Projekty naukowe z termodynamiki

Termodynamika obejmuje badanie ciepła i energii cieplnej oraz jej przemiany w energię mechaniczną. Projekty naukowe wykorzystujące praktyczne zastosowania uczą podstawowych zasad termodynamiki. Projekty te opierają się na dostępnych materiałach i pozwalają na późniejszą analizę, aby jeszcze bardziej poprawić zrozumienie. Po podstawowym zrozumieniu tematu, można zająć się bardziej zaawansowanymi obszarami.

Pierwsze prawo termodynamiki

Naucz pierwszego prawa termodynamiki używając gumek. Pierwsze prawo termodynamiki mówi, że energia może być przekształcana, ale nie tworzona lub niszczona. Użyj termometru na podczerwień i zmierz temperaturę gumki w spoczynku. Następnie rozciągaj gumkę w jednominutowych odstępach czasu i zmierz jej temperaturę. Zgodnie z pierwszym prawem, praca włożona w rozciąganie gumki zamienia się w ciepło, które powoduje wzrost temperatury gumki. Zobacz, jak zmienia się temperatura gumki w zależności od tego, ile razy została rozciągnięta.

• Naucz pierwszego prawa termodynamiki używając gumek.
  
• Użyj termometru na podczerwień i zmierz temperaturę gumki w spoczynku.

Pojemność cieplna

Naucz pojemności cieplnej porównując roztwory czystej i słonej wody. Dodaj równe ilości lodu do każdej kąpieli i zmierz zmianę temperatury w różnych odstępach czasu. Słona woda ma niższą wartość ciepła właściwego niż czysta woda, więc zmiana temperatury słonej wody jest większa dla tego samego dodatku ciepła. Użyj różnych stężeń słonej wody i zmierz wpływ na temperaturę. Im większe stężenie soli, tym większa zmiana temperatury dla jednakowych dodatków ciepła. Skalibruj system, używając znanego ciepła właściwego wody do obliczenia dodanego ciepła, a następnie oblicz ciepło właściwe innych roztworów słonej wody.

• Naucz pojemności cieplnej, porównując roztwory czystej i słonej wody.
  
• Większe stężenie soli, tym większa zmiana temperatury dla równych dodatków ciepła.

Prawo Charlesa

Użyj balonów do nauki prawa Charlesa. Prawo Charlesa mówi, że zmiana objętości ciała jest proporcjonalna do zmiany jego temperatury tak długo, jak ciśnienie jest utrzymywane na stałym poziomie. Nadmuchaj podobne balony do tego samego rozmiaru i umieść je w ogrzewanym, schłodzonym i pokojowym środowisku. Zapisz te temperatury dla celów porównawczych. Wraz ze wzrostem temperatury balonu będzie rosła jego objętość. Po 15 minutach obliczcie objętość balonów, mierząc ich obwód. Użyjcie balonu o temperaturze pokojowej jako punktu odniesienia i zmierzcie stałą proporcjonalności pomiędzy objętością balonu a temperaturą środowiska zewnętrznego. Użyj tego współczynnika do określenia temperatury ogrzanych i schłodzonych balonów i sprawdź, jak bardzo obliczenia odpowiadają rzeczywistej zmierzonej temperaturze.

• Użyj balonów do nauki prawa Charlesa.
  
• Użyj balonu o temperaturze pokojowej jako punktu odniesienia i zmierz stałą proporcjonalności między objętością balonu a temperaturą środowiska zewnętrznego.

Przewodzenie ciepła

Wprowadź projekt, który mierzy przewodzenie ciepła przez różne materiały. Zbuduj pudełko adiabatyczne i podziel je na dwie komory używając jednego z wybranych materiałów. W jednej komorze umieść źródło ciepła. Mierz temperaturę w obu komorach przez cały czas trwania eksperymentu. Wykorzystując zarejestrowane temperatury obliczcie całkowitą wymianę ciepła przez materiał używając opublikowanych wartości przewodności materiałów, k. Użyjcie materiałów izolujących i przewodzących i zobaczcie jak ich właściwości wpływają na wymianę ciepła z jednej komory do drugiej. Dla rzeczywistego zastosowania, użyj bariery powietrznej pomiędzy dwoma kawałkami szkła, aby zobaczyć korzyści z użycia podwójnych i pojedynczych szyb w oknach.

• Wprowadź projekt, który mierzy przewodzenie ciepła przez różne materiały.
  
• Zbuduj pudełko adiabatyczne i rozdziel je na dwie komory używając jednego z wybranych materiałów.