώτηση “γιατί φοράμε μάλλινα ρούχα το χειμώνα;” υπάρχει στο προηγούμενο μάθημα για τη διάδοση της θερμότητας με αγωγή.

Στην αρχή της σελίδας

2.10 Θερμότητα και ακτινοβολία

Εικόνα 2.49

... από το εσωτερικό του λαμπτήρα έχει αφαιρεθεί όλος σχεδόν ο αέρας.

Ο αέρας έχει αφαιρεθεί από το γυάλινο δοχείο για να αποφευχθεί η οξείδωση του νήματος. Όμως, στη θέση του υπάρχει αργό, κρυπτό ή άζωτο που είναι αδρανή αέρια. Η παρουσία του αερίου είναι αναγκαία, γιατί εμποδίζει την εξάχνωση που θα υφίστατο το μεταλλικό νήμα, αν μέσα στο γυάλινο δοχείο υπήρχε κενό.

Στην αρχή της σελίδας

 

Σχολείο|Πολιτιστικά|Προγράμματα|Εκδόσεις|Εκπ.Υλικό|Σελ.Μαθητών|Site|14thDM

Στην αρχική σελίδα

email us
e-mail us
g14per@otenet.gr

Αναζήτηση στο Site
Όλο το site σε μια σελίδα
Οδηγίες πλοήγησης στο site

InteRMediA TeaM 14ου Γυμνασίου Περιστερίου
Σχεδίαση Site