-
1969 ?y
UN1VERZITET L NOVOM SADLPR1RODNO-M ATEM ATI^KI
FAKL'LTETDEPARTMAN ZA H Z I K l
i i ilv.
21 10 2010
Eksperimenti iz termodinamikeu nastavi fizike za osnovnu
skolu
-MASTER RAD-
MENTOR:dr Sonja Skuban
KANDIDAT:prof. Zeljka Tomasev
Novi Sad, 2010. godine.
-
fEl(Sperimenti iz termodinamikg u nastavi fizike za osnovnu
s
l.Uvod 32. Termodinamika u nastavi fizike za 7. razred osnovne
skole 4
2.1. Unutrasnja energija i kretanje molekula 62.2. Temperatura i
srednja kineticka energija 82.3. Merenje temperature 9
2.3.1. Bazdarenje termometrapo Celzijusovoj skali 112.4.
Toplotno sirenje 12
2.5. Kolicina toplote. Speciflcni toplotni kapacitet 132.6.
Toplotni bilans i opsti zakon odrzanja energije 142.7. Fazni
prelazi 15
2.7.1. Topljenje i ocvrscavanje 152.7.2. Isparavanje i
kondenzovanje 172.7.3. Sublimacijai resublimacija 17
2.8. Prenosenje toplote 183. Eksperimenti u nastavi fizike '.
19
3.1. Merenje temperature mesavine tople i hladne vode posle
uspostavljanjatermodinamicke ravnoteze 20
3.2. Eksperimenti za dodatnu nastavu 213.2.1. Provodenje toplote
kroz cvrsta tela 213.2.2. Provodenje toplote kroz cvrsta tela
razlicite vrste materijala 223.2.3. Strujanje toplote kroz tecnosti
223.2.4. Prenosenje toplote zracenjem 233.2.5. Bazdarenje
termometra 233.2.6. Sirenje cvrstih tela pri zagrevanju i
skupljanje pri hladenju 243.2.7. Uporedivanje toplotnog kapaciteta
vode i celicnih opiljaka 253.2.8. Pretvaranje unutrasnje energije u
rad 25
3.3. Jednostavni ogledi 263.3.1. Kondenzovanje vodene pare ili
kako napraviti kisu 263.3.2. Kako napraviti maglu 263.3.3. Kako
napraviti oblak 273.3.4. Kako napraviti inje 273.3.5. Balon koji ne
puca 28
3.4. Kompjuterske simulacije laboratoryskih vezbi i virtualni
eksperimenti 283.4.1. Odredivanje specificne toplote cvrstog tela
293.4.2. Odredivanje toplote isparavanja vode 293.4.3. Ponasanje
idealnog gasa pri promeni temperaturte, pritiska ili
zapremine 304. Zakljucak 315. Literatura... ...32
Page 2
-
"Eksperimenti iz termodinamikg u nastavifizike za osnovnu
1. Uvod
U ovom radu su obradeni eksperimenti iz oblasti termodinamike u
nastavi fizike uosnovnoj skoli. Prvi put se sa toplotnim pojavama
ucenici susrecu na casovima ,,Svet okonas" i ,,Priroda i drustvo".
Tada se upoznaju sa faznim prelazima i agregatnim stanjima, kao isa
provodenjem toplote kroz razlicite supstance.
Toplota kao tema ozbiljnije se obraduje u sedmom razredu osnovne
skole i to u 11nastavnih jedinica. Od toga su 3 casa obrade novog
gradiva:
1. Cesticni sastav supstancije. Molekuli i njihovo haoticno
kretanje. Unutrasnja energija itemperatura.
2. Toplotno sirenje tela. Pojam i merenje temperature.3.
Kolicina toplote. Specificni toplotni kapacitet. Toplotna
ravnoteza.
Sedam casova je predvideno za ponavljanje gradiva i racunske
zadatke, a samo jedancas za laboratory sku vezbu i to:
1. Merenje temperature mesavine tople i hladne vode posle
uspostavljanjatermodinamicke ravnoteze.
Obzirom da se moze izvesti puno eksperimenata iz ove oblasti oni
se mogu uraditi nacasovima planiranim za dodatnu nastavu.
Malo vremena je ostavljeno i za teoriju iz ove oblasti pa se
radoznalini ucenicima mozeprosiriti gradivo i mogu im se pruziti
dodatna objasnjenja. Za ucenike koji iz ove teme zele dasaznaju
vise predvidene su lekcije kao sto su fazni prelazi, prenosenje
toplote i druge. U raduce ove lekcije biti napisane kosirn slovima,
kao i kratke biografije naucnika.
Za ovih 11 casova ucenici bi trebali da nauce [12]:*S da telo
osim kineticke i potencijalne energije ima i unutrasnju energiju*J*
da su temperatura i unutrasnja energija usko povezane sa brzinom
kretanja
molekulaJ da se pojam toplote odnosi na razmenu energije, a da
on nema smisla ako
razmene energije nemaJ da koriste formulu i jedinicu mere za
temperaturu*t da koriste formulu i jedinicu mere za specificni
toplotni kapacitet [12].
Page 3
-
'E^sperimenti iz termodinamike u nastavifizike za osnovnu
st(pfu
2. Termodinamika u nastavi fizike za 7. razred osnovne skole
Termodinamika je grana fizike koja proucava toplotne procese.
Rec je grckog poreklai znaci: Otp/JA] ftoplota) i Suvctfjig (snaga,
sila, sposobnost). Ona istrazuje toplotnu ravnotezusistema i
pretvaranjem toplotne energije u neke druge vidove energije.
Proucava protoktoplotne energije i nacin na koji ona stvara
mehanicki rad [5].
Naucna istrazivanja toplotnih pojava zapoceta su u 18. veku.
Pocetkom 19. vekaengleski fizicar Dzejms Dzul (si. 2.1) shvatio je
pravu prirodu toplotnih pojava i tada je doslodo znacajnog razvoja
termodinamike u pokusajima da se usavrsi rad parne masine.
Toplotnepojave konacno je objasnio Ludvig Bole man (si. 2.2) uz
pretpostavku da se materija sastojiod atoma. Ova teorija za to
vreme je bila vrlo radikalna i slabo prihvacena cak i u
naucnimkrugovima [15].
James Prescott Joule(1818-1889) engleski fizicar i pivar. Ucenik
Dzona Daltona.Proucavao je toplotu i njenu vezu sa mehanickim
radom. Stodoprinosi definisanju i principa termodinamike. Jedinica
mere zaenergiju dobila je naziv po njemu. Saradivao je pri
istrazivanju salordom Kelvinom [16].
(si. 2.1. James Prescott Joule)
Ludwig Boltzmann(1844-1906) austrijski fizicar, jedan od
osnivaca statistickemehanike. Zakone termodinamike objasnjavao je
pretpostavkom opostojanju atoma. Definisao je entropiju kao meru
neuredenostisistema [17].
(si. 2.2. Ludwig Boltzmann)
Znacaj termodinamike je u tome sto povezuje makroskopske procese
u sisteme sanjihovim mikroskopskim osobinama, kao i u sirokoj
primeni u svakodnevnom zivotu.
Termodinamicki procesi su pojave izazvane toplotnim kretanjem
mikrocestica.
(si. 2.3. Prikaz atoma)
Page 4
-
'E^sperimenti iz termodinamikg u nastavifizike za osnovnu
William Thomson- lord Kelvin(1824-1907) engleski fizicar.
Postavio teoriju elektricnih oscilacija,usavrsio prenosenje signala
kroz podmorski kabel, konstruiasaoaparat za merenje plime i oseke,
usavrsio marinski kompas. Pokusaoje da izvrsi procenu starosti
Zemlje. Po njemu je jedinica mere zaapsolutnu temperaturu dobila
naziv [22].
100
-273,
(2.2.2. William Thomson- lord Kelvin)
37316 Vrednost jednog podeoka Celzijusove skale odgovara
jednompodeoku Kelvinove skale (si. 2.2.3). Promena temperature
jejednakau obe skale (2.2.4).
AT=At (2.2.4)Veza izmedu temperature izrazene u Kelvinovoj i
Celzijusovoj
0 skalijef 2.2.5;:; t=(-273)C (2.2.5)
273.16
T=(273\ K
(sl.2.2.3. Uporedna skala Kelvina i Celzijusa)
Or
2.3. Merenje temperature
Prvi zabelezeni pokusaj da se definise temperaturna skala bio je
u drugom veku prenove ere.
Klaudije Galen(129-200. p.n.e.) rimski lekar ifilozofje napravio
podelu na cetiri razlicitastepena telesne temperature. Stepeni su
bill podeljeni u zavisnosti oddejstva lekova na ljudski organizam.
Uveo je i neutralnu temperaturu tj.nulti stepen [23].
(si. 2.2.4. Claudius Galenus)
Prvi uredaj za merenje temperature napravio je Galileo Galilej
u16. veku. Ovaj termometar se sastoji od staklenog cilindra
saprovidnom tecnoscu u koju su zaronjeni tegovi razlicite
prosecnegustine. Galilej je prvi primetio da se gustina supstancije
men/asa promenom temperature, (sl.2.2.6) Obzirom da nije
imaopodeoke niti skalu to je vise bio termoskop. Prvi
pravitermometar napravila je Firentinska naucna akademija
1650.godine, kada i pocinje polemika kako napraviti
najadekvatnijuskalu za merenje temperature [24].(si. 2.2.5.
Termoskop) (si.2.2.6. Skica termoskopa)
Page 9
-
'Efaperimenti iz termodinami^e u nastavifizi^e za osnovnu
sfotu
2.4. Toplotno sirenje
Sva tela se pri zagrevanju sire, a pri hladenju skupljaju. Ova
pojava se naziva toplotnosirenje tela. Dobar primer za to su zice
na dalekovodima, sine kod pruge, nivo tecnosti sepodize pri
zagrevanju i tako dalje. Pri zagrevanju se najvise sire gasovi,
nesto manje se siretecnosti, a najmanje cvrsta tela. Ova pojava je
u nekim situacijma korisna, a u nekim sterna.
Kod cvrstih tela se javljaju zapreminsko i Hnearno sirenje tela.
Kod tela cije su svedimenzije priblizne sirenje je zapreminsko, tj.
podjednako u svim pravcima. Izrazeno sirenjepo jednoj dimenziji kao
sto je kod zica sipki, poluga naziva se Hnearno sirenje. Pojava
sejavlja kod tela cija je jedna dimenzija puno veca od ostalih. Na
koji nacin se telo prizagrevanju siri, na isti nacin se telo pri
hladenju skuplja [8].
Kod tecnosti je sirenje i skupljanje uglavnom zapreminsko, tj.
zavisi od oblika suda ukome se tecnost nalazi. Obzirom da su
medumolekulske veze u tecnostima slabije nego kodcvrstih tela
sirenje je u nekim slucajevima i do 10 puta vece. Ne sire se
podjednako ni sve
tecnosti kao ni sva cvrsta tela, neka se sire vise a neka manje.
Izuzetak u promeni dimenzijausled promene temperature javlja se kod
vode i ova pojava se naziva anomalija vode. Naimevoda se pri
hladenju skuplja do 4 C kada joj je i najmanja zapremina, a najveca
gustina, dokse na nizim temperaturama od 4 C pocinje siriti. To je
i razlog sto kockice leda plutaju napovrsini vode [8].
Kod gasova se pri zagrevanju zapremina najvise povecava, a pri
hladenju najvisesmanjuje. To se desava ako gas moze slobodno da se
siriti i skuplja jer zauzima zapreminuposude u kojoj se nalazi.
Razlog tome je slobodno kretanje molekula i
najslabijemedumolekulske veze od svih agregatnih stanja. Ova se
pojava primecuje na naduvanimtelima kao sto su baloni i lopte koji
se preko leta danju, kada je visa temperatura, cine jacenaduvani, a
nocu slabije (si.2.4.1). Lako se moze primetiti smanjenjezapremine
balona ako se on stavi u rashladni uredaj na kratko vremekao i
povecanje zapremine kada se vrati na sobnu temperaturu.Eksperiment
se moze izvesti i u kucnim uslovima. Zbog sirenjavazduha
automobilske gume se slabije pumpaju leti nego zimi [6].
(sl.2.4.1.Crtez lopta)
Balon leti jer je zagrejani vazduh redi od nezagrejanog pa ide
nagore (sl.2.4.2).
(si. 2.4.2. Leteci balon)
Page 12
-
(Eksperimenti iz termodinami^e u nastavifizikg za osnovnu
sfcpfu
2.5. Kolicina toplote. Specificni toplotni kapacitet
Pri kontaktu dva tela razlicite temperature dolazi do razmene
toplote. Toplotnarazmena je proces pri kome se menja unutrasnja
energija oba tela. Bez procesa prenosenjaenergije nema smisla
govoriti o pojmu toplote.Kolicina toplote je energija koju telo
prima ili otpusta u procesu toplotne razmene.
Oznaka za toplotu je Q, jedinicamere
Q=m-c-(T2- (2.5.1)
Ova relacija (2.5.1) je znacajna jer povezuje pojam kolicine
toplote sa promenomtemperature. U svakodnevnom zivotu se dosta
cesto mesaju ova dva pojma. Do sredine 19.veka, do postavljanja
termodinamickih zakona, nije se javila potreba za
njihovimpreciziranjem i razdvajanjem. Temperatura je svojstvo tela
i pokazuje sa kog tela na koje ceprelaziti toplota, a toplota je
energija koja se razmenjuje izmedu dva tela razlicite
temperature[2].
c - specificni toplotni kapacitet [c] =J/kgK - jedinica mere
Specificni toplotni kapacitet je kolicina toplote potrebna
dovesti telu mase 1 kg,da bi mu se temperatura podigla za 1 K ili 1
C.
Ako su dva tela napravljena od iste supstancije i za istu
vrednost im menjamotemperatura AT, telu koje ima vecu masu,
neophodna je dodati vecu kolicinu toplote da bi sezagrejalo, nego
telo manje mase. Ako su dva tela iste masu od istog materijala,
potrebna jeveca kolicina toplote za ono telo ciju temperatura
hocemo da promenimo za vecu vrednostAT.
Specificni toplotni kapacitet ima razlicitu i tacno odredenu
vrednost za svakusupstanciju. Telo manjeg toplotnog kapacitet brze
se zagreva i brze hladi.
Cvrsta tela uglavnom imaju manji toplotni kapacitet nego
tecnosti. Cak i istasupstancija kada je u razlicitom agregatnom
stanju ima razlicit specificni toplotni kapacitet.Vecina
supstancija ima manji toplotni kapacitet od vode, zbog njene
speciflcne strukturemolekula. Zato voda ima vaznu ulogu u
temperaturnoj regulaciji i veoma je korisna supstancaza hladenje
(rashladni sistemi automobila i drugi uredaji). Na primera balona
napunjenogvazduhom i vodom kojima se priblizi sibica moze se
primetiti da je toplotni kapacitet vodeznatno veci od toplotnog
kapaciteta vazduha. Eksperiment je detaljno opisan u 3. delu.
Veliki specificni toplotni kapacitet vode je razlog sto se ona
leti sporije zagreva, a zimisporije hladi pa je u predelima blizu
vode prijatnija temperatura kako leti tako i zimi. UZapadnoj Evropi
klima je znatno blaza nego sto bi bila da nema uticaja tople
Golfske struje,blaza je i od kontinentalnih predela na istoj
geografskoj sirini [3].
Da bi se uporedila velicina toplotnog kapaciteta vode i drugih
supstancija tabelarno suprikazane neke vrednosti (tabela
2.5.1.).
Page 13
-
'Experiment! iz termodinamikg u nastavifizifce za osnovnu
(tabela 2.5.1. Neke vrednosti specificnog toplotnog
kapaciteta)SUPSTANCA
vodaalkoholledaluminijumstaklo
c [J/kg-K]420025002100880800
SUPSTANCAgvozdecinkbakarzivaolovo
c [J/kg-K]460380280140130
2.6. Toplotni bilans i opsti zakon odrzanja energije
Jedan od najvaznijih eksperimenata iz oblasti toplote izveo
jeDzejms Dzul. U torn ogledu meri se povisenje temperature
tecnostinad kojom se izvrsi neki rad (sl.2.6.1). Tim putem on je
odrediozavisnost izvrsenog rada i dobijene kolicine toplote na
osnovu cega jedefinisan Prvi zakon termodinamike.
(sl.2.6.1. Dzulov eksperiment)
Energija uvek prelazi sa tela vise na telo nizetemperature.
Toplija tela predaju toplotu, a hladnija je primaju.Led hladi tako
sto prihvata toplotu od tecnosti. Do toplotnerazmene dolazi sve do
momenta dok se temperature ne izjednacetj. dok ne docte do toplotne
ravnoteze tela. Tada su oba tela naistoj temperaturi (sl.2.6.2).
(sl.2.6.2.uspostavljanje ravnoteze)
Toplotni balans tj. zakon odrzanja energije glasi:Ukupna
kolicina toplote koju telo vise temperature predaje pri toplotnoj
razmenijednaka je ukupnoj kolicini toplote koje telo nize
temperature pri toj razmeni primi.(2.6.1)
Jednacina toplotnog balansa glasi:
vpredato vprimljeno (2.6.1)
Sto je u skladu sa opstim zakonom odrzanja energije, koji
glasi:Energija se ne moze ni stvoriti ni unistiti, vec se samo moze
preneti sa jednog tela nadrugo Hi prebaciti iz jednog vida u
drugi.
Page 14
-
(Eksperimenti iz termodinamifig u nastavifiziks za osnovnu
s^ofu
2.7. Fazni prelazi
HEAT ENERGY TAKEN FROM ENVIRONMENT
Sublimation
Melting Evaporation
Ice Freezing CondensationLiquid
Deposition***a(&^ :::
HEAT ENERGY RELEASED TO ENVIRONMENT
Vapor
(sl.2.7.1. Fazni prelazi)U kom agregatnom stanju ce se
supstancija nalaziti zavisi od njene temperture i
pritiska. Promenom pritiska i temperature moze da se men/a
stanje tj. faza supstancije(sl.2.7.1). Prelazak tela iz jednog u
drugo agregatno stanje naziva se fazni prelaz. To suprocesi u
kojima dolazi do nagle promene fizickih svojstava supstancije kao
sto su: gustina,unutrasnja energija i druge. U fazne prelaze spada:
topljenje, ocvrscavanje, kondenzovanje,isparavanje, sublimacija i
resublimacija.
2.1 A. Topljenje i ocvrscavanje
Cvrsta tela se razlikuju od tecnosti i gasova (fluida) po tome
sto imaju stalan oblik izapreminu i odupiru se deformaciji. To je
najvisi oblik organizacije supstancije.Zagrevanjem, cvrsta tela
prelaze u tecno stanje, topljenjem Hi rede mogu da
predusublimacijom direktno u gasovito stanje.Cvrsta tela delimo
na:1. Kristalna2. Amorfna
Osim razlika u strukturi ifizickim karakteristikama razlikuju se
i po nacinu na koji setope tj. menjajufazu.
Kristalne supstancije imaju trodimenzionu periodicnu
strukturutj. prostornu uredenost (sl.2.7.2). Oblik resetke moze
biti: kocka,kvadar, piramida i drugi.
(si. 2. 7.2. Struktura kristala) JP5%>|&S%9||
X^CAiV^ D,M 1 r
-
(Ef^sperimenti iz termodinamikg u nastavifizil^e za osnovnu
s^
Jedna ista supstancija se moze naci u vise alotropskih
modifikacija koje imaju razlicitefizicke osobine. Primer za to je
ugljenik koji moze biti u formi grafita, dijamanta (sl.2.7.3)
ifuleren C^o (si. 2.7.4).
(si.2.7.3.Struktura dijamanta i grafita) (si.
2.7.4.Strukturafulerena)
Tacka topljenja je temperatura na kojoj kristalne supstance
prelaze u tecnosti.Zagrevanjem u blizini te tacke ne dolazi do
porasta temperature, jer se toplota trosi narazaranje kristalne^
resetke. Povecava se unutrasnja energija sistema. U resetki nastaju
svejace i jace vibracije dok se ona ne raspadne. To je razlog sto
kristali imaju tacno odredenutacku topljenja. Deo dovedene toplote
odlazi i na savladavanje slabih medumolekulskihprivlacnih sila. Tek
kada se kristalna resetka razori i prede u tecnu fazu onda
temperaturaponovo pocinje da raste. Zato je unutrasnja energija
tecnosti veca. Da bi se otopio ledpotrebno je dodati onu kolicinu
toplote kojom bi vodu iste mase, sa temperature 0
Czagrejalido80C[4].
Obrnuti proces od topljenja je ocvrscavanje tj. kristalizacija.
Temperatura na kojoj sevrsi ocvrscavanjeje tacka ocvrscavanja. Na
odredenom pritisku ista su temperatura topljenjai ocvrscavanja za
istu supstanciju. A kolicina toplote koju treba dodati telu mase 1
kg, da bise otopilo, jednakaje kolicini toplote koju od tela treba
odvesti da bi ocvrsnulo.
*-
Amorfne supstancije (sl.2.7.5) imaju nepravilnu struktura,
porasporedu molekula vise lice na tecnost koja se naglo zamrznula
pase cesto nazivaju pothlactene tecnosti. Zagrevanjem ta
neuredenostim se poveceva i postepeno se omeksavaju. Zato nemaju
odredenutacku topljenja. Tipican primer je staklo, a tu spadajujos
i plastika,
V "
kristal secer...(si. 2.7.5. Amorfna struktura)
Kod amorfnih tela nema tacno odrdene tacke topljenja, jer dolazi
do postepenogomeksavanja u odredenom temperaturnom intervalu. Isto
vazi i za ocvrscavanje amorfnihtela.
Page 16
-
'E^sperimenti iz termodinami^e u nastavifizif(e za osnovnu
2.7.2. Isparavanje i kondenzovanje
Isparavanje je prelazak tecnosti u gasovito stanje. Sa
povecanjem temperaturetecnosti povecava se intenzitet njihovog
oscilovanja, sve dok se molekuli ne udalje dorastojanja na kom ne
deluju medumolekulske sile. Ulozena toplota se pretvara u rad
nasuprotprivlacnih medumolekulskih sila. Temperatura se ne men/a
all se povecava unutrasnjaenergija tecnosti pa gasovi imaju vecu
unutrasnju energiju od tecnosti. Do isparavanja uzatvorenom sistemu
dolazi dok se ne uspostavi ravnoteza tj. dok se broj molekula koji
iztecnosti izlazi izjednaci sa broj em molekula koji se u nju
vracaju. Tadaje para iznad tecnostizasicena. Ako je pritisak iznad
tecnosti veci tecnost kljuca na nizoj temperaturi i obrnuto, toje
razlog zasto se stavlja poklopac ako zelimo da neka tecnost brze
provri Hi se odvodi paraako se zeli da se odlozi kljucanje.
U obrnutom procesu, kondenzovanju, ista kolicina energije se
oslobada kao toplotakondenzovanja. Unutrasnja energija gasa opada,
molekuli se usporavaju, rastojanje medunjima se smdnjuje i prelaze
u tecno stanje. Kondenzovanje se takode desava pri
konstantnojtemper aturi [1].
2.7.3. Sublimacija i resublimacija
Pojava prelaska iz cvrste u gasovitu fazu, bez tecne medufaze
naziva se sublimacija.Do sublimacije maze doci pri normalnom
pritisku zagrevanjem supstancije. Obicnosublimiraju supstancije
koje imaju visok naponpare cak i pri normalnim uslovima. Primeri
zasupstance koje lako sublimiraju u normalnim uslovima su sumpor,
jod i suvi led tj. CO? ucvrstom stanju. Cak i led u manjoj meri
direktno isparava. Primer isparavanja ledaje da seves i na
temperaturama ispod nule susi pogotovo ako duva vetar. Sublimacija
se ulaboratorijama koristi za preciscavanje supstancija. Obrnuti
proces je resublimacija. Tu segasovito stanje direktno kristalise i
ocvrsne.
Postoji i cetvrto agregatno stanje plazma koje nastaje
jonizacijom gasova. Dojonizacije moze doci na vrlo visokim
temperaturama Hi na neki drugi nacin, hladnim putem.Plazma ima
slicne osobine gasovitom stanju obzirom da nema stalan oblik ni
zapreminu ali sezbog svojih speciflcnih osobina smatra posebnim
agregatnim stanjem. Tu se atomi razdvajajunaprotone, neutrone i
elektrone teje zato plazma elektro provodljiva. Ona sama kako
celinaje elektroneutralna. Smatra se da je 99% posto svemira
sacinjen od plazme, preostala triagregatna stanja su u svemiru
retkost. Obrnuti proces od jonizacije je rekombinacija.Slobodni
elektroni se vezuju sajonima i nastaju neutralni atomi [10].
Page 17
-
T, U pokusaju da objasne provodenje toplote naucnici suuveli
pojam kalorije. Smatrali su da izmedu dva tela
razlicitetemperature, kada su u neposrednom dodiru, prolazi
nevidljivifluid, nazvan "kalorija" i da se na taj nacin njihove
temperatureizjednace. Model "kalorija" je u ono vreme uspevao da
objasnimnoge toplotne pojave [2].
(sl.2.8.1.Prenosenje toplote)
Toplotna energija se prenosi kada postoji razlika u temperaturi.
Toplota prelazi sa telavise na telo nize temperature i to se desava
sve dok se temperature ne izjednace tj. ne dode dotoplotne
ravnoteze.
Toplota se prenosi na tri nacina (sl.2.8.2):1. provodenjem2.
strujanjem3. zracenjem
Convecfcn '
fc m Radiation
(sl.2.8.2. Nacin prenosenja toplote)Provodenjem se toplota
prenosi u cvrstom agregatnom stanju. Toplota se provodi
razlicitom brzinom u razlicitim cvrstim sredinama. Razlika
utoplotnoj provodljivost tela se lako moze uociti i kada
jednomnogom stojimo na plocicama, a drugom na parketu
(sl.2.8.3).Keramika je bolji toplotni provodnik pa se cini kao da
visehladi za razliku od drveta koji je bolji toplotni izolator.
(si. 2.8.3. Razlika u provodenju toplote)Toplotno provodenje je
brze ako je veca temperaturna razlika i ako je veca povrsina
kroz koju se toplota prenosi. Metali su dobri provodnici dok su
amorfne supstancije, kao stosu plastika staklo i guma dobri
toplptni izolatori. Zato nam se metali uvek cine hladni. Uprocesu
provodenja toplote molekuli ne napustaju svoj polozaj, prenosi se
samo energija sajednog molekula na drugi.
Prenos toplote strujanjem je pojava do koje dolazi kada
fluidrazmenjuje toplotu unutar zatvorenog sistema, prostim
mesanjem(konvekcijom) materije (sl.2.8.4). Ovaj proces odvija se
pod uslovomda postoji razlika u temperaturi unutar samog fluida.
Ukoliko se sudsa vodom zagreva odozdo, donji slojevi vode, usled
zagrevanja, ^- -; postaju specificno laksi i struje navise, a
gornji hladniji slojevi padajuna dno suda. Strujanje se na isti
nacin desava i u gasovima. (sl.2.8.4.Strujanje)
Toplotno zracenje predstavlja prenosenje toplote sa jednog tela
na drugo bezucestvovanja materije. Sunce emituje svoje toplotne
zrake, a da se pri torn ne zagreva prazankosmicki prostor
(sl.2.8.5). Dok pri provodenju toplote i pri strujanju ucestvuje
materija itoplota se prenosi preko molekula od mesta vise do mesta
nize temperature, pri zracenju se
Page 18
-
'Eksperimenti iz termodinamike u nastavi fizike za osnovnu
energija prenosi u obliku toplotnih zraka. Svako telo emituje
toplotu zracenjem i ona je visaukoliko je telo na vecoj
temperaturi.
(si. 2.8.5. Suncevi zraci)
3. Eksperimenti u nastavi fizike
,,Sve sto znamo o stvarnosti proisticeiz ogleda i zavrsava se
njime."(Ajnstajn)
Eksperiment ill ogled je proucavanje prirodnih pojava u posebno
pripremljenim ikontrolisanim uslovima.
Pre Galileja prirodne pojave su posmatrane i izucavane samo u
momentu kada sedogadaju u prirodi i najcesce su bile predstavljene
samo njihovim opisivanjem. Kako su takvaizucavanja bila neefikasna
Galilej je zapoceo izazivanje prirodnih pojava u vestackimuslovima,
koje su se mogle kontrolisati i mogli su da se eliminisu neki
nepozeljni faktori.Pokazalo se da je takav nacin istrazivanja
znatno brzi i efikasniji.
Eksperiment je najpogodniji nacin za posmatranje i proucavanje
fizicke pojave. To jeosnovno sredstvo u nastavi fizike i ispunjava
jedan od vaznih didaktickih principa, principociglednosti. Ovaj
princip se u nastavi fizike moze ostvariti posmatranjem
eksperimenata irazlicitih ociglednih sredstava: slika, maketa
multimedijalnih sredstava itd.
Znacaj eksperimenta je u tome sto pri izvodenju ucenici sticu
naviku da iz posmatranihpojava izvlace najbitnije detalje. Osim
toga ucenici postaju sistematicni i analiticki pristupajuzadacima.
Posredstvom takvog rada ucenici formiraju odredene navike,
povecavajuodgovornost, ozbiljnost i preciznost u resavanju
konkretnih problema. To je dobra pripremaza buduce zanimanje,
praksu i zivot uopste. Nije zanemarljiv ni vaspitni deo
znacajaeksperimenta u nastavi. Nastavna sredstva treba da su uredno
pripremljena i poredana, asveska za laboratoryske vezbe pregledna
[35].
Danas se u nastavi fizike eksperimenti mogu izvoditi na cetiri
nacina:
1. demonstracioni eksperiment2. frontalna laboratory ska vezba3.
fizicki praktikum4. eksperimenti u okviru vannastavnih
aktivnosti
Demonstracioni eksperiment najcesce izvodi nastavnik, a
istovremeno ga posmatraju sviucenici u razredu. To je aktivan
proces koji je usmeren ka nekom cilju. Uvek se kombinuje sausmenim
predavanjem nastavnika i obicno se izvodi pri izlaganju novog
gradiva.
Frontalni eksperimenata se izvodi u grupama od po 3 do 5
ucenika, sa potpuno istimpriborom. Na osnovu koga ucenici dolaze do
izvesnih zakljucaka ili formulacije zakona.
Page 19
-
'Efaperimenti iz termodinamifie u nastavifizi^e za osnovnu
slight
3.2.2. Provodenje toplote kroz cvrsta tela od
razlicitogmaterijala
ZADATAK VEZBE:* Proveriti razliku provodenje toplote kroz
metalne sipke od razlicitog materijala.
POTREBAN PRIBOR:1. sveca2. metalne sipke od bakra, aluminijuma,
bronze, nikla i celika3. stalak
POSTUPAK:Metalne sipke vezati za zajednicko srediste.
* Kapljice voska naneti na krajeye metalnih sipkiSipke flksirati
za stalakUpaliti svecu i postaviti je u srediste sipki (si.
3.2.2)
(si. 3.2.2. Provedenje)
ANALIZA EKSPERIMENTA:*J Vidimo da se toplota razlicitom brzinom
prenosi kroz razlicite metale. Najpre otpada
vosak sa bakra pa sa aluminijuma, bronze, nikla i na kraju sa
celika. Zakljucujemo dasu neki metali bolji, a neki losiji
provodnici toplote [28].
3.2.3. Strujanje toplote kroz tecnostiZADATAK VEZBE:
*J Proveriti Strujanje toplote kroz tecnosti.
POTREBAN PRIBOR:> casa tople vode> obojeni led
* (sl.3.2.3.Strujanje)POSTUPAK:
J* U casu sa toplom vodom ubaciti kocku leda u boji i posmatrati
sta se dogada. (sl.3.2.3)
ANALIZA EKSPERIMENTA:J Led se topi i molekuli boje odlaze na dno
case. Do strujanja dolazi jer im je
temperatura niza od vode u casi pa imaju vecu specificnu tezinu
[29].
Page 22
-
'El^sperimenti iz termodinamike u nastavifizil{e za osnovnu
POSTUPAK RADA:Napraviti smesu vode i alkohola i obojiti
jeProbusiti cep i provuci slamku (si. 3. 2. 5)Flasu zaroniti u led
i odrediti nulti podeokFlasu staviti u zagrejanu vodu i pomocu
termometra odrediti vise podeoke
ANALIZA EKSPERIMENTA:*> Za bazdarenje Celzijusove skale
koristi se sirenje tecenosti pri zagrevanju i skupljanje
pri hladenju. Za nultu tacku termometra uzima se temperatura
mrznjenja vode, a ostaletacke se odreduju pomocu termometra
[32].
3.2.6. Sirenje cvrstih tela pri zagrevanju i skupljanje
prihladenju
ZADATAK VEZBE:* Pokazati zapreminsko sirenje kuglice pri
zagrevanju i skupljanje pri hladenju.
POTREBAN PRIBOR:1. sveca ili spiritusna lampa2. metalna
kuglica3. stalak sa prstenom
POSTUPAK:J Metalne kuglicu provuci kroz metalni prsten*J Upaliti
svecu i postaviti je ispod prstena i zagrevati izvesno
vremc
J Pokusati ponovo da provuci kuglicu kroz obruc (si. 3.2.6)t*
Ponoviti kad se kuglica ohladi
ANALIZA EKSPERIMENTA: (si 3.2.6. Toplotno sirenje)Primecujemo da
se kuglica nakon zagrevanja rasirila i ne moze da prode kroz
prstenkroz koji je pre zagrevanja bez problema prolazila. Kada se
ohladi kuglica ponovouspeva da prode [6].
Page 24
-
'E^sperimenti iz termodinamike u nastavifizike za osnovnu
s^pfu
ANALIZA EKSPERIMENTA:** Vodena para vrsi rad nad vetrenj acorn,
okrece je i podize spajalicu. Unutrasnja
energija se pretvara u mehanicki rad [2].
3.3. Jednostavni ogledi
3.3.1. Kondenzovanje vodene pare ill kako napraviti kisu
Potreban pribor:1. staklena tegla2. tanjiric3. toplavoda4.
led'
Izvoflenje ogleda: (si.3.3.1.Kondenzovanje)*3 Sipati toplu vodu
u staklenu teglu do trecine. Pokriti teglu tanjiricem i
sacekati
nekoliko minuta. Staviti led na tanjiric i posmatrati sta se
desava. (si.3.3.1)
Analiza eksperimenta:* Na hladnom tanjiricu kondenzuje se vodena
para iz prostora iznad vode. Nastaju
vodene kapljice. Tako nastaje kisa u atmosferi. Topao vlazan
vazduh se penje, a uvisim slojevima atmosfere se hladi. Vodena para
se kondenzuje. Kada nastale kapljicedostignu odrdenu velicinu
padaju na zemlju u obliku kise [14].
3.3.2. Kako napraviti maglu
Potreban pribor:1. staklena tegla2. cediljka za caj3. voda4.
kocke leda
(si. 3.3.2. Magla u tegli)Izvodenje ogleda:
* Napuniti staklenu teglu toplom vodom i ostavi je u njoj kratko
vreme. Isprazniti skorocelu teglu, ostaviti do oko 5 cm. Staviti
cediljku na teglu. U cediljku staviti nekolikokocki leda
(5/JJ.2.;
Page 26
-
(E^sipenmenti iz termocfinamike u nastavifizif(e za osnovnu
skoCu
Objasnjenje:* Zasto se to dogodilo? Ako se posuda hladi vlaga iz
vazduha se kondenzuje na njenim
zidovima. Daljim hladenjem posude kapljice rose se zamrzavaju,
stvarajuci inje [14].
3.3.5. Balon koji ne pucaPotreban materijal:
*t dva balona* casavode*> sibica ili upaljac
(si. 3.3.5. Balon koji ne puca)Izvodenje ogleda:
J* Prvi balon naduvati i pribliziti plamenu, u drugi balon
sipati vodu i prineti plamenu.
Objasnjenje:*J* Naduvani balon puca jer se vazduh u njemu naglo
siri. Balon ispunjen vodem ne puca
cak ni posle duzeg drzanja nad plamenom jer voda ima velik
specificni toplotnikapacitet^/J.3.5; [36].
3.4. Kompjuterske simulacije laboratorijskih vezbi i
virtualnieksperimenti
Ovi eksperimenti su predvideni da se praktikuju u nastavi fizike
u slucajevima kada nemaopreme ili je iz nekog razloga pogodnije da
se eksperiment uradi na ovaj nacin.Multimedijalna radionica za
izradu edukativnog softvera, ,,Kvark medija" je izradilaprograme za
sesti, sedmi i osmi razred osnovne skole na kojima su testovi i
raznelaboratory ske vezbe pomocu kojih se moze izvoditi
programirana nastava. U laboratory skimvezbama su date jasne
instrukcije za rad. Obzirom da su vezbe predvidene na kraju
tematskeoblasti, zahtevaju temeljnu pripremu ucenika kako i
poznavanje formula pa one nisu date usamoj vezbi.
Page 28
-
'E^sperimenti iz termodinamikg u nastavifizike za osnovnu
sf(p[u
3.4.1. Odredivanje specificne toplote cvrstog telaPostupak
izvodenja vezbe:
J* Ocitati masu i temperaturu tela, zatim ukljuciti grejac i
sacekati da se voda zagreje. Staviti telo u posudu i sacekati da se
sistem uravnotezi.t Iz krajnje temperature i ostalih podataka
izracunati specificni toplotni kapacitet tela
[34].
jji W i
,t ':>i^'tl
(si. 3.4.1. Odredivanje spec, toplote)
3.4.2. Odredivanje toplote isparavanja vodePostupak izvodenja
vezbe:
-
ti iz termodinamiks u nastavifizike za osnovnu sf(p[u
U radu je obradena tema ,,Eksperimenti iz termodinamika u
nastavi fizike". Predstavljen jepregled gradiva i mogucih
eksperimentalnih vezbi. Uvrsteni su eksperimenti koji se rade
vecduzi niz godina i za koje je neophodna oprema, zatim jednostavni
ogledi koji ne zahtevajuposebnu opremu i koji mogu uticati na
poboljsanje ucenickih vestina, manualnih sposobnosti
isamostalnosti, kao i novi, virtualni eksperimenti koji zahtevaju
rad na racunaru sto je mozdapuno blize i zanimljivije danasnjim
ucenicima.
Nazalost gradivo fizike se iz godine u godinu redukuje pa je
smanjen i broj lekcija iztermodinamike. Termodinamika nije samo
znacajna za naucno obrazovanje ucenika nego izbog njene primene u
svakodnevnom zivotu, mozda i najvece od svih oblasti fizike u
tornuzrastu. Ova oblast fizike je zbog velike primene veoma
interesantna za ucenike, a samim timi zainteresovanost za nastavu
se povecava. Cilj ovog rada je da priblizi osnovne pojmovevezane za
termodinamiku i pokaze kolika je vaznost-eksperimenata svih vrsta
uopste u nastavifizike. Uz eksperimente deca lakse savladavaju,
nauce i razumeju nove pojmove i pojave ufizici, narocito ako sami
realizuju jednostavne demonstracione oglede. Time se
izbegavasuvoparnost teorije, brojki i formula sto je za decu tog
uzrasta sa jos nedovoljno izgradenimapstraktnim misljenjem, veoma
bitno. Deca u torn uzrastu najlakse usvajaju nove pojmoveako
"dodirnu", "probaju" i vide kako nesto fonkcionise.
Dodatne lekcije i vezbe mogu se obraditi na casovima dodatne
nastave za ucenike kojizele da prosire znanje. Treba istaci da je
veoma znacajno raditi sa talentovanom decom kojapokazuju
zaiteresovanost za ovu nauku od samog pocetka u smislu njihove sire
edukacije ipripreme za takmicenja. Oni manje zainteresovani mogu se
zainteresovati izvodenjemeksperimenata.
Page 31
-
'E^sperimenti iz termodinamike u nastavifizike za osnoimu
sfiofu
5. Literatura
1. Fizika 7. Udzbenik za 7. razred osnovne skole, Natasa
Calukovic, Krug Beograda,2009.2. The Physics of Everiday Phenomena,
A Conceptual Introduction to Physics, FifthEdition; W. Thomas
Griffith, Pacific University; 2007.3. Eksperimentalne vezbe iz
termodinamike, dr Agnes Kapor, dr Sonja Skuban, dr DraganNikolic; I
izdanje; Novi Sad: Prirodno-matematicki fakultet, Departman za
fiziku, 2008.4. Fizka za 7. razred osnovne skole, sesnaesto
preradeno izdanje, dr Milan Raspopovic,Bojana Nikolic, dr Dragisa
Ivanovic, Jezdimir Tomic, dr Dragomir Krpic, Zavod zaudzbenike i
nastavna sredstva, Beograd, 2002.5. Fizika za 2. razred gimnazije
prirodno matematickog smera, Milan Raspopovic,Svetozar Bozin, Emilo
Danilovic, Zavod za izdavanje udzbenika Beograd, 1991.6. Fizika
udzbenik za 7. razred osnovne skole, dr Jovan P. Setrajcic, dr
Darko V. Kapor,Zavod za udzbenke, Beograd, 2009.7. Fizika udzbenik
za 7. razred osnovne skole, Katarina Stevanovic, Marija Krneta,
BIGZBeograd, 2009.8. Fizika za 7. Razred osnovne skole dr Gojko
Dimic, Dusan Ilic, Jezdimir Tomic, Zavodza udzbenike i nastavna
sredstva, Beograd, 1970.9. Fizika 7, Udzbenik sa zbirkom zadataka i
laboratoryskom vezbama za 7. razredosnovne skole, dr Dusko Latas,
dr Antun Balaz, Novi logos, Beograd, 2009.10. Fizika,
Enciklopedijski leksikon mozaik znanja, Interpres, Beograd,
1972.11. Ilustrovani recnik fizike; Korin Stokli, Kris Okslejd i
Dzejn Verthejm; Zmaj Novi Sad,2008.12. Prirucnik za nastavnike za
7. razred osnovne skole. Milan O. Raspopovic; Zavod zaudzbenike i
nastavna sredstva Beograd, 2005.13. Prirucnik za nastavnike za 6.
razred osnovne skole. Milan O. Raspopovic, DarkoKapor; Zavod za
udzbenike i nastavna sredstva Beograd, 2005.14. Jednostavni ogledi
u fizici za 7. razred osnovne skole; Dusanka Z. Obadovic,
MilicaPavkov-Hrvojevic, Maja Stojanovic; Zavod za udzbenike
Beograd, 2007.15. Uzbenik iz fizike sa zbirkom zadataka za 7.
Razred osnovne skole; Dusan Latas,Antun Balaz; Logos Beograd, II
izdanje 2010.16. http://en.wikipedia.org/wiki/James_Prescott
Joule17. http://en.wikipedia.org/wiki/Ludwig Boltzmann18.
http://en.wikipedia.org/wiki/Demokritos19.
http://en.wikipedia.org/wiki/John Dalton20.
http://en.wikipedia.org/wiki/Robert Brown21.
http://en.wikipedia.org/wiki/James_Clark_Maxwell22.
http://en.wikipedia.org/wiki/William Thomson,_lst Baron Kelvin23.
http://en.wikipedia.org/wiki/Claudius Galen24.
http://en.wikipedia.org/wiki/Galileo Galilei25.
http://en.wikipedia.org/wiki/Daniel_Gabriel Fahrenheit26.
http://en.wikipedia.org/wiki/Anders_Celsius27.
http://www.youtube.com/watch?v=lr AJ7qUkts&feature=related28.
http://www.youtube.com/watch?v=oWjDnNr5T6A&feature=related29.
http://www.youtube.com/watch?v=QBVMm9i-pvo&feature=related30.
http://www.youtube.com/watch?v=E8AvfXar9zs&feature=related31.
http://www.voutube.com/watch?v=Ocydb3TNEqk&feature=related32.
http://www.energvquest.ca.gov/projects/thermometer.html33.
http://www.walter-fendt.de/phl4yu/gaslawjyu.htm
Page 32
-
'Eksperimenti iz termodinamike u nastavifizikg za osnovnu
sftpfu
34. "Kvark medija" http://www.kvarkmedia.co.rs/?q=node/435.
Didaktika fizike, Tomislav Petrovic, Fizicki fakultet, Beograd,
1994.36.
http://www.youtube.com/watch?v=Ocydb3TNEqk&feature=rela
Page 33
-
(Ef(sperimenti iz termodmamikg u nastavifizif^e za osnovnu
sl(pfu
UNIVERSITY OF NOVI SADFACULTY OF SCIENCE AND MATHEMATICS
KEY WORDS DOCUMENTATION
Accession number:ANOIdentification number:INODocument
type:DTType of record:TRContent code:CCAuthor:AUMentor/com
entor:MNTitle:TILanguage of text:LTLanguage of abstract:LACountry
of publication:CPLocality of publication:LPPublication
year:PYPublisher:PUPublication place:PPPhysical
description:PDScientific field:SFScientific discipline:SDSubject/
Key -words:SKWUCHolding data:HDNote:NAbstract:AB
Accepted by the Scientific Board:ASB
Monograph publication
Textual printed material
Master paper
prf. Zeljka Tomasev
Ph.D. Sonja Skuban associate professor
,,Experiments in Thermodynamics in teaching Physics for
ElementarySchool"Serbian (Latin)
English
Serbia and Montenegro
Vojvodina
2010
Author's reprint
Faculty of Science and Mathematics, Trg Dositeja Obradovica 4,
Novi Sad
5/182/32/0/71/0/3
Physics
Experiments in teaching
Temperature, heat, phase transition, Experiments in
Thermodynamics.
Library of Department of Physics, Trg Dositeja Obradovica 4
none
The paper deals with the theme: ,,Experiments in thermodynamics
inteaching physics in elementary School". In addition theoretical
totheoretical lessons, experiments in thermodynamics are added for
bothcomprehensive and extracurricular classes.02.09.2010.
Page 37
-
(El(sperimenti iz termodinamikg u nastavifizike za osnovnu
sfofu
Defended on:DEThesis defend
board:DBPresident:Member:Member:Member:
25. 10.2010.
Ph.d. Agnes Kapor, full professorPh.d. Sonja Skuban, associate
professorPh.d. Milica Pavkov-Hrvojevic, associate professorPh.d.
Zeljka Cvejic, assistant professor
Page 38
F1-55 Zeljka Tomasev 1deo813F1-55 Zeljka Tomasev 2deo814
