Πειράματα θερμικής δυναμικής για παιδιά

Η θερμική δυναμική, που ονομάζεται επίσης θερμοδυναμική, είναι η διαδικασία του τρόπου με τον οποίο η θερμότητα μεταφέρεται από τη μία περιοχή στην άλλη. Η θερμότητα είναι μια μορφή ενέργειας, που σημαίνει ότι η μεταφορά θερμότητας είναι στην πραγματικότητα η μεταφορά ενέργειας. Για το λόγο αυτό, η μελέτη της θερμοδυναμικής είναι στην πραγματικότητα η μελέτη του πώς και γιατί η ενέργεια κινείται μέσα και έξω από τα συστήματα. Υπάρχει μια ποικιλία διαφορετικών πειραμάτων που μπορούν να είναι αποτελεσματικά στην εξήγηση της θερμοδυναμικής στα παιδιά.

Πριν από τη διεξαγωγή πειραμάτων, τα παιδιά πρέπει πρώτα να κατανοήσουν τους τρεις νόμους της θερμοδυναμικής. Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής δηλώνει ότι οποιαδήποτε αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια ενός συστήματος ισούται με το σύστημα μείον την εργασία που επιτελεί το σύστημα. Ο δεύτερος νόμος ορίζει ότι η θερμότητα δεν μπορεί ποτέ να μεταφερθεί από ένα ψυχρότερο σώμα σε ένα θερμότερο. Ο τρίτος νόμος της θερμοδυναμικής αναφέρεται στην κατάσταση εντροπίας ή τυχαιότητας, στην οποία ένα σύστημα, καθώς πλησιάζει μια θερμοκρασία απόλυτου μηδέν, αναγκάζεται να αντλήσει ενέργεια από άλλα κοντινά συστήματα. Ωστόσο, καθώς αντλεί ενέργεια από αυτά τα συστήματα, δεν θα φτάσει ποτέ στο απόλυτο μηδέν, καθιστώντας τον τρίτο νόμο της θερμοδυναμικής μια φυσική αδυναμία.

Ένα διασκεδαστικό και νόστιμο, πείραμα που μπορούν να κάνουν τα παιδιά είναι να φτιάξουν σπιτικό παγωτό, χρησιμοποιώντας μια συνταγή που βρίσκεται στον ιστότοπο του Kelvin Kids Club (zapatopi.net/kelvin/kidsclub). Ακολουθώντας τη συνταγή, τα παιδιά θα έχουν δει πώς η θερμική ενέργεια στο μείγμα παγωτού ρέει σε διάλυμα άλμης, το οποίο ήταν σε ψυχρότερη θερμοκρασία λόγω του αλατιού που προστέθηκε για τη μείωση της θερμοκρασίας του, έως ότου τόσο το παγωτό όσο και η άλμη ήταν ίδια θερμοκρασία. Η θερμότητα του θερμότερου σώματος μεταφέρθηκε στο ψυχρότερο σώμα έως ότου και οι δύο έγιναν στην ίδια θερμοκρασία, αποδεικνύοντας έτσι το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής.

Αυτό το πείραμα εξετάζει γιατί ένα δοχείο με βραστό νερό σταματά ξαφνικά να βράζει όταν τοποθετείται ένας παγάκι. Ζεσταίνετε μια κατσαρόλα νερού σε μια σόμπα μέχρι να βράσει σταθερά, και στη συνέχεια τοποθετήστε αρκετά παγάκια στην κατσαρόλα. το νερό θα σταματήσει αμέσως να βράζει. Αυτό το πείραμα αποδεικνύει επίσης τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, αποδεικνύοντας ότι η θερμότητα από τον καυστήρα θα ρέει πάντα στο ψυχρότερο αντικείμενο στο δοχείο, το οποίο στην περίπτωση αυτή είναι ο πάγος. Επομένως, η θερμότητα από τον καυστήρα σταματά να κάνει το νερό να βράσει καθώς λειτουργεί αντίθετα να κάνει το στερεό πάγο να λιώσει και να γίνει νερό.

Περισσότερα πειράματα κατάλληλα για παιδιά που περιλαμβάνουν θερμοδυναμική μπορούν να βρεθούν στο βιβλίο του Peter Barnham "The Science of Cooking". Ο Barnham, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ του Ηνωμένου Βασιλείου, εξηγεί πώς η προετοιμασία και η μαγειρική γεύματα περιλαμβάνουν θερμοδυναμική αρχές. Στο βιβλίο, ο Barnham ερευνά τη χημεία των τροφίμων, συζητώντας πώς συμβάλλει στη γεύση ενός συγκεκριμένου φαγητού. Ο Barnham διερευνά επίσης το ρόλο της θερμοδυναμικής στο μαγείρεμα, με τα περισσότερα κεφάλαια να περιλαμβάνουν ένα πείραμα με βάση τα τρόφιμα που μπορούν να κάνουν τα παιδιά.