Hæfnisverkefni

12.4 Hagnýting varmafræðinnar: Varmavélar, varmadælur og kæliskápar

Þér hefur verið falið að hanna og smíða hitamæli sem byggist á varmaþenslu. Til prófunar eru fjögur efni sem nýtast við mismunandi aðstæður og á mismunandi hitastigssviðum:

Efni

• Fjögur sýnishorn með svipuðum massa eða svipuðu rúmmáli: kopar, stál, vatn og alkóhól, til dæmis etanól eða ísóprópanól.
• Ofn eða sambærilegur hitagjafi.
• Mælitæki til að mæla stærðarbreytingar, til dæmis metrastika, skífumál eða míkrómetri.
• Vog til að mæla massa.

Framkvæmd

• Hannið örugga tilraun til að greina varmaþenslueiginleika hvers efnis.
• Skráið hvaða efni þarf í tilraunina og hvaða aðferð þið fylgið. Hafið öll smáatriði með svo aðrir geti endurtekið tilraunina.
• Veljið hentugt efni til að mæla hitastig á fyrirfram ákveðnu hitastigssviði og rökstyðjið valið.
• Kvarðið mælitækið svo það mæli hitastigsbreytingar nákvæmlega.

Spurningar til umhugsunar

• Hvaða eðlisfræðilegar stærðir verða fyrir áhrifum af hitabreytingu og varmaþenslu?
• Hvernig hafa eiginleikar á borð við eðlisvarma og varmaleiðni áhrif á notkun hvers efnis sem hitamælis?
• Verður fasabreyting í einhverju prófaðra efna á hitastigssviðinu sem á að rannsaka?
• Hverjar eru óháðar og háðar breytur í þessari prófunaröð? Hvaða breytum þarf að stýra í tilrauninni?
• Hverjir eru helstu skekkjuvaldar?
• Er hægt að nota öll prófuðu efnin jafn vel á sömu hitastigssviðum? Hvaða notkun gæti hentað einu eða fleiri efnanna en ekki hinum?

Stuðningur við kennara

Þetta hæfnisverkefni styður eftirfarandi hæfniviðmið:

NGSS HS-PS3-3: Hanna, smíða og betrumbæta tæki sem virkar innan gefinna takmarkana til að breyta einu formi orku í annað form orku.

• Alkóhól og vatn má nota vel á hitastigssviðinu frá 0 °C til 100 °C. Kopar og stál þenjast ekki mikið út við þessi hitastig og tilraunahönnunin þarf að taka mið af því.
• Við varmaþenslu breytist allt rúmmál efnisins og hlutfallsleg þensla eða samdráttur verður í hverri vídd. Hönnun nemenda ætti að taka mið af þessu. Ef mögulegt er ættu nemendur að hanna leið þar sem allar víddir nema ein eru skorðaðar, þannig að tengja megi hitastig beint við línulega breytingu, það er þenslu eða samdrátt í einni vídd.