Wrzenie, ciśnienie

Poprawna odpowiedź

1 - B

2 - A

Wymaganie ogólne

1 Wykorzystanie wielkości fizycznych do opisu poznanych zjawisk lub rozwiązania prostych zadań obliczeniowych.
4 Posługiwanie się informacjami pochodzącymi z analizy przeczytanych tekstów (w tym popularno-naukowych).

Wymaganie szczegółowe

2.9. Energia. Uczeń opisuje zjawiska topnienia, krzepnięcia, parowania, skraplania, sublimacji i resublimacji
3.6. Właściwości materii. Uczeń posługuje się pojęciem ciśnienia (w tym ciśnienia hydrostatycznego i atmosferycznego)
8.2. Wymagania przekrojowe. Uczeń wyodrębnia zjawisko z kontekstu, wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla wyniku doświadczenia

Komentarz

Zadanie sprawdza umiejętność przewidywania przebiegu eksperymentu. Dotyczy problematyki ciepła: zmiany stanu skupienia, transferu ciepła oraz zależności temperatury wrzenia od ciśnienia gazu otaczającego wrzącą ciecz.

W pierwszej kolejności przeanalizujmy zasady przepływu energii cieplnej w sposób mikroskopowy. Przepływ ciepła czyli przenoszenie energii z jednego obszaru na drugi zachodzi poprzez chaotyczne ruchy cząsteczek. Cząsteczki to malutkie drobiny (molekuły) z których zbudowana jest materia. Energia cieplna jest sumą energii kinetycznej wszystkich cząsteczek wchodzących w skład danego ciała, a miarą tego ciepła jest temperatura ciała. Wyższa temperatura oznacza większą energię kinetyczną cząsteczek. Molekuły szybciej się poruszają, częściej zderzają się ze sobą i większa energia jest przekazywana w trakcie tych zderzeń. To właśnie te zderzenia odpowiadają za transfer energii cieplnej pomiędzy warstwami substancji. Na skutek wyżej przedstawionych zderzeń, niektóre cząsteczki (te które poruszają się najszybciej) mogą otrzymać na tyle dużo energii, że będą w stanie opuścić wodę i ulotnić się (przechodzą do powietrza). Ten proces nazywamy parowaniem czyli zmianą stanu skupienia z cieczy na gaz.

W przedstawionym zadaniu, do eksperymentu użyto dwóch naczyń z których z jednego odpompowano powietrze a do drugiego dołożono więcej powietrza.

Jeśli sobie uzmysłowimy, że cząsteczki powietrza znajdujące się nad wodą naciskają  na wodę (wywierają pewne ciśnienie), to zrozumiemy, że molekuły wody łatwiej przechodzą do powietrza jeśli nacisk drobin powietrza jest mniejszy. A dzieje się tak wtedy, kiedy tych drobin jest mniej, zatem w naczyniu z którego odpompowano część powietrza cząsteczki łatwiej ulatują w powietrze. W naczyniu do którego dopompowano powietrze, nacisk drobin na wodę jest większy, więc trudniej cząsteczkom wody przejść do gazu.

Widać, że w naczyniu z odpompowanym powietrzem cząsteczki wody potrzebują mniejszej energii aby opuścić wodę niż w naczyniu z dopompowanym powietrzem. Stąd wniosek, że woda w naczyniu z odpompowanym powietrzem może wrzeć w temperaturze niższej niż przy ciśnieniu atmosferycznym (niższej niż 100°C ) a w naczyniu z dopompowanym powietrzem temperatura wrzenia wody jest wyższa niż przy ciśnieniu atmosferycznym (wyższa niż 100°C). Wynika z tego, że w sytuacji przedstawionej w zadaniu woda o temperaturze  95°C może wrzeć w naczyniu z odpompowanym powietrzem (poprawna odpowiedź 1B) i nie może wrzeć w naczyniu z dopompowanym powietrzem (prawidłowa odpowiedź 2A).

Należy wyjaśnić, dlaczego odpowiedź  1C: „woda na pewno będzie wrzeć” jest błędna. Chodzi o to, że nie można z całą pewnością stwierdzić, że woda będzie wrzeć, ponieważ to zależy od ilości odpompowanego powietrza. Jeśli odpompujemy wystarczająco dużą jego masę to ciśnienie wywierane przez powietrze obniży się na tyle, że  woda znów zacznie wrzeć. Natomiast, jeśli masa powietrza odpompowanego jest zbyt mała to ciśnienie wywierane na wodę nie obniży się na tyle aby spowodować wrzenie wody w temperaturze 95°C. Zatem, woda może ale nie musi wrzeć.

Zadanie wykorzystano w badaniu przeprowadzonym na uczniach pierwszej klasy liceum ogólnokształcącego.  Odsetek uczniów, którzy prawidłowo rozwiązali to zadanie jest bardzo niski – zaledwie 23%. Stwierdzenie pierwsze poprawnie oceniło niecałe 40% uczniów, stwierdzenie drugie – 32%. Z pozoru jest to wybór prawie losowy, jednak przy dokładniejszej analizie widać różnicowanie uczniów.

Zadanie pokazuje niezrozumienie zagadnień dotyczących ciepła przez absolwentów gimnazjum. Można zasugerować, aby nauczyciele przeznaczali więcej czasu na omówienie zjawisk mikroskopowych (ruchu cząsteczek) które są kluczowe przy analizowaniu zjawisk cieplnych w substancjach, z którymi mamy do czynienia w codziennym życiu.

Słowa kluczowe