Preizkusi toplotne dinamike za otroke

Termična dinamika, imenovana tudi termodinamika, je postopek prenosa toplote iz enega območja v drugega. Toplota je oblika energije, kar pomeni, da je prenos toplote pravzaprav prenos energije. Iz tega razloga je študij termodinamike pravzaprav preučevanje, kako in zakaj se energija premika v in iz sistemov. Obstajajo številni različni poskusi, ki so lahko učinkoviti pri razlagi termodinamike otrokom.

Pred izvajanjem poskusov morajo otroci najprej razumeti tri zakone termodinamike. Prvi zakon termodinamike pravi, da je vsaka sprememba notranje energije sistema enaka sistemu, zmanjšana za delo, ki ga sistem opravi. Drugi zakon določa, da toplote nikoli ni mogoče prenesti iz hladnejšega telesa v toplejše. Tretji zakon termodinamike se nanaša na stanje entropije ali naključnosti, v katerem je sistem, ko se približuje temperaturi absolutne ničle, prisiljen črpati energijo iz drugih bližnjih sistemov; ko pa energijo črpa iz teh sistemov, nikoli ne bo dosegel absolutne ničle, zaradi česar bo tretji zakon termodinamike fizično nemogoč.

Zabaven in okusen eksperiment, ki ga lahko izvedejo otroci, je priprava domačega sladoleda po receptu na spletnem mestu Kelvin's Kids Club (zapatopi.net/kelvin/kidsclub). Otroci bodo po receptu videli, kako je toplotna energija v mešanici sladoleda tekla v raztopino slanice, ki je bila na hladnejša temperatura zaradi dodane soli za znižanje temperature, dokler sladoled in slanica nista bila enaka temperatura. Toplota toplejšega telesa se je prenašala na hladnejše telo, dokler oba nista postala enaka temperatura, kar je pokazalo drugi zakon termodinamike.

Ta poskus preizkuša, zakaj lonec z vrelo vodo nenadoma preneha vreti, ko vanj vstavimo kocko ledu. Lonec z vodo segrevajte na štedilniku, dokler ne zavre, nato v lonec položite več kock ledu; voda bo takoj prenehala vreti. Ta poskus dokazuje tudi drugi zakon termodinamike, ki dokazuje, da bo toplota iz gorilnika vedno tekla do najhladnejšega predmeta v loncu, ki je v tem primeru led. Zato toplota iz gorilnika preneha vreti vodo, saj namesto tega trdi led stopi in postane voda.

Več primerov, primernih za otroke, ki vključujejo termodinamiko, najdete v knjigi Petra Barnhama "Znanost o kuhanju". Barnham, profesor na univerzi v Bristolu v Združenem kraljestvu, pojasnjuje, kako priprava in kuhanje jedi vključuje termodinamične načel. V knjigi se Barnham poglobi v kemijo živil in razpravlja o tem, kako to prispeva k okusu določene hrane. Barnham raziskuje tudi vlogo termodinamike pri kuhanju, pri čemer večina poglavij vsebuje eksperiment na osnovi hrane, ki ga lahko izvajajo otroci.