מה קורה לקרח כשמחממים אותו -מדריך למורה נושא שכבת גיל זמן רציונאל
מעבר מוצק לנוזל– תהליך ההתכה -תצפית כיתה ד 50דקות יחידה זו עוסקת בנושא תהליכי שינוי בחומרים במסגרת תחום התוכן -מדעי החומר -פיזיקה. היחידה מתמקדת בשינויים בחומר קרח ובמעבר בין מצב צבירה של מוצק (קרח) למצב צבירה נוזל (מים) כתוצאה מהוספת חום .בפעילות זו התלמידים עוקבים אחר שינויי הטמפרטורה החלים במוצק עד הפיכתו לנוזל .מארגנים את הנתונים בטבלה ומנסחים עיקרון הקושר את הוספת החום לעלייה בטמפרטורה של החומר.
כאשר מדברים על השפעת חימום על שינויים פיזיקליים בחומר: הוספת חום גורמת לשינויי טמפרטורה של החומר ולשינוי במצב הצבירה של החומר. ההסבר לפניכם מיועד למורה ומבוסס על הסבר לפי מודל החלקיקים ,ההסבר לתלמידים יעשה ברמת תיאור התופעה בלבד. חום וטמפרטורה אינם מושגים זהים .חום מתווסף או נגרע מגוף ועקב כך יכול לגרום (או לא) לשינוי הטמפרטורה של הגוף. חום הוא צורה של אנרגיה העוברת מגוף אחד לגוף אחר כתוצאה מהפרשי הטמפרטורה בינהם .טמפרטורה של גוף היא מדד לאנרגית התנועה של החלקיקים שמהם הוא עשוי .שני המושגים קשורים לתנועת החלקיקים בחומר. בכל חומר החלקיקים נמצאים בתנועה מתמדת ואקראית באופני תנועה שונים. כל חלקיק נע במהירות מסוימת ,הטמפרטורה של החומר ,הנמדדת במד- הטמפרטורה ,היא מדד שמציין את מהירות מהירות תנועת החלקיקים.
כאשר מוסיפים חום (מחממים) לחומר מסוים(קרח,מים), המהירות הממוצעת של החלקיקים גדלה ולכן הטמפרטורה עולה. כאשר גורעים חום (מקררים) חומר מסוים ,המהירות הממוצעת של החלקיקים קטנה ולכן הטמפרטורה יורדת.
חומרים טהורים מאופיינים בטמפרטורות היתוך ורתיחה ספציפיות (בלחץ מסוים) .טמפרטורת ההיתוך של חומר (שהיא גם טמפרטורת ההתמצקות) היא הטמפרטורה שבה עובר החומר ממצב צבירה מוצק למצב צבירה נוזל או
imagine explore learn •
•
להיפך. כאשר מחממים חומר עד לטמפרטורת ההיתוך שלו וממשיכים לחממו, החומר עובר תהליך היתוך ,וברגע מסוים ,יהיה החומר מצוי בשני מצבי הצבירה – המוצק והנוזל .בשלב זה :חימום נוסף יגרום להתרחשות תהליך ההיתוך עד שכל החומר הופך ממוצק לנוזל. כשהחומר קרח נמצא במצב צבירה מוצק:
רמת תיאור התופעה (מאקרו) – חימום הקרח גורם לעליית הטמפרטורה.
רמת הסבר מדעי לפי מודל החלקיקים (מיקרו) – חימום הקרח גורם לעליית מהירות החלקיקים. (נלקח מערכת ה.ל.ה)
מטרות תוכן וציוני דרך
מדעי החומר –פיזיקה רעיונות והדגשים: תהליכי שינוי בחומרים: חימום גוף )תוספת חום ( או קירור גוף ) גריעת חום (יכולים לגרום לשינויים פיזיקליים ולשינויים כימיים. ציוני דרך: שינויים בחומר טמפרטורה ומצבי צבירה שינויים בטמפרטורה
מושגים עיקריים ידע קודם נדרש
מיומנויות המאה 21-
.טמפרטורה .חום ,הוספת חום ,מצב צבירה ,קרח ,מוצק ,נוזל ,גז ,התמצקות, התאדות ,היתוך. ידע תחום התוכן: הכרות עם תכונות של גז נוזל ומוצק .מיומנויות חקר וגילוי: עריכת תצפית ,איסוף וארגון מידע ,קריאת נתונים מגרף ,כתיבת תוצאות ,הסקת מסקנות. חשיבה ביקורתית
מהלך הפעילות
אתגר
בסרטון רואים את קרחוני פטגוניה נופלים למים ומותכים .מטרת הסרטון לעורר את התלמידים לשאול שאלות מדוע מתרחשת התופעה ? (שינויי אקלים ,התחממות כדוה"א) מה גרם לשינוי במצב הצבירה של הקרח למים?(עלייה בטמפרטורה) הסרטון מוביל את התלמידים להבנה בהמשך ששינוי בטמפרטורה גורם לשינוי במצב הצבירה .בהמשך התלמידים עוקבים אחר שינויי הטמפרטורה כשמחממים (מוסיפים חום) לקרח עד הפיכתו לנוזל.
צפו בסרטון התכת קרחונים .1מה אתם רואים? .2נסו להסביר מה גרם לשינוי במצב הצבירה של הקרח? מה נחקור?
נצפה בשינויי הטמפרטורה של הקרח במהלך חימום. נעקוב אחר השינוי במצב הצבירה של הקרח במהלך החימום.
ציוד
העמדת הניסוי
טאבלט אינשטיין +או לאבמייט איינשטיין+
חיישן טמפרטורה
כפית
כוס שקופה
קוביות קרח או קרח כתוש
פלטה חשמלית (כאופציה לזירוז התהליך)
.1הפעילו את טאבלט אינשטיין +או לאבמייט איינשטיין+ .2לחצו על תוכנת ה) MiLAB-
)
.3הגדירו את מערך אוגר הנתונים
מערך אוגר הנתונים טמפרטורה קצב הדגימה:
כל 20שניות
משך הדגימה:
10דקות
רגע לפני...
ההשערה נשענת על הסרטון שהתלמידים ראו בתחילת השיעור .מומלץ תמיד לדרוש הסבר מהתלמידים בכל אחת מהתשובות כדי להימנע מניחוש.
כיצד ישתנה מצב הצבירה של הקרח? האם הטמפרטורה שתימדד בכוס עם המים תעלה /תרד/לא תשתנה? ציירו את עקומת הגרף שהנכם משערים שתתקבל.
טמפרטורה
זמן בביצוע הניסוי לא ניתנו כמויות מדוייקות של החומרים .אם אין קרח כתוש
ביצוע הניסוי
ניתן להשתמש בקרח רגיל ,כל ההצעות שניתנו הן לזירוז התהליך של הניסוי. כמובן שאם עובדים עם פלטה יש לשמור על תנאי בטיחות ולעשות זאת בהשגחת מבוגר. .1חברו את חיישן הטמפרטורה לכל אחת מהיציאות הממוספרות בטאבלט איינשטיין .2וודאו שחיישן הטמפרטורה שאותו חיברתם לטאבלט מסומן ב.V- .3הכניסו לתוך הכוס שתי כפיות של קרח כתוש. .4הכניסו את חיישן הטמפרטורה לתוך הכוס (זמן תגובה של חיישן טמפרטורה הוא 30שניות ,כלומר הקריאה המדוייקת היא לאחר 30 שניות) .5לחצו על צלמית התחל (
) ,כדי להתחיל רישום של הנתונים.
.6צפו בגרף המתקבל ממדידת הטמפרטורה בכוס. .7צלמו את הכוס במהלך הניסוי 3פעמים :בתחילת הניסוי ,לאחר 4-3דקות
ובסוף הניסוי. .8לאחר שהתהליך הסתיים שמרו את הנתונים על-ידי לחיצה על צלמית שמור (
) בסרגל הכלים העליון.
התלמידים אוספים מידע ומארגנים בטבלה .
עיבוד נתונים
ההתייחסות היא למצב הצבירה ולטמפרטורה של החומר בתחילת הניסוי, באמצע ובסוף הניסוי .התלמידים לומדים לקרוא נתונים מהגרף. אחד הדברים שמתאפשרים במערכת צירים ,הינו נקודות ציון במרחב, באמצעות מתן ערך מספרי בציר ה X-וערך מספרי בציר ה .Y-מקומת אלו מכונים קואורדינטות ,כאשר מצליבים ביניהם מקבלים נקודה מתאימה. מומלץ להסביר לתלמידים כיצד ניתן לנוע באופן מוחשי עם שתי אצבעות מציר ה X -וציר ה Y -במקביל עד להצלבה ולמפגש בין שתי האצבעות, נקודת ההצלבה היא הקורדינאטה .כך ניתן למצוא נקודת וערכים על הגרף. (כמו המשחק "מה במשבצת") ,עמודת התמונות מוסיפה עוד מימד חזותי להמחשת התהליך. .1מה הכותרת של הציר האנכי /ציר ה( ?Y -טמפרטורה) .2מהן היחידות של ציר ה( ?Y-זמן-דקות) .3אספו נתונים מהגרף וכתבו מה הייתה הטמפרטורה בכל שלב לפי המצויין בטבלה. .4העלו למסמך תמונות מתאימות לכל שלב ובחרו את מצב הצבירה בכל שלב. .5העלו את הממצאים של הקבוצה לטבלה שיתופית ב.Google Doc- כתבו את הטמפרטורה ()°C
בתחילת הניסוי
בחרו את מצב צבירה של הקרח מוצק /נוזל /מוצק ונוזל
לאחר 3-4דקות
מוצק /נוזל /מוצק ונוזל
0
בתום הניסוי
מוצק /נוזל /מוצק ונוזל
עולה מעל ל0-
מתחת ל0-
.
צפו בממצאים שהעליתם לטבלה השיתופית ונסו להגדיר את המושג התכה תוצאות ומסקנות דיון במליאה מטרת הדיון היא המשגת התופעה ,התלמידים עקבו אחר שינויי הטמפרטורה של הקרח עד הפיכתו לנוזל וראו שכשמוסיפים חום (מחממים) מצב הצבירה של הקרח משתנה ממוצק לנוזל והייתה עלייה בטמפרטורה .ברמת התופעה–
חימום הקרח גורם לעליית הטמפרטורה. תופעה נוספת מעניינת התרחשה במהלך היתוך הקרח אין דנים בה רק מציינים ברמת תיאור התופעה :כאשר מחממים את הקרח עד לטמפרטורת ההיתוך שלו וממשיכים לחממו ,החומר עובר תהליך היתוך ,וברגע מסוים ,החומר מצוי בשני מצבי צבירה –מוצק ונוזל( .אין שינוי בטמפרטורה של החומר ,הטמפרטורה עדיין )0°cבשלב זה :חימום נוסף יגרום להתרחשות תהליך ההיתוך עד שכל החומר הופך ממוצק לנוזל (טמפרטורה עולה).כלומר במהלך תהליך ההיתוך יש שינוי במצב הצבירה אך אין שינוי בטמפרטורה של החומר .במהלך המעבר של החומר ממצב צבירה מוצק לנוזל או מנוזל למוצק -אין שינוי בטמפרטורת החומר .החום המושקע בשלב זה נקרא לעיתים "חום כמוס" כיוון שאינו גורם לעליה בטמפרטורה אלא לשינוי במצב צבירה בלבד .ברמת תיאור התופעה לתלמידים יש לומר כי במהלך ההיתוך ראינו שינוי במצב הצבירה אך לא היה שינוי בטמפרטורה ,רק כשכל החומר שינה את מצב הצבירה שלו ממוצק לנוזל ראינו את השינוי בטמפרטורה.
.1מהו הפרש בין הטמפרטורה ההתחלתית של הניסוי לבין הטמפרטורה הסופית של הניסוי? .2מה ניתן ללמוד מכך על על תהליך ההתכה ? השלם:
בתהליך התכה :תוספת חום (חימום) גורמת לשינוי של החומר ממצב צבירה _מוצק__ ל____נוזל_______.
הטמפרטורה של החומר השתנתה מ ____0°C__ :ל _______.
.3השוו בין תוצאות המדידה לבין השערתכם לפני תחילת הניסוי.
יישום
התלמידים יכולים לבחור בין יישום החומר באמצעות תכנון מכונת משקאות בה צריך להתיך את המוצק לנוזל .לבין התכת שוקולד
התלמידים מבצעים את אותם התהליכים רק החומר שונה. .1היכנסו לאתר ובצעו את המשימות מתכננים מכונת משקאות. .2התיכו קוביות שוקולד על ידי חימום ומדדו את הטמפרטורה של השוקולד עד הפיכתו לנוזל.
ניתן להתיך שוקולד לבן ושוקולד חלב ולהשוות ביניהם.
תארו את תהליך ההתכה של החומר שוקולד התייחסו לשינוי במצב הצבירה של החומר לשינויי הטמפרטורה בחקירת ההמשך התלמידים לומדים על המושג נקודת התכה .חומרים טהורים חקירת המשך
מאופיינים בטמפרטורות היתוך ורתיחה ספציפיות (בלחץ מסוים). טמפרטורת ההיתוך של חומר (שהיא גם טמפרטורת ההתמצקות) היא הטמפרטורה שבה עובר החומר ממצב צבירה מוצק למצב צבירה נוזל או להיפך .כאשר מחממים חומר עד לטמפרטורת ההיתוך שלו וממשיכים לחממו ,החומר עובר תהליך היתוך ,וברגע מסוים ,יהיה החומר מצוי בשני מצבי הצבירה :מוצק ונוזל( .הטמפרטורה עדיין )0°cבשלב זה :חימום נוסף יגרום להתרחשות תהליך ההיתוך עד שכל החומר הופך ממוצק לנוזל. נקודת התכה :חזרו לגרף ורשמו מה הייתה הטמפרטורה של הקרח עד השלב שבו היא החלה לעלות? .1מה היה מצב הצבירה של החומר קרח עד השלב שבו הטמפרטורה החלה לעלות? .2מה הייתה הטמפרטורה בסוף הניסוי? .3כיצד השתנה מצב הצבירה של הקרח לאחר שהטמפרטורה עלתה? .4כתבו במילים שלכם מהי נקודת התכה? התייחסו למצב הצבירה של החומר ולטמפרטורה. .5חפשו במקורות המידע חומר מוצק ,רשמו את נקודת ההתכה של החומר ותארו את תהליך ההתכה במושגים של שינוי במצב הצבירה.
רקע מדעי
רוב החומרים בטבע מופיעים בשלושה מצבי צבירה עיקריים :מוצק (למשל ,ברזל או קרח) ,נוזל (למשל ,מים או שמן) וגז (למשל ,חמצן או אדים) .מצב הצבירה של החומר מבטא את התכונות הפיסיקליות של החומר .מעבר של חומר ממצב צבירה אחד לשני כרוך בשינויי טמפרטורה (חימום או קירור) .מעבר ממצב צבירה מוצק לנוזל נקרא התכה .מעבר ממצב צבירה נוזל למוצק נקרא הקפאה/התמצקות .מעבר ממצב צבירה נוזל לגז נקרא אידוי .מעבר ממצב צבירה גז לנוזל נקרא עיבוי.