מה קורה למים כשמחממים אותם -מדריך למורה נושא שכבת גיל זמן רציונאל
מעבר נוזל לגז– תהליך האידוי -תצפית הדגמה על ידי המורה כיתה ד 50דקות יחידה זו עוסקת בנושא תהליכי שינוי בחומרים במסגרת תחום התוכן -מדעי החומר -פיזיקה. היחידה מתמקדת בשינויים בחומר מים ובמעבר בין מצב צבירה של נוזל (קרח) למצב צבירה גז כתוצאה מהוספת חום .בפעילות זו התלמידים עוקבים אחר שינויי הטמפרטורה החלים בנוזל עד הפיכתו לגז ,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 הרתיחה של חומר (שהיא גם טמפרטורת ההתעבות) היא הטמפרטורה שבה עובר החומר ממצב צבירה נוזל למצב צבירה גז או להיפך.
כאשר חומר מגיע לטמפרטורת הרתיחה שלו (בלחץ מסוים) ,חלקיקי הנוזל בכל נפח הגוף מתרחקים זה מזה ועוברים בהדרגה למצב צבירה גז .הדבר מתבטא בהופעת בועות בתוך הנוזל .בועות אלה מכילות בעיקר את אדי הנוזל שעבר
למצב צבירה גז .וברגע מסוים ,יהיה החומר מצוי בשני מצבי הצבירה – נוזל והגז .בשלב זה :חימום נוסף יגרום להתרחשות תהליך ההתאדות עד שכל החומר הופך מנוזל לגז .במהלך המעבר של החומר ממצב צבירה נוזל לגז -אין שינוי בטמפרטורת החומר .החום המושקע בשלב זה נקרא לעיתים "חום כמוס" כיוון שאינו גורם לעליה בטמפרטורה אלא לשינוי במצב צבירה בלבד. כשהחומר מים נמצא במצב צבירה נוזל:
רמת תיאור התופעה (מאקרו) – חימום המים גורם לעליית הטמפרטורה.
רמת הסבר מדעי לפי מודל החלקיקים (מיקרו) – חימום המים גורם לעליית מהירות החלקיקים. (נלקח מערכת ה.ל.ה) התאדות במערכת פתוחה (התנדפות) -ההתאדות מתרחשת בכל טמפרטורה (בניגוד לרתיחה המתרחשת רק בטמפרטורה מסוימת- טמפרטורת רתיחה) התאדות מתרחשת משטח הפנים של הנוזל (בניגוד לרתיחה שמתרחשת מגוף הנוזל).
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-
טמפרטורת רתיחה ,התאדות ,התנדפות ,הוספת חום ,נוזל ,גז ,נקודת רתיחה, 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
הפעילות פותחת בהתנסות אישית של תלמידים בתהליך של התאדות נוזל מפני השטח (התנדפות) .מטרת ההתנסות לעורר סקרנות ולהוביל את התלמידים לשאול שאלות לאן נעלמה הטיפה? איזה תופעה התרחשה? (תהליך של התאדות מפני השטח של הנוזל -הנוזל הפך לגז בעקבות חימום שהגיע מהסביבה ) .איזו תחושה נוצרה ?(קרירות ביד- ממה נובעת תחושת הקרירות? ההתנדפות צורכת אנרגיה חום שנלקחה מהיד ולכן חשים תחושת קור) .דוגמאות נוספות מחיי יומיום :בגדים שתולים לייבוש ,הזעה מהעור ,התאדות מים מנחל,ים (מחזור המים בטבע)וכו .זהו דיון פותח בסיום תהליך הלמידה יש לחזור ולקשור את כל התופעות יחד לאותו התהליך.
.1הניחו טיפת מים על האמה ופזרו אותה לאורך האמה. .2
איזו תחושה מרגישים ביד?
.3לאן נעלמה טיפת המים כעבור מספר דקות? .4תנו דוגמאות נוספות מחיי היומיום המציגות אותה תופעה
מה נחקור? נצפה בשינויי הטמפרטורה של המים במהלך חימום. נעקוב אחר השינוי במצב הצבירה של המים במהלך חימום.
ציוד
העמדת הניסוי
טאבלט אינשטיין +או לאבמייט איינשטיין+
חיישן טמפרטורה
כוס כימית 250מילילטר
סרגל למדידת גובה המים
מי ברז
פלטה חשמלית /גזיה /כהליה וחצובה
.1הפעילו את טאבלט אינשטיין +או לאבמייט איינשטיין+ .2לחצו על תוכנת ה) MiLAB-
)
.3הגדירו את מערך אוגר הנתונים
מערך אוגר הנתונים טמפרטורה
רגע לפני...
קצב הדגימה:
כל שנייה
משך הדגימה:
6דקות ( 360שניות)
ההשערה נשענת על ההתנסות שהתלמידים חוו בתחילת השיעור .מומלץ תמיד לדרוש הסבר מהתלמידים בכל אחת מהתשובות כדי להימנע מניחוש.
כיצד ישתנה מצב הצבירה של המים? האם הטמפרטורה שתימדד בכוס עם המים תעלה /תרד/לא תשתנה? ציירו את עקומת הגרף שהנכם משערים שתתקבל.
טמפרטו
זמן
.1חברו את חיישן הטמפרטורה לאחת היציאות הממוספרות בטאבלט
ביצוע הניסוי
איינשטיין. .2וודאו שחיישן הטמפרטורה שאותו חיברתם לטאבלט מסומן ב.V- .3שפכו לתוך הכוס הכימית מי ברז עד לגובה של 50מיליליטר. .4הכניסו את חיישן הטמפרטורה לתוך הכוס. .5לחצו על צלמית התחל (
) ,כדי להתחיל רישום של הנתונים.
.6מדדו את גובה המים בכוס בעזרת סרגל .עשו זאת 3פעמים במהלך הניסוי :בתחילת הניסוי ,לאחר רתיחת המים ובסוף הניסוי .הוסיפו את הנתונים לטבלת עיבוד הנתונים . .7עקבו אחר השינויים החלים במצב הצבירה של המים :בתחילת הניסוי, לאחר רתיחת המים ובסוף הניסוי .הוסיפו את הנתונים לטבלת עיבוד הנתונים. .8עקבו אחר שינויי הטמפרטורה החלים :בתחילת הניסוי ,לאחר רתיחת המים ובסוף הניסוי .הוסיפו את הנתונים לטבלת עיבוד הנתונים. .9לאחר 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 מדידת גובה המים מוסיפה עוד מימד להמחשת תהליך ההתאדות(המים לא נעלמו הם הפכו מנוזל לגז) . .1מה הכותרת של הגרף? השפעת חימום על הטמפרטורה של החומר .2מה מודדים בציר האנכי /ציר ה ?Y -טמפרטורה .3מהן היחידות של ציר ה ?Y-מעלות צלזיוס .4מה מודדים בציר האפקי /ציר ה ?X-זמן .5מהן היחידות בציר ה ?X-שניות .6מה הייתה הטמפרטורה הנמוכה ביותר שנמדדה? הטמפרטורה של מי הברז .7באיזה שלב של הניסוי נמדדה טמפרטורה זו? בתחילת הניסוי .8מה הייתה הטמפרטורה הגבוהה ביותר שנמדדה? 60 -100 ° C .9באיזה שלב של הניסוי נמדדה טמפרטורה זו? בתום הניסוי .10באיזו טמפרטורה התחילו המים לרתוח?60 ° C .11כיצד השתנה גובה המים במהלך הניסוי? (עלה /ירד /לא השתנה) מצב צבירה של המים תחילת הניסוי לאחר רתיחת המים תום הניסוי
גובה המים בס"מ
טמפרטורת המים ()°C
נוזל /נוזל וגז /גז 60 °C נוזל /נוזל וגז /גז נוזל /נוזל וגז /גז
100° C
מטרת הדיון היא המשגת התופעה ,התלמידים עקבו אחר שינויי הטמפרטורה תוצאות ומסקנות
של הנוזל מים עד הפיכתם לגז וראו שכשמוסיפים חום (מחממים) מצב הצבירה של המים משתנה מנוזל לגז והייתה עלייה בטמפרטורה .ברמת תיאור
התופעה– חימום המים גורם לעליית הטמפרטורה. תופעה נוספת מעניינת התרחשה במהלך התאדות המים אין דנים בה רק מציינים ברמת תיאור התופעה:כאשר החומר מגיע לטמפרטורת הרתיחה שלו חלקיקי הנוזל בכל נפח הגוף מתרחקים זה מזה ועוברים בהדרגה למצב צבירה גז .הדבר מתבטא בהופעת בועות בתוך הנוזל .בועות אלה מכילות בעיקר את אדי הנוזל שעבר למצב צבירה גז .וברגע מסוים ,יהיה החומר מצוי בשני מצבי הצבירה – נוזל
והגז .בשלב זה :חימום נוסף יגרום להתרחשות תהליך
ההתאדות עד שכל החומר הופך מנוזל לגז .כלומר במהלך תהליך ההתאדות יש שינוי במצב הצבירה אך אין שינוי בטמפרטורה של החומר .במהלך המעבר של החומר ממצב צבירה נוזל לגז -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 ההתאדות ראינו שינוי במצב הצבירה אך לא היה שינוי בטמפרטורה , רק כשכל המים שינה את מצב הצבירה שלהם מנוזל לגז ראינו את השינוי בטמפרטורה( .עליה ל .)100 ° C
דיון במליאה .1מהו ההפרש בין הטמפרטורה ההתחלתית של הניסוי לבין הטמפרטורה הסופית של הניסוי? .2כיצד השתנתה הטמפרטורה של המים? הטמפרטורה עלתה .3באיזו טמפרטורה הפכו כל המים לאדי מים? .4מה ניתן ללמוד מכך על על תהליך ההתאדות ? השלימו: בתהליך התאדות :תוספת חום (חימום) גורמת לשינוי של החומר מים ממצב צבירה של _____נוזל___ למצב צבירה של___גז______. טמפרטורת רתיחה :הטמפרטורה שבה נוצר השינוי ממצב צבירה של נוזל למצב צבירה גז _____ב 60 ° C-המים רותחים ורואים גם נוזל וגם גז (בועות בתוך הנוזל) ב 100 ° C -כל הנוזל הופך לגז. .5השוו בין תוצאות המדידה לבין השערתכם לפני תחילת הניסוי.
יישום
מומלץ לשלב דוגמאות ולקשור את התופעות לחיי היומיום וכן להדגיש את ההבדלים בין תהליכים של התאדות לעומת התנדפות: למשל הכנת קפה על הגז ,בישול שכולל רתיחת מים (רתיחה) לעומת ייבוש כביסה ,זיעה ,דיות מצמחים ,מחזור המים בטבע (התנדפות)
תנו דוגמאות מחיי היום יום המתארים תהליך של התאדות
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 בשינוייי 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.