rezumat

În acest laborator studenții construiesc un model de radiator auto pentru a investiga parametrii care duc la o răcire eficientă. Elevii investighează mai multe variabile în timp ce experimentează cu diferite modele de radiatoare. Această lecție se concentrează pe calculele termochimiei și practicile de inginerie.

Nivel de clasă

Liceul gimnazial și mediu

Aliniere NGSS

Acest laborator vă va ajuta să vă pregătiți elevii pentru a îndeplini așteptările de performanță în următoarele standarde:

Cadrul curricular AP Chimie

Acest laborator acceptă următoarea unitate, subiect și obiectiv de învățare:

  • Unitatea 6: Termodinamica
    • Subiectul 6.4: Capacitate de căldură și calorimetrie
    • ENE-2.D: Calculați căldura q absorbită sau eliberată de un sistem supus încălzirii/răcirii pe baza cantității de substanță, a capacității de căldură și a modificării temperaturii.

Obiective

Până la sfârșitul acestui laborator, studenții ar trebui să poată

  • Calculați caloriile/jouli de căldură absorbită de/pierdută dintr-un lichid de căldură specifică cunoscută.
  • Delimitați factorii care îmbunătățesc eficiența unui dispozitiv de schimb de căldură.
  • Creați un grafic al temperaturii vs. timp (o curbă de răcire) și interpretează semnificația acestuia.
  • Proiectați experimente controlate care determină cu acuratețe efectul unei anumite variabile.

Subiecte de chimie

Acest laborator sprijină înțelegerea studenților despre

  • Calcule termodinamice
  • Valori specifice de căldură
  • Proiectare inginerie
  • Energia cinetică moleculară

Pregătirea profesorului
2 ore pentru prepararea inițială a materialelor. După ce au fost făcute construcțiile/achizițiile inițiale, sunt necesare 30-40 de minute de configurare.

Lecţie

  • Anulați: 10 minute
  • Explorați: 50 - 100 de minute
  • Explicați: 20 - 30 de minute
  • Elaborează: 20 de minute
  • Evaluează: 20 - 60 de minute

Materiale

Pentru fiecare grup de laborator

cool

  • 5 picioare de tuburi de cupru Cinch (vândute la magazinele de hardware, cum ar fi Home Depot)
  • O pâlnie de plastic: diametru de 4 inch cu tijă de diametru de ¼ inch
  • O clemă sau robinet cu robinet
  • Un suport pentru inel (cel puțin 24 inch înălțime, recomandat 36 inch)
  • Sârmă pentru legături răsucite
  • Un ulcior sau pahar din plastic (se recomandă 500 sau 1000 ml)
  • 250 ml soluție 50% propilen glicol (sau soluție etilen glicol) vopsite în verde folosind coloranți alimentari
  • Un recipient din plastic sau sticlă pentru captarea lichidului răcit
  • Un fan
  • Cantități nelimitate de folie de aluminiu
  • Scară
  • Termometru

Siguranță

  • Purtați întotdeauna ochelari de protecție atunci când manipulați substanțe chimice în laborator.
  • Elevii ar trebui să se spele bine pe mâini înainte de a părăsi laboratorul.
  • Când studenții finalizează laboratorul, instruiți-i cum să curățe materialele și să elimine orice substanțe chimice.
  • Etilenglicolul poate fi extrem de toxic pentru persoanele sensibile. Propilen glicolul este o alternativă mai sigură.
  • Elevii vor încălzi apa la temperaturi de opărire. Va fi necesară precauție la turnarea și transportul lichidelor fierbinți.

Note pentru profesori

  • Această resursă ar putea fi utilizată ca activitate post-examen de chimie AP.
  • Angajează-te: Utilizați acest videoclip care investighează sistemul de răcire al unei mașini. Acesta introduce necesitatea eliminării căldurii motorului și discută despre mecanismele utilizate la motorul unei mașini pentru schimbul de căldură cu mediul înconjurător. Sunt discutate, de asemenea, componentele chimice ale soluțiilor de răcire pentru automobile.
  • Explora: Inima acestei activități este experimentarea pe care elevii o fac cu diferite modele de radiatoare. Elevii ar trebui să efectueze cel puțin trei încercări folosind variații în design/materiale. Fiecare proces va dura aproximativ 15 minute, inclusiv configurarea și colectarea datelor. Profesorul ar trebui să încurajeze elevii să discute ce variabile ar dori să testeze și modul în care experimentul poate fi conceput pentru a se concentra pe un singur variabilă în fiecare proces. Variabilele includ utilizarea apei vs. o soluție de propilen glicol, viteza de curgere a fluidului prin radiatorul model, utilizarea unui ventilator și o varietate de modele de tuburi din cupru (elice vs. bobină vs. modele boustrofedonice (intestin)).
  • Explica: După efectuarea mai multor încercări, elevii vor calcula eficiența fiecărui proiect și vor dezvolta explicații științifice pentru motivul pentru care unele modele au fost mai eficiente.
  • Elaborat: În mod ideal, elevii vor putea generaliza din rezultatele lor specifice pentru a descoperi adevăruri generale. Studenții ar trebui încurajați să privească radiatoarele din mașinile reale pentru a vedea dacă adevărurile generale pe care le propun sunt confirmate în proiectele de radiatoare profesionale.
  • A evalua: Această activitate este structurată astfel încât elevii să producă un raport scris al constatărilor lor, incluzând grafice, calcule și răspunsuri la întrebări de analiză. Este posibil ca profesorul să vrea ca elevii să explice descoperirile lor colegilor de clasă folosind postere sau prezentări.
  • Pregătirea materialelor: Sunt disponibile două videoclipuri pentru a ajuta la construirea modelului de radiatoare utilizate în această activitate de laborator. Un set de clase de module de tuburi din cupru poate fi creat în aproximativ 1 oră.

Videoclipul 1: prezintă o prezentare generală a setării radiatorului, cu discuții despre variabilele experimentale.


Videoclipul 2 oferă detalii pentru instructor despre cum să îndoiți tubulatura de cupru și cum să instalați o seringă din plastic pentru a permite conectarea ușoară a unei supape de robinet.

  • Acest proiect folosește lungimi de 5 picioare de tuburi de cupru îndoite în diferite forme, așa cum se arată mai jos. O rolă de 50 de picioare de tub de cupru de ¼ inch la Home Depot va costa în jur de 40 USD.

  • Imaginile de mai sus, de la stânga la dreapta, reprezintă designul intestinului, designul elicei și designul în spirală.
  • Tubulatura de cupru acționează ca un schimbător de căldură. Conductivitatea cuprului ajută la dispersarea căldurii apei în atmosferă.
  • În partea de sus a modulului radiatorului, tubulatura de cupru este conectată la o pâlnie de 4 inci folosind un segment scurt de tuburi Tygon de ¼ inci. Joncțiunea cupru-Tygon ar trebui să fie fixată cu o legătură răsucită din sârmă. O pâlnie de 4 inci are o capacitate de 250 ml.

  • În partea de jos a modulului de tuburi de cupru, o seringă de plastic de 1 ml poate fi tăiată și introdusă într-un segment de Tygon pentru a permite conectarea ușoară a unui robinet. Alternativ, o clemă în stil Hoffman poate fi utilizată pentru a controla debitul.

  • Un suport inelar înalt este folosit pentru a sprijini designul. Pâlnia ar trebui să fie susținută folosind o clemă inelară de 3 ”. O clemă suplimentară trebuie utilizată pentru a susține cea mai mare parte a greutății tuburilor de cupru.
  • Vă recomand să creați o soluție de 50% propilen glicol folosind propilen glicol stoc de la Flinn Scientific. Această soluție poate fi apoi vopsită în verde folosind un colorant alimentar normal. Este posibil să se utilizeze soluții antigel comerciale în locul unei soluții de casă, dar produsele comerciale vor conține o moleculă anticorozivă (toliltriazol) care are un miros neplăcut, de pește (atunci când este încălzit). Utilizarea propilen glicolului pur (sau etilen glicolului) permite un experiment fără mirosuri. Dacă se alege un antigel disponibil comercial, Sierra marca este bazată pe propilen glicol. Este posibil ca alte soluții comerciale antigel să utilizeze etilen glicol.
  • Exemplele de date colectate de autor folosind diferite modele sunt prezentate mai jos.
  • Acest videoclip arată studenții care colectează și analizează date din încercările lor cu radiatoarele.

Volumul de apă

Curge prin timp

Temp. Inițială