eksperimenti iz termodinamike u nastavi fizike za osnovnu školu

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

"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

molekula»J« da se pojam toplote odnosi na razmenu energije, a da on nema smisla ako

razmene energije nema«J» da koriste formulu i jedinicu mere za temperaturu*t» da koriste formulu i jedinicu mere za specificni toplotni kapacitet [12].

'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)

<El(sperimenti iz termodmami^e u nastavifizil^e za osnovnu slight

Da bi razumeli termodinamicke procese neophodno je poznavati gradu materije. Jos jegrcki filozof Demokrit (si. 2.4) smatrao da se materija moze podeliti do neke najsitnije cesticekoja je nedeljiva i nazvao je atom[18]. Ova teorija je bila zaboravljena do 17. veka kada jeponovo dobila svoje pobornike. Engleski naucnik Dzon Dalton (si.2.5) je na osnovupretpostavke o postojanju atoma objasnio strukturu hemijskih elemenata i jedinjenja [19].

Demokritos

(470-360. p.n.e.) grcki filozof-materijalista, poznat kao Nasmejanifilozof. Medu prvim je i najznacajnijim atomistima u istoriji. Cak jeljudsku culnost, emocije i dusu objasnjavao preko atoma. Bio jeLeukipov ucenik, alije u mnogome prevazisao svog ucitelja. Pripadaoje proven filozofa-materijalista. Smatrao je da je kretanje svojstvomaterije [18].

(si. 2.4.f)emokritos)Jon Dalton

(1766-1844) engleski fizicar i hemicar. Svoju prvu skolu otvorio je sasamo 12 godina. Biojepobornikatomisticke teorije. Pretpostavio je daje vodonik najlaksi element i uveo pojam relativne atomske mase.Izmerioje pritisak vodene pare na razlicitim temperaturama. Po njemuje anomalija vida, daltonizam, dobila naziv jer je patio od istoimenebolesti [19].

(si 2.5. Jon Dalton)

Materija se deli na supstanciju i fizicko polje. Supstancija je sacinjena od atoma imolekula. Oni su u stalnom, neprekidnom pokretu u supstanciji.Atom je najsitnija cestica nekog elementa koja zadrzava njegove hemijske osobine. Sastoji seod jezgra i omotaca. (si. 2.3)

U jezgru se nalaze protoni i neutroni, a u omotacu kruze elektroni. Protoni supozitivno naelektrisani, neutroni su neutralni, a elektroni negativni. Kolicina naelektrisanjaprotona i elektrona je ista i iznosi e=l,6-10~19 C, sto je elementarno naelektrisanje. Atom jekao celina elektroneutralan.Masa atoma je skoncentrisana u jezgru jer su mase protona i neutrona priblizne, a 1800 putaveca od mase elektrona[4].

. v . ~ -

<El(sperimenti iz termodmamike u nastavifizikg za osnovnu sfiofu

2.1. Unutrasnja energiia i kretanje molekula

Atomi i molekuli su u stalnom, neprekidnom pokretu u supstanciji. U toku kretanjaoni se stalno medusobno sudaraju i posle sudara menjaju pravac smer i intenzitet brzine. Zbogtoga je kretanje molekula vrlo slozeno.

Kretanje molekula i atoma je haoticno (neuredeno) i naziva se termalno kretanje.

Termalno kretanje je specificno za kretanje atoma i molekula. Za razliku odmehanickog kretanje, gde se posmatra kretanje jednog tela kao celine ill jedne cestice, podtermalnim kretanjem se podrazumeva kretanje velikog broja mikrocestica u telu. Razlicite su isile koje izazivaju ova kretanja. Na mehanicko kretanje uticu spoljasnje sile, a termalnokretanje je uslovljeno medumolekulskim silama.

Zato kazemo da je toplotno kreta'nje poseban vid kretanja koji se desava u telima.

Pojave vezane za toplotno kretanje nazivaju se toplotne pojave.Postoje mnogi primeri u prirodi za ovo kretanje kao sto je sirenje dima po prostoriji,

sirenje mirisa kroz vazduh, spontano mesanje boje sa vodom ili bilo koje dve tecnosti. Kodsvih ovih pojava molekuli jedne supstancije prodiru u drugu, spontano. Do spontanog mesanjacestica dolazi i izmedu dva cvrsta tela samo sto je ovaj proces znatno sporiji [4].

Robert Brown(1773-1858) skotski botanicar prvi je primetio haoticno kretanjemolekula (si.2.1.2) kada je pod mikroskopom posmatrao zrncapolenovog praha u kapi vode. Uocio je da se polen haoticno krece izakljucio daje uzrok takvog kretanja polena sudaranje sa molekulimavode. Zato se ovo kretanje naziva Braunovokretanje [20].

(si. 2.1.1. Robert Brown)•

(si. 2.1.2. Braunovo kretanje)

Medumolekulske veze su razlicite jacine u razlicitim agregatnim stanjima pa su imolekulska kretanja razlicita. Ne zavise samo od jacine hemijske veze nego i od njihoveprirode. One su puno slabije kod molekula tecnosti nego kod cvrstih tela, a kod gasova te vezesujos slabije.

<El{sperimenti iz termo&namif(e u nastavifizikg za osnovnu sftofu

U cvrstim telima medumolekulske sile su Jake, molekuli sucvrsto vezani na malim medusobnim rastojanjima. Oni se ne udaljavajuod svog polozaja all zato oko njega neprekidno osciluju (pokrecu se cas ujednu cas u drugu stranu).

(si. 2.1.3.Prikaz molekula cvrstog stanja)

Kod tecnosti su medumolekulske veze slabije nego u cvrstimtelima, molekuli su na vecem medusobnom rastojanju, ali ne mogu punoda se udaljavaju jedni od drugih i da se slobodno krecu, samo mogumedusobno da menjaju mesta.

(si. 2.1.4. Prikaz molekula tecnog stanja)

U gasovima su medumolekulske sile slabe, molekuli su na velikimmedusobnim rastojanjima, krecu se skoro slobodno. Na svom putu sesudaraju medusobno i sa zidovima suda. Posle sudara im se menja pravac,smer i intenzitet brzine.

(si. 2.1.5. Prikaz molekula gasovitog stanja)

Obzirom da se molekuli krecu unutar tela i kada telo miruje, ovo kretanje se jos nazivai unutrasnje kretanje, a energija vezana za ovo kretanje unutrasnja energija.

Unutrasnja energija je ukupan zbir kineticke i potencijalne energije svih molekula.(2.1.1)

U=Ek+Ec (2.1.1)

Kineticka energija je posledica kretanja molekula, a potencijalna zavisi od njihovoguzajamnog polozaj tj. rastojanja, kao i od prirode veze.

Unutrasnja energija zavisi od temperature tela, vrste materijala, agregatnog stanja,velicine tela i drugih faktora. Ona moze da se menja ako se vrsi rad ili ako se menjatemperatura tela. Ako se menja unutrasnja energija tela onda se menja kineticka energijacestica ili potencijalna ili obe.

Mehanicka energija se vrlo lako moze pretvoriti u unutrasnju dok je obrnuti processlozeniji. Jedan m3 gasa ima unutrasnju energiju od 120 kJ sto je dovoljno da se teret od 4tone podigne na visinu od 3 m. No ovo pretvaranje energije vrlo slozeno zbog haoticnogkretanja molekula. Samo se mali deo unutrasnje energije moze pretvoriti u mehanicki rad.Primeri za pretvaranje mehanicke energije u toplotnu: smirglanjem se zagreva podloga, sipkase zagreje kada se krivi, ako se udara cekicem po nekom materijalu, materijal se zagreva...[4].

Page?

<Ef{sperimenti iz termodinamike u nastavifizikg za osnovnu sfiofu

2.2. Temperatura i srednja kineticka energija

Temperatura je osnovna fizicka velicina u medunarodnom sistemu jedinica.

oznaka za temperaturu T jedinica mere [7] = K-Kelvin

Kod nas se u svakodnevnom zivotu cesce koristi stepen C-celzijus za izrazavanjetemperature i tada se ona oznacava malim slovom t.Biloje vise pokusaja da se definise temperatura. Jedan od tih definicijaformulisaoje skotskifizicar Dzejms Klark Maksvel (si. 2.2.1) i ona je glasila: Temperatura tela je toplotno stanje,gledano kao merenje njene sposobnosti da prenese toplotu na druga tela. Kasnije je ovadefinicija viseputa menjana i korigovana [21].

James Clark Maxwell(1831-1879) skotski fizicar i matematicar. Proucavao je vezu izmeduelektriciteta i magnetizam. Izdao je publikaciju o dinamickoj teorijielektricnog polja poznatu kao „ Maksvelove jednacine ". Istrazivao jetermodinamicko kretanje molekula gasa iz cega je proizasao zakondistribucije po Maksvel-Bolcmanu [21].

(2.2.1. James Clark Maxwell)

Temperatura je velicina koja opisuje unutrasnje stanje tela i usko je povezana saunutrasnjom energijom tela. Zato definicija apsolutne temperature glasi:

Temperatura je srazmerna srednjoj kinetickoj energiji haoticnog kretanja molekulagasa (2.2.2).

mv(2.2.2)

Ovo znaci da je temperatura jednaka nuli ako je srednja kineticka energija nula, tj. akomolekuli miruju. Na ovoj temperaturi prestaje kretanje molekula i ona se naziva apsolutnanula (graf ,2.2.1.) Ako je temperatura veca molekuli se brze krecu.

v(m/s)Engleski fizicar lord Kelvin (sl.2.2.2) je

proucavao brzinu kretanja molekula i interpolacijomodredio najnizu moguca temperatura -273,16 ° C sto ipredstavlja apsolutnu nulu tj. nulu Kelvinove skale.(2.2.3) Niza temperatra od ove je nemoguca.

OK=-273°C (2.2.3)

-273.15'CO K

100*C373 K Kelvin je i osnovna jedinica mere, priznata u

Medunarodnom sistemu jedinica.(2.2.1. graf. Zavisnosti brzine od temperature)

PageS

'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)

<Efifperimenti iz termodinamike u nastavifizif(e za osnovnu s/(pfu

Galileo Galilej(1564-1642) italijanski matematicar, fizicar i astronom. Pronasao jezakon slobodnog padanja ipostaviojednacinu kosog hitca. Prvije uveoeksperimentalnu metodu i matematicko formulisanje fizickih zakona.Usavrsioje teleskop tako stoje uvecanje sa 5 puta povecao na 30 puta.Najpoznatijije po svojoj izjavi: "Ipakse okrece!" [24].

(sl.2.2.7. Galileo Galilei)Gabriel Daniel Farenhajt

(1686-1736) nemacki fizicar i inzenjer. Svoj prvi termometar punio jealkoholom, a kasnije ga je usavrsio napunivsi ga zivom. Za najnizipodeok na njegovoj skali je uzeta najniza do tada zabelezenatemperatura u Gdanjsku. Skala ima 180 podeoka izmedu tackemrznjenja vode 32F i tacke kljucanja 212F. Ova skalajejos u upotrebiu Sjedinjenim Americkim Drzavama i Velikoj Britanije [25].

(sl.2.2.8. Daniel Gabriel Fahrenheit)

Temperatura je fizicka velicina koja se karakterise stepenom zagrejanosti tela israzmerna je srednjoj kinetickoj energiji molekula. Obzirom da je vrlo komplikovano meritibrzinu kretanja molekula, temperatura se meri preko drugih fizickih velicina. Te fizickevelicine su svojstva tela vezana za promenu temperature, a izrazavaju njihove makroskopskeosobine i lako su uocljive. Tu spadaju: promena duzine metala, promena elektricne otpornostiili promena boje tecnih kristala. Vrste termometara koji se koriste su: stakleni termometar satecnoscu, termometar sa otpornikom, bimetalni termometar, termometri sa tecnim kristalom,digitalni i drugi [8].

Temperatura je u pocetku bila vezana za nase culo dodira. To je pogresno zbogobjektivnosti merenja, a i zbog visokih i niskih temperatura koje dozivljavamo kakoneprijatnost. Stepen zagrejanosti tela cesto u svakodnevnom zivotu definisemo kao mlako,toplo, hladno... stoje daleko od tacnog merenja vrednosti temperature.

Poznato je da svaka osoba razlicito dozivljava stepen zagrejanosti tela, pa ce isto teloneko dozivljavati kao hladno, neko kao toplo, a neko kao sasvim prijatno. Osecaj toplog ihladnog je subjektivan. Cak i jednoj osobi isto telo moze stvarati razliciti dozivljaj u razlicitimuslovima.

(sl.2.2.9.Eksperiment sa tri posude)

Dobar primer za nepouzdanost dodira kao nacina za odredivanje temperature jeeksperiment sa tri posude (si.2.2.9) u koje se sipa vodu razlicitih temperature. U prvoj posudije hladna voda u drugoj mlaka, a u trecoj topla. Jednu ruku treba staviti u hladnu vodu, druguu toplu, posle izvesnog vremena obe ruke se prebace u mlaku vodu. Na ruci koja je bila uhladnoj vodi osecamo da je voda topla, a na drugoj istu tu vodu dozivljavamo kao hladnu.

<Ef(sperimenti iz termodinamike u nastavifizil^e za osnovnu s

Zato je za merenje temperature neophodno koristiti merne instrumente. Instrument! zamerenje temperature nazivaju se termometri. Najcesce se koristi termometar sa tecnoscu, sazivom ili sa alkoholom, a rade na principu sirenja tecnosti pri zagrevanju i skupljanja prihladenju. Sastoje se iz uske staklene cevi - kapilare, rezervoara u kome se nalazi tecnost iskale na kojoj ocitavamo vrednosti temperature [1].

2.3.1. Bazdarenje termometra po Celzijusovoj skali

(si. 2.3.1. Odrectivanje 0°C i lOtfC)

Celzijusova temperaturna skala je definisana tako sto je za nulu uzeta tacku mrznjenjavode, a za 100° C tacka kljucanja vode (sl.2.3.1). Ovaj temperaturni interval se podeli na 100jednakih podeoka. Temperature ispod tacke mrznjenja vode oznacene su negativnimvrednostima.

Anders Celzijus(1701-1744) svedski astronom i fizicar. U 16. veku je napraviotemperaturnu skalu, sa 0°C oznacio kljucanje, a sa 100°Cmrznjenje vode. Kasnije je izvrsena korekcija skale, za tackumrznjenja je uzeta nula, a za tacku kljucanja 100 °C (sl.2.3.3).Ucestvovao je u merenju duzine meridijana. Prvi je primetiodelovanje polarne svetlosti na magnetnu iglu [26].

(sl.2.3.2. Anders Celsius)(si. 2.3.3. Celzijusov termometar)

'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)

(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.).

'Experiment! iz termodinamikg u nastavifizifce za osnovnu

(tabela 2.5.1. Neke vrednosti specificnog toplotnog kapaciteta)

SUPSTANCAvoda

alkoholledaluminijum

staklo

c [J/kg-K]4200

2500

2100880800

SUPSTANCAgvozde

cink

bakarziva

olovo

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.

(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 ipritiska. 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) i

fuleren 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 °Czagrejalido80°C[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, po

rasporedu 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 amorfnih

tela.

'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].

<E/(sperimenti iz termodinami^e u nastavifizikg za osnovnu

2.8. Prenosenje toplote

I, > 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 provodirazlicitom 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

'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.

<E%§perimenti iz termodinamike u nastavi fizike za osnovnu

Nekad se frontalni eksperiment izvodi radi utvrdlvanja i produbljivanja gradiva. Ako uceniciizvode eksperiment sa ciljem da samostalno prouce ili otkriju neku njima jos nepoznatupojavu ili zakon onda takav eksperiment ima istrazivacki karakter i zove se frontalniistrazivacki eksperiment.

Fizicki praktikum je visi stepen laboratory skih eksperimenata, pa se moze organizovatitek onda kada ucenici imaju potrebnu laboratory sku kulturu i iskustvo sa radom u laboratory!.U osnovnoj skoli moze se organizovati u sedmom i osmom razredu na kraju svakogpolugodista. Ovim putem se rezimira jedna oblast ili celokupno gradivo iz fizike. Njime seproveravaju prakticne vestine i navike ucenika kao i koliko su osposobljeni da samostaloresavaju prakticne probleme.

U nedostatku vremena i planiranih casova za laboratory ske vezbe one se mogu izvoditi ina casovima dodatne nastave. Takvi eksperimenti se obicno izvode za talentovanije ucenikepa oni mogu biti slozeniji od eksperimenata koji se odrzavaju na casovima redovne nastave.

Uvodenje eksperimenata u nastavu fizike je pogodno jer vraca interesovanje ucenika zafiziku i naglasava istrazivacki pristup u prirodnim naukama. Tokom predavanja treba uveknavoditi primere iz zivota koji su ucenicima bliski i koje bez teskoce mogu zamisliti i na tajnacin im pribliziti odredeno gradivo. U ovom radu su to primeri sa tri posude napunjenevodom razlicite temperature, eksperimenti sa. balonima i drugi. Takvi primeri mogu biti zadatii za domaci zadatak. Pri tome treba insistirati da ucenici opisu postupak rada i da izvrseanalizu i donesu zakljucke [13].

U poslednje vreme se u nedostatku opreme i pribora za rad cesto pribegava jednostavnimeksperimentima koji se izvode uz pomoc predmeta koji se mogu naci u svakodnevnojupotrebi. Ovaj tip eksperimenata prvi put je kod nas uveden u okviru programa akreditovanogod strane Ministarstva za prosvetu i sport ,,Usavrsavanje kvaliteta nastave u JugoistocnojEvropi", u okviru projekta ,,Ruka u testu". Neki od takvih eksperimenata bice predstavljeni i uovom radu [14].

Pored toga eksperimenti se mogu izvoditi i na racunaru pomocu kompjuterskih simulacijalaboratory skih vezbi i virtualnim eksperimentima. Danas postoje mnoge internet stranice zafiziku na kojima se mogu naci laboratory ske vezbe, kao i video zapisi nekih eksperimenata. Uprodaji su i razni edukativni softveri sa testovima i eksperimentima iz fizike pogodni zaprogramiranu nastavu. Jedan od takvih je ,,Kvark medija". Sada je uglavnom uz vecinuudzbenika prilozen CD sa kviz pitanjima i testovima.

3. 1. Merenje temperature mesavine topic i hladne vode posleuspostavljanja termodinamicke ravnoteze

ZADATAK VEZBE:»»» Izmeriti temperaturu tople i hladne vode posle uspostavljanja termodinamicke

ravnoteze.

POTREBAN PRIBOR:1. dve case zapremine 600 ml ili vece2. topla i hladna voda3. vaga4. termometar5. stakleni staple

<El(sperimenti iz termodinami^e u nastavifizifce za osnovnu sf(pCu

POSTUPAK:»« Izmeriti masu tople i blade vode

Sipati vodu u case, izmeriti joj temperaturuToplu vodu usuti u casu sa hladnom i mesatiIzmeriti temperaturu mesavine posle izvesnog vremenaRezultate predstaviti tabelarno (tabela 3.1.1)

(Tabela za rezultate 3.1.1)HLADNA VODAwi[kg] t,[°C]

TOPLA VODAw2[kg] t2[°C]

MESAVINAtr[°C]

»J* odrediti racunski vrednost temperature iz relacije (3.1.1) i uporediti je sa izmerenom.r-

. tr=(m1ti+m2t2)/(m1+m2) (3.1.1) .

ANALIZA EKSPERIMENTA:»»* Mesanjem tople i hladne vode dobili smo tecnost srednje temperature u zavisnosti od

masenih udela. Ocekujemo da racunska vrednost bude veca jer u eksperimentu imagubitaka na zagrevanje case, sistem se ne moze savrseno izolovati [9].

3.2. Eksperimenti za dodatnu nastavu

3.2.1. Provodenje toplote kroz cvrsta tela

ZADATAK VEZBE:<» Proveriti provodenje toplote kroz metalnu sipku.

POTREBAN PRIBOR:1. sveca2. metalna sipka3. stalak

(si. 3.2.1. Provodenje)POSTUPAK:

»*« kapljice voska naneti na metalnu sipku na odredenom rastojanju»t* sipku fiksirati za stalak* upaliti svecu i postaviti je blize jednog kraja sipke (si.3.2.1)

ANALIZA EKSPERIMENTA:*»» Kroz sipku se toplota postepeno prenosi sa jednog kraja na drugi, spontano, sto vidimo

po zagrevanju i otapanju kuglica voska [27] .

'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 tecnosti

ZADATAK 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].

<E/{sperimenti iz termodinami^e u nastavifizikg za osnovnu

3.2A. Prenosenje toplote zracenjem

ZADATAK VEZBE:*J* Proveriti zracenje toplote pomocu staklenog

vakuumiranog zvona, termometra i grejalice.

POTREBAN PRIBOR:1. stakleno zvono2. vakuum pumpa3. termometar4. grejalica ili fen5. kartonski zaklon

(si. 3.2.4. Zracenje)

POSTUPAK:* Postaviti termometar ispod staklenog zvona i izvuci vazduh iz njega.»»» Ukljuciti grejaltcu i pratiti promenu temperature (sl.3.2.4).*J* Posle izvesnog vremena zakloniti grejalicu kartonom i pratiti promenu temperature.

ANALIZA EKSPERIMENTA:*»* Primecujemo da se termometar postepeno zagreva i bez prisustva supstancijalne

sredine.<* Kada zaklonimo grejalicu kartonom, termometar prestaje da se zagreva.*»* Toplota se prenosi zracenjem i kroz vakuum ali ne moze da prode kroz kartonski

zaklon [7].

3.2.5. Bazdarenje termometra

ZADATAK VEZBE:* Bazdariti termometar od 0°C do 40°C

POTREBAN PRIBOR:1. flasa sa cepom2. providna slamcica3. voda4. alkohol5. mastilo6. grejac7. termometar8. led

(si. 3.2.5. Termometar)

'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].

<Efoperimenti iz Urmodinamikg u nastavifiziks za osnovnu

3.2.7. Uporedivanje toplotnog kapaciteta vode i celicnihopiljaka

ZADATAKVEZBE:*J* Uporediti toplotni kapacitet vode i celicnih opiljaka.

POTREBAN PRIBOR:1. tri posude2. topla voda3. voda na sobnoj temperaturi4. celicni opiljci ili puscana sacma

(si. 3.2.7. Ttoplotni kapacitet)

POSTUPAK :»J» Zagrejanu vodu podeliti na jednake delove u dve posude<» Izmeriti njihove temperature»> U prvu sipati vodu na sobnoj temperaturi, a u drugu opiljke koji imaju istu masu kao i

voda, takode na sobnoj temperaturi. (si.3.2.7)<» Ostaviti da se uspostavi termodinamicka ravnoteza u obe posude, a zatim ponovo

izmeriti temperaturu vode.

ANALIZA EKSPERIMENTA:*> Primecujemo da se vise ohladila voda u koju je dodata voda nego ona u koju su

dodati opiljci. Razlog tome je veci specificni toplotni kapacitet vode od celika [2].

3.2.8. Pretvaranje unutrasnje energije u rad

ZADATAK VEZBE:*J* Pretvoriti vodenu paru u mehanicki rad

POTREBAN PRIBOR:1. cajnik2. konac3. spajalica4. vetrenjacaod papira5. voda

(si. 3.2.8. Pretvaranje unutrasnje en. u rad)

POSTUPAK :»J* Prokuvati vodu u cajniku dok ne pocne da izlazi para,*J« Za vetrenjacu koncem vezati spajalicu (si. 3.2.8)*** Pribliziti vetrenjacu i pustiti da se okrece

'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 sacekatinekoliko 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 skoro

celu teglu, ostaviti do oko 5 cm. Staviti cediljku na teglu. U cediljku staviti nekolikokocki leda (5/JJ.2.;

<El{sperimenti iz termodinamiS{e u nastavifizi^e za osnovnu sl(p(u

Objasnjenje eksperimenta:

* Hladan vazduh koji se formira oko kocki leda mesa se sa toplim vazduhom. Veci deovazduha u tegli uzrokuje kondenzaciju vodene pare i formiranje magle. [14]

3.3.3. Kako napraviti oblak

Potreban pribor:providna flasa od 2 litra1 list tamne hartijevodasibica

Izvodenje ogleda: {si.3.3.3.oblak)* Sipati 6 cm tople vode u flasu od 2 litra. Postaviti usta preko otvora, duvati par

sekundi, a potom je dobro zatvoriti. Protresti snazno flasu par puta. Upaliti sibicu,ostaviti je da gori par sekundi i ubaciti u flasu i ponovo brzo zatvoriti. (sl.3.3.3.)

»J» Okrenuti flasu na stranu i staviti je na tamni papir. Pritisnuti je snazno i drzati, oko 10sekundi. Pustiti da se oblaci pojave. Kada se oblaci pojave brzo odvrnuti cep, videcese oblak kako se siri iz flase.

Analiza eksperimenta:*J» Na ovaj nacin su napravnjeni uslovi neophodni za formiranje oblaka vodene pare u

vazduhu, cestice dima koje sakupljaju vodu i hladenje vazduha usled snizavanjavazdusnog pritiska unutar flase. Oblaci se formiraju kada se usled kondenzacije nacesticama prasine ili dima sakupe kapi vode [14].

3.3.4. Kako napraviti inje

Potreban materijal:plasticna casa bez poklopcaso u grumenimaizdrobljen ledcekicplatnena maramica

Izvodenje ogleda: (si.3.3.4.Inje na casi)»J» Staviti dve gomilice izdrobljenog leda i duplo manje soli u casu, pomesati ih i sacekati

pola sata. Na spoljasnoj strani posude pojavice se kapi rose. Nakon izvesnog vremenakapi na spoljasnoj strani case ce se pretvoriti u inje (si.3.3.4).

(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 puca

Potreban 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.

'E^sperimenti iz termodinamikg u nastavifizike za osnovnu sf(p[u

3.4.1. Odredivanje specificne toplote cvrstog tela

Postupak 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 vode

Postupak izvodenja vezbe:

<* Ukljuciti elektricni grejac, stoperica automatski meri vreme za koje ispari polovinatecnosti.

*J» Na osnovu vremena isparavanja i snage grejaca odrediti toplotu isparavanja vode [34].

<El(sperimenti iz termodmamifig u nastavifizike za osnovnu skoCu

(sl.3.4.2.Odredivanje toplote isparavanja)

3.4.3. Ponasanje idealnog gasa pri promeni temperature,pritiska ill zapremine

Postupak izvodenja vezbe:»»* Menjati vrednosti temperature pritiska i zapremine kod idealnog gasa. Vrednosti se

mogu pratiti graficki i brojcano, osim toga se primecuje kako se pomera klip, kazaljkamanometra i kako se menja visina zivinog stuba [33].

Uniitrasn|a eraste.

• izobsf ski pcoces

l/ohof sk* proces

: tzoiermnii pf oces

Pocetm* st anje:

Krajrtje st an je:

W. Fendt 1999, Z. Soskifi 2004

(3.4.3. Idealni gas pri promeni parametara)

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 iz

termodinamike. Termodinamika nije samo znacajna za naucno obrazovanje ucenika nego i

zbog njene primene u svakodnevnom zivotu, mozda i najvece od svih oblasti fizike u torn

uzrastu. Ova oblast fizike je zbog velike primene veoma interesantna za ucenike, a samim tim

i zainteresovanost za nastavu se povecava. Cilj ovog rada je da priblizi osnovne pojmove

vezane za termodinamiku i pokaze kolika je vaznost-eksperimenata svih vrsta uopste u nastavi

fizike. Uz eksperimente deca lakse savladavaju, nauce i razumeju nove pojmove i pojave u

fizici, narocito ako sami realizuju jednostavne demonstracione oglede. Time se izbegava

suvoparnost teorije, brojki i formula sto je za decu tog uzrasta sa jos nedovoljno izgradenim

apstraktnim misljenjem, veoma bitno. Deca u torn uzrastu najlakse usvajaju nove pojmove

ako "dodirnu", "probaju" i vide kako nesto fonkcionise.

Dodatne lekcije i vezbe mogu se obraditi na casovima dodatne nastave za ucenike koji

zele da prosire znanje. Treba istaci da je veoma znacajno raditi sa talentovanom decom koja

pokazuju zaiteresovanost za ovu nauku od samog pocetka u smislu njihove sire edukacije i

pripreme za takmicenja. Oni manje zainteresovani mogu se zainteresovati izvodenjem

eksperimenata.

'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

'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

<Efisperimenti is tennodinamike u nastavifizi^e za osnovnu sfofu

BiografijaZeljka Tomasev

Rodena u Kikindi 1970. godine. Zavrsila Osnovnu skolu ,,FejesKlara" u Kikindi kao i Matematicku gimnaziju ,J)usan Vasiljev",smer pomocni istrazivac u matematici. Diplomirala na PMF-u naDepartmanu za fiziku, iz predmeta Nuklearna fizika kod profesora drIstvana Bikita. Zaposlena u OS ,,Jovan Jovanovic Zmaj" u SremskojKamenici.

<Ef(sperimenti iz termodinamike u nastavifizif(e za osnovnu sf(o[u

UNIVERZITET U NOVOM SADUPRIRODNO-MATEMATICKI FAKULTET

KLJUCNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA

Redni broj:RBRIdentifikacioni broj:IBRTip dokumentacije:TDTip zapisa:TZVrsta rada:VRAutor:AUMentor:MNNaslov radaNRJezik publikacije:JPJezik izvoda:JIZemlja publikovanja:ZPUze geografsko podrucje:UGPGodina:GOIzdavac:IZMesto i adresa:MAFizicki opis rada:FONaucna oblast:NONaucna disciplina:NDPredmetna odrednica/ kljucne reel:POUDKCuva se:CUVazna napomena:VNIzvod:IZ

Datum prihvatanja feme od NN veca:DP

Monografska dokumentacija

Teksrualni stampani materijal

Master rad

prf. Zeljka Tomasev

dr Sonja Skuban

•

Eksperifnenti iz termodinamike u nastavi fizike za osnovnu skolu

srpski (latinica)

srpski/engleski

Srbija

Vojvodina

2010.

Autorski reprint

Prirodno-matematicki fakultet, Trg Dositeja Obradovica 4,Novi Sad5/182/32/0/71/0/3

Fizika

Eksperimenti u nastavi fizike

Temperatura, toplota, fazni prelazi, eksperimenti utermodinamici.

Biblioteka Departmana za fiziku, PMF-a u Novom Sadu

nema

U radu je obtradena tema "Eksperimenti iz termodinamike unastavi fizike za osnovnu skolu". Pored teorijski obradenihlekcija dati su i eksperimenti iz termodinamike, kako zaredovnu tako i za dodatnu nastavu.

2.9.2010.

<Et{sperimenti iz termodinamike u nastavifizikg za osnovnu

Datum odbrane:DO

Clanovi komisije:KOPredsednik:

clan:

clan:clan:

25. 10.2010.

dr Agnes Kapor, redovni prof.

dr Sonja Skuban, vanredni prof.dr Milica Pavkov-Hrvojevic, vanredni prof.dr Zeljka Cvejic, docent

(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.

(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

eksperimenti iz termodinamike u nastavi fizike za osnovnu školu

Documents