Практична діяльність: підрахунок калорій

Швидкий погляд

Рівень якості: 11 (10-12)

Необхідний час: 3 години

(можна розділити на три 60-хвилинні сеанси)

Витратні витрати/група: 2,50 дол. США

Розмір групи: 3

Залежність від діяльності: Жоден

Предметні напрямки: Хімія, фізика

Швидкий погляд

(можна розділити на три 60-хвилинні сеанси)

Незважаючи на те, що за використання навчальних матеріалів TeachEngineering у вашому класі не вимагається жодної плати та плати, уроки та заходи часто вимагають матеріальних запасів.

Витратні витрати - це орієнтовна вартість запасів, необхідних для кожної групи студентів, залучених до діяльності.

Будь-яке багаторазове обладнання, необхідне для навчання діяльності, не включається до цієї оцінки; детальніше див. у списку матеріалів/матеріалів.

Діяльність, пов’язана з цим уроком

Більшість навчальних матеріалів у TeachEngineering організовані ієрархічно; тобто більшість практичних занять є частиною уроків, уроки згруповані в багатоденні одиниці, і вони знову об’єднані в предметні області.

Однак деякі види діяльності чи уроки були розроблені окремо, і, отже, вони могли не відповідати цій суворій ієрархії.

Пов’язана навчальна програма показує, як документ, який ви зараз переглядаєте, вписується в цю ієрархію навчальних матеріалів.

Підпишіться на нашу розсилку

Ключові слова

Педагоги діляться досвідом

Резюме
Інженерне зв’язок
Мета навчання
Список матеріалів
Робочі аркуші та додатки
Більше подібних навчальних програм
Попередньо необхідні знання
Вступ/мотивація
Процедура
Словник/Визначення
Оцінка
Поради щодо усунення несправностей
Розширення діяльності
Масштабування діяльності
Коментарі та поради користувачів

Рисунок 1. Рідкий калориметр DZero використовується для виявлення субатомних частинок у складних квантово-механічних експериментах.

Резюме

Інженерне зв’язок

Інженери-хіміки розробляють та експлуатують, серед іншого, великі заводи та процеси, що роблять придатними продукти з хімічних речовин, починаючи від електроенергії, харчових продуктів, ліків, матеріалів, палива та рафінованих хімічних речовин. Для того, щоб безпечно та ефективно застосовувати та контролювати ці процеси, інженер повинен знати, скільки тепла буде вироблятися в даній реакції. Якщо виділяється занадто багато тепла, білки денатурують, продукти згорають або розкладаються, або реактор може сильно вибухнути. Якщо генерується занадто мало тепла, хімічні речовини не реагують, не виробляється достатньо енергії або надаються переваги неправильним продуктам. Крім того, інженер повинен знати, як саме технологічне обладнання впливатиме на хімічний процес. Будучи в змозі передбачити, скільки тепла буде вироблятися в реакції (а також тиск), системи можуть бути спроектовані з урахуванням конкретних допусків та умов реакції, максимізованих.

Мета навчання

Після цього заняття студенти повинні мати можливість:

Опишіть кілька основних принципів термодинаміки та тепловіддачі в дії.
Порівняйте та порівняйте відмінності між реальними програмами та аналізом на папері.

Освітні стандарти

Кожен урок або заняття TeachEngineering співвідноситься з одним або кількома освітніми стандартами K-12 з науки, техніки, техніки або математики (STEM).

Усі 100000+ стандартів K-12 STEM, охоплені TeachEngineering, збираються, підтримуються та упаковуються Мережею стандартів досягнень (ASN), проектом D2L (www.achievementstandards.org).

У ASN стандарти ієрархічно структуровані: спочатку за джерелом; наприклад, за державою; усередині джерела за типом; наприклад, наука або математика; усередині типу за підтипом, потім за класом тощо.

HS-PS3-1. Створіть обчислювальну модель для обчислення зміни енергії одного компонента в системі, коли відомі зміна енергії іншого компонента (компонентів) та потоки енергії в системі та поза нею. (9-12 класи)

Чи погоджуєтесь ви з цим вирівнюванням? Дякуємо за ваш відгук!

Угода про вирівнювання: Дякуємо за ваш відгук!

Збереження енергії означає, що загальна зміна енергії в будь-якій системі завжди дорівнює загальній енергії, що передається в систему або виходить із неї.

Угода про вирівнювання: Дякуємо за ваш відгук!

Енергію неможливо створити або знищити, але її можна переносити з одного місця в інше і передавати між системами.

Угода про вирівнювання: Дякуємо за ваш відгук!

Математичні вирази, які кількісно визначають, як накопичена енергія в системі залежить від її конфігурації (наприклад, взаємне розташування заряджених частинок, стиснення пружини) і як кінетична енергія залежить від маси та швидкості, дозволяють використовувати концепцію збереження енергії для прогнозувати та описувати поведінку системи.

Угода про вирівнювання: Дякуємо за ваш відгук!

Наявність енергії обмежує те, що може відбуватися в будь-якій системі.

Угода про вирівнювання: Дякуємо за ваш відгук!

Наука припускає, що Всесвіт - це величезна єдина система, в якій основні закони узгоджуються.

Угода про вирівнювання: Дякуємо за ваш відгук!

Розв’яжіть лінійні рівняння та нерівності в одній змінній, включаючи рівняння з коефіцієнтами, представленими буквами. (9 - 12 класи) Детальніше

Чи погоджуєтесь ви з цим вирівнюванням? Дякуємо за ваш відгук!

Розв’яжіть прості раціональні та радикальні рівняння в одній змінній та наведіть приклади, що показують, як можуть виникати сторонні рішення. (9 - 12 класи) Детальніше

Чи погоджуєтесь ви з цим вирівнюванням? Дякуємо за ваш відгук!

Енергію неможливо створити або знищити; однак його можна перетворити з однієї форми в іншу. (9 - 12 класи) Детальніше

Чи погоджуєтесь ви з цим вирівнюванням? Дякуємо за ваш відгук!

Енергію можна згрупувати за основними формами: теплова, променева, електрична, механічна, хімічна, ядерна та інші. (9 - 12 класи) Детальніше

Чи погоджуєтесь ви з цим вирівнюванням? Дякуємо за ваш відгук!

Розв’яжіть лінійні рівняння та нерівності в одній змінній, включаючи рівняння з коефіцієнтами, представленими буквами. (9 - 12 класи) Детальніше

Чи погоджуєтесь ви з цим вирівнюванням? Дякуємо за ваш відгук!

Використовуйте відповідні вимірювання, рівняння та графіки для збору, аналізу та інтерпретації даних про кількість енергії в системі чи об'єкті (9-12 класи) Детальніше

Чи погоджуєтесь ви з цим вирівнюванням? Дякуємо за ваш відгук!

Використовуйте прямі та непрямі докази для розробки прогнозів щодо видів енергії, пов’язаної з об’єктами (9 - 12 класи) Детальніше

Чи погоджуєтесь ви з цим вирівнюванням? Дякуємо за ваш відгук!

Визначте різні форми енергії та обчисліть їх кількість, вимірюючи їх визначальні характеристики (9 - 12 класи) Детальніше

Чи погоджуєтесь ви з цим вирівнюванням? Дякуємо за ваш відгук!

Список матеріалів

2 мензурки
KCl (хлорид калію) сіль
води
тонкий, легкий шматок дерева або 6-8 паличок Popsicle®
термометр
перемішувальний пристрій (наприклад, паличка Popsicle або мішалка для кави)

Кожна група повинна мати:

2-3 кавові чашки із пінополістиролу®
паперові склянки
тканина
відчував
пінопласт
термометр
один стрижень для перемішування
води
гумки
стрічка
папір
будь-які інші матеріали, які можуть бути корисними для дизайну команди
Стривай, що тільки що сталося? Робочий лист, по одному на студента
Ваш калориметр та ваш лабораторний аркуш, по одному на студента
Робочий аркуш оцінювання та вдосконалення, по одному на студента

Щоб поділитися з усім класом:

ножиці
алюмінієва фольга
хлористий калій

Робочі аркуші та додатки

Більше подібних навчальних програм

Студенти вивчають основні поняття теплопередачі та теплоти реакції. Це включає такі поняття, як фізична хімія, рівняння теплопередачі та базове розуміння енергії та теплопередачі.

Попередньо необхідні знання

Алгебра: Студенти повинні знати, як виконувати основні алгебраїчні маніпуляції рівняннями та прийоми заміщення.

Хімія: Студенти повинні знати, що хімічні речовини взаємодіють у реакціях, що змінюють хімічні та/або фізичні властивості системи. Крім того, студенти повинні мати певний досвід роботи із залишками молей або стехіометрією (математична основа хімії).

Фізична наука: Студенти повинні бути знайомі з поняттям енергії, що вона може обмінюватися і що вона буває у різних формах.

Вступ/мотивація

Ви коли-небудь задавались питанням, як саме відомо, скільки калорій знаходиться в смачному мішку чіпсів? Або скільки енергії в освіжаючій банку поп-музики? А як щодо хімічних реакцій, таких як водень та кисень? Він реагує настільки швидко, як учений або інженер може взагалі почати вимірювати виділену енергію? Як ми можемо масштабувати реакції для різних розмірів і кількості реагентів? Багато з вас, можливо, думають: "Ну, вони шукають це, звичайно!" Зрештою, дані мали звідкись надходити. Відповідь на всі ці питання - калориметрія. Якщо ми реагуємо на предмет, що нас цікавить, у присутності речовини з відомою теплоємністю, ми можемо виміряти зміну температури відомої речовини за допомогою калориметра. Часто цією речовиною є вода. Тоді ми можемо пов’язати зміну температури з кількістю теплоти, що передається, використовуючи певні рівняння тепловіддачі.

Ця діяльність демонструє не тільки труднощі рішення, але і те, як ми вимірюємо ці цінності та певні проблеми, з якими стикаємось, намагаючись зробити це точно і недорого в реальних ситуаціях.

Процедура

[Для вчителя] Чашки з пінополістиролу є хорошими ізоляторами (саме тому ми використовуємо їх для гарячої кави). Надайте студентам кілька різних матеріалів та чашок, і нехай вони вирішать, що найкраще ізолюватиме їх реакцію. Одним з кращих способів використання чашок із пінопласту є вкладання їх одна в одну, створюючи подвійний шар ізоляції. Якщо можливо, уникайте повітряного простору над водою та під вкладеною чашкою. Кришка також важлива для запобігання виходу тепла в повітря. Надайте тканину та пластик для використання як ковпачки, на додаток до звичайних ковпачків для кави. Попросіть студентів створити кілька варіантів цієї загальної теми на основі їх знань про калориметри. Більше довідкового матеріалу наведено у відповідному попередньому аркуші "Зачекайте, що саме сталося?"

Перед активністю

Остудіть дві склянки зі 100 мл води, щоб вони майже замерзли.
Збирайте матеріали.

Зі студентами

Остудіть дві склянки води, щоб вона майже замерзла. Помістіть достатньо паличок Popsicle® або тонкого шматка дерева на рівну поверхню, переконавшись, що мензурка прилягає до дерева/паличок. Вилийте трохи крижаної води з першого склянки на деревину/палички для ескімо. Помістіть другий склянку поверх деревини, переконуючись, що між деревиною та склом є вода. У другу склянку капніть кілька чайних ложок солі і добре розмішайте. Використовуйте термометр для вимірювання температури, коли вона опускається нижче 0 ° C (або 32 ° F, точки замерзання води), навіть незважаючи на те, що всередині склянки не утворився лід. Через пару хвилин перебування води в мензурці при температурі нижче точки замерзання води підніміть мензурку зі столу. Якщо демонстрація була успішною, деревину слід заморозити до мензурки. Запитайте учнів, скільки енергії може знадобитися для цього на моль води. Скажіть їм, що їм потрібно розробити спосіб вимірювання, скільки тепла поглинається при розчиненні цієї солі на грам солі.

Частина 2: Проектування калориметра

Після демонстрації попросіть студентів прочитати «Чекай, що саме сталося»? Робочий аркуш. Після того, як вони закінчили читати довідкову інформацію, студенти повинні відповісти на запитання робочого аркуша. Далі обговоріть місця, де може втрачатися тепло, наприклад повітря, стіл або навіть калориметр.
Покажіть класу матеріали, доступні для їх дизайну калориметра.
Під час занять обговоріть деякі якості різних матеріалів. Чим паперова чашка відрізняється від пінопластової? Чим фольга відрізняється від повсті?
Розділіть студентів на групи по 2-3 і запропонуйте їм обдумати ідеї щодо того, що, на їхню думку, було б найбільш ефективним калориметром. Нехай кожна група розробить калориметр на папері, використовуючи наявні у них матеріали.
Переконайтеся, що пристрої здійсненні. Якщо це не так, скеруйте студентів продовжувати думати і проектувати. Можливий пристрій повинен вміти утримувати воду і бути виготовленим із чогось дещо ізолюючого. Можливо, для дизайну слід використовувати чашку. Переконайтесь, що кожна група включає точки доступу для термометра та приладу для перемішування. Підпишіться на можливі проекти. Див. Малюнок 2 для зразка калориметра. Рисунок 2. Приклад калориметра, виготовленого студентом.

Словник/Визначення

адіабатичний: Не проводить тепло, Q = 0. Непроникний для тепла

калориметр: прилад, призначений для вимірювання переданої енергії або тепла.

калориметрія: застосовуване калориметр.

теплоємність з постійним тиском: (Ср) Кількість енергії, необхідна для підвищення або зниження заданої кількості речовини на одну одиницю температури при постійному тиску.

ентальпія: спеціальне значення, що використовується в техніці для опису кількості енергії в системі, включаючи тиск і об'єм, щодо еталонного стану.

врівноважити: перейти до рівноваги; прийти до збалансованого, стабільного стану.

тепло: енергія, що передається між двома системами в результаті різниці температур.

теплота розчину: енергія, що утворюється або витрачається при розчиненні однієї речовини в іншій.

Оцінка

Мозковий штурм: нехай студенти беруть участь у відкритих дискусіях. Нагадуйте студентам, що жодна ідея чи пропозиція не є „дурними”. Усі ідеї слід чути з повагою. Заохочуйте дикі ідеї та стримуйте критику ідей. Перш ніж показувати учням доступні витратні матеріали, нехай учні починають думати про те, як зробити калориметр найбільш ефективно. Якщо вони використовують скляну банку проти пластикової ємності проти паперової або пінопластової чашки. Дайте їм час придумати як дикі, так і реальні ідеї, щоб вони почали мислити як інженери.

Робочий аркуш: Попросіть студентів закінчити Очікування, що саме сталося? Робочий аркуш. Перегляньте їх відповіді, щоб оцінити рівень їхнього володіння предметом.

Вбудована оцінка діяльності

Ваш робочий аркуш калориметра та ви: нехай студенти заповнять робочий аркуш вашого калориметра та вашої лабораторії. Перегляньте їх відповіді, щоб оцінити рівень їхнього володіння предметом.

Робочий аркуш: Попросіть студентів заповнити аркуш оцінювання та вдосконалення. Перегляньте їх відповіді, щоб оцінити рівень їхнього володіння предметом.

Питання безпеки

Студенти повинні використовувати рукавички та окуляри при використанні солі. Нагадуйте студентам, щоб вони не їли KCl і не натирали їм очі.

Поради щодо усунення несправностей

KCl може зібратися великим шматком і потребуватиме розбиття. Щоб цього не повторювалося знову і знову, зберігайте його в герметичному контейнері в сухому місці.

Якщо калориметр втрачає занадто багато тепла в оточенні, температура може не помітно змінитися. Спробуйте використовувати більше солі, переконавшись, що вона добре перемішана, і якомога менше торкайтеся калориметра. Ваші руки додають системі тепла.

Розширення діяльності

Щоб додати до діяльності ще один реальний вимір, дайте кожній групі стартову суму підроблених грошей (наприклад, Термодолларів) і вимагайте, щоб вони «купили» кожен предмет. Це накладає певні обмеження на їх конструкції, наприклад, можливість придбати лише дві чашки та один шматок фольги замість трьох чашок та необмежену фольгу.

Масштабування діяльності

Для нижчих класів надайте стандартний план калориметра для перевірки тієї ж реакції.
Для старших класів студенти повинні поговорити з місцевими викладачами коледжів/університетів щодо отримання можливості працювати в лабораторії та використовувати фактичні калориметри для хімічних реакцій.

Список літератури

Міністерство енергетики США, Управління науки, Національна лабораторія прискорювачів Фермі, 29 січня 2004 р., Доступ 15 листопада 2009 р. Http://www.fnal.gov/pub/today/archive_2004/today04-01-29.html

Вкладачі

Програма підтримки

Подяка

Зміст цієї навчальної програми з цифрових бібліотек був розроблений за допомогою гранту Фонду вдосконалення системи вищої освіти (FIPSE), Міністерства освіти США та гранту Національного наукового фонду GK-12. 0338326. Однак цей зміст не обов'язково відображає політику Департаменту освіти або Національного наукового фонду, і ви не повинні приймати схвалення з боку федерального уряду.

Востаннє змінено: 23 вересня 2019 р