Projets scientifiques en thermodynamique

La thermodynamique implique l’étude de la chaleur et de l’énergie thermique et sa conversion en énergie mécanique. Les projets scientifiques utilisant des applications pratiques enseignent les principes de base de la thermodynamique. Ces projets s’appuient sur des matériaux disponibles et permettent une post-analyse afin d’améliorer encore davantage la compréhension. Une fois qu’il y a une compréhension fondamentale du sujet, des domaines plus avancés peuvent être explorés.

La première loi de la thermodynamique

Enseigner la première loi de la thermodynamique à l’aide d’élastiques. La première loi de la thermodynamique stipule que l’énergie peut être transformée, mais pas créée ou détruite. Utilisez un thermomètre infrarouge et mesurez la température de l’élastique au repos. Ensuite, étirez l’élastique à intervalles d’une minute et mesurez la température de l’élastique. Conformément à la première loi, le travail d’étirement des élastiques se transforme en chaleur, ce qui entraîne une augmentation de la température de l’élastique. Voyez comment la température de l’élastique change en fonction du nombre de fois que l’élastique a été étiré.

Capacité calorifique

Enseigner la capacité calorifique en comparant les solutions d’eau pure et d’eau salée. Ajoutez des quantités égales de glace à chaque bain liquide et mesurez le changement de température à différents intervalles de temps. L’eau salée a une valeur calorifique spécifique inférieure à celle de l’eau pure, de sorte que le changement de température de l’eau salée est plus grand pour la même addition de chaleur. Utilisez différentes concentrations d’eau salée et mesurez les effets de la température. Plus la concentration en sel est élevée, plus le changement de température est important pour des ajouts de chaleur égaux. Calibrer le système en utilisant la chaleur spécifique connue de l’eau pour calculer la chaleur ajoutée, puis calculer la chaleur spécifique des autres solutions d’eau salée.

loi de Charles

Utilisez des ballons pour enseigner la loi de Charles. La loi de Charles stipule que le changement de volume d’un corps est proportionnel à son changement de température tant que la pression est maintenue constante. Soufflez des ballons similaires à la même taille et placez les ballons dans des environnements chauffés, refroidis et à température ambiante. Notez ces températures pour référence. Plus la température du ballon augmente, plus le volume augmente. Après 15 minutes, calculez le volume des ballons en mesurant leur circonférence. Utilisez le ballon à température ambiante comme référence et mesurez la constante de proportionnalité entre le volume du ballon et la température ambiante externe. Utilisez ce rapport pour déterminer la température des ballons chauffés et refroidis et voir à quel point ce calcul correspond à la température réelle mesurée.

Conduction thermique

Présenter un projet qui mesure la conduction thermique à travers différents matériaux. Construisez une boîte adiabatique et séparez la boîte en deux chambres en utilisant l’un des matériaux choisis. Dans une chambre, introduire une source de chaleur. Mesurer la température des deux chambres pendant toute la durée de l’expérience. En utilisant ces températures enregistrées, calculer le transfert de chaleur total à travers le matériau en utilisant les valeurs publiées pour la conductivité des matériaux, k. Utiliser des matériaux isolants et conducteurs et voir comment leurs propriétés matérielles affectent le transfert de chaleur d’une chambre à l’autre. Pour une application dans le monde réel, utilisez un pare-air entre deux morceaux de verre pour voir l’avantage d’utiliser des fenêtres à double vitrage par rapport aux fenêtres à vitrage simple.