Wrzenie wody

Poprawna odpowiedź

D.

Wymaganie ogólne

2 Przeprowadzanie doświadczeń i wyciąganie wniosków z otrzymanych wyników.

Wymaganie szczegółowe

2.8. Energia. Uczeń wyjaśnia przepływ ciepła w zjawisku przewodnictwa cieplnego oraz rolę izolacji cieplnej
8.2. Wymagania przekrojowe. Uczeń wyodrębnia zjawisko z kontekstu, wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla wyniku doświadczenia

Komentarz

Wrzenie cieczy polega na jej gwałtownym parowaniu nie tylko na powierzchni, ale również w całej objętości. W trakcie podgrzewania cieczy zjawisko to zaczyna zachodzić, gdy ciśnienie wewnątrz pęcherzyków gazu tworzących się w cieczy zrównuje się z ciśnieniem zewnętrznym. Przy ustalonym ciśnieniu zewnętrznym ciecz wrze wówczas w ściśle określonej temperaturze, nazywanej temperaturą wrzenia. 

Nie w każdych jednak warunkach osiągnięcie temperatury wrzenia jest równoznaczne z zainicjowaniem tego zjawiska. Jeśli podgrzewamy wodę w garnku, to pomiędzy rozgrzanymi od palnika ściankami naczynia a cieczą istnieje znaczna różnica temperatur. W tej sytuacji następuje szybki przekaz ciepła pomiędzy ściankami a zawartością naczynia. Pęcherzyki pary wodnej o odpowiednio wysokim ciśnieniu formują się wówczas w temperaturze bliskiej 100°C –  początkowo w pobliżu rozgrzanych ścianek naczynia, a następnie już w całej objętości wody. 

Nieco inaczej wygląda sytuacja w mniejszym naczyniu, wstawionym w większy garnek. Różnica temperatur pomiędzy wodą w garnku,  a ściankami mniejszego naczynia nie jest tak znaczna, jak w poprzednim przypadku, wobec czego przekazywanie ciepła zachodzi wolniej. Gdy w końcu woda w mniejszym naczyniu osiąga temperaturę wrzenia, ciepło przestaje przepływać od ścianek, ponieważ nie ma różnicy temperatur pomiędzy naczyniem, a garnkiem, w który je włożono. Brak przepływu ciepła uniemożliwia powstawanie przy ściankach naczynia pęcherzyków pary wodnej – następuje zwykłe parowanie powierzchniowe i wrzenie nie zachodzi. Mamy wówczas do czynienia z cieczą przegrzaną i przy ciśnieniu atmosferycznym należałoby podgrzać wodę do temperatury około 120°C, aby doprowadzić ją do wrzenia. 

Zadanie warto wykorzystać na lekcji w połączeniu z pokazem, demonstrującym opisaną sytuację, zwłaszcza, że doświadczenie to jest bardzo proste do przeprowadzenia. Interpretacja zaobserwowanego zjawiska może być dla uczniów sporym wyzwaniem. Wprawdzie w badaniu prawidłową odpowiedź D: „do wody w metalowym naczyniu nie dostarczono wystarczającej ilości ciepła” wybrał największy odsetek uczniów klasy… uczestniczących w badaniu… (37%), jednak niewiele rzadziej była wybierana odpowiedź  C: „średnia energia kinetyczna cząsteczek wody w garnku jest mniejsza od średniej energii kinetycznej cząsteczek wody w metalowym naczyniu” (30,5%). Uczniowie decydujący się na nią zapewne przeoczyli fakt, iż temperatura wody w metalowym naczyniu jest równa temperaturze wody w garnku, a zatem w obu przypadkach średnia prędkość cząsteczek (a zatem ich energia kinetyczna) jest taka sama. 

Pozostałe dwie odpowiedzi były wybierane dwukrotnie rzadziej. Na odpowiedź A: „ciśnienie wewnątrz metalowego naczynia jest mniejsze od ciśnienia atmosferycznego” zdecydowało się 14,3% uczniów, pomimo oczywistej nieprawdziwości tego stwierdzenia. Wewnątrz naczynia z wodą (to znaczy na pewnej głębokości pod jej powierzchnią) panuje ciśnienie wyższe, będące sumą ciśnienia atmosferycznego i ciśnienia wywieranego przez słup wody znajdującej się powyżej. Z kolei odpowiedź B: „temperatura wody w garnku jest mniejsza od 100°C” wybrało 16,9% uczestników badania. Również to stwierdzenie jest w oczywisty sposób nieprawdziwe – skoro woda w garnku wrzała, jej temperatura musiała wynosić 100°C.

Słowa kluczowe

Poprawna odpowiedź

1.Tak., 2.Nie., 3.Nie.

Wymaganie ogólne

2 Przeprowadzanie doświadczeń i wyciąganie wniosków z otrzymanych wyników.

Wymaganie szczegółowe

2.8. Energia. Uczeń wyjaśnia przepływ ciepła w zjawisku przewodnictwa cieplnego oraz rolę izolacji cieplnej
2.9. Energia. Uczeń opisuje zjawiska topnienia, krzepnięcia, parowania, skraplania, sublimacji i resublimacji
2.10. Energia. Uczeń posługuje się pojęciem ciepła właściwego, ciepła topnienia i ciepła parowania
8.2. Wymagania przekrojowe. Uczeń wyodrębnia zjawisko z kontekstu, wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla wyniku doświadczenia

Komentarz

Aby rozwiązać prawidłowo kolejne etapy zadania, należy przeanalizować opisaną sytuację doświadczalną: w jednym z garnków znajduje się woda, w drugim – olej. W obu z nich zanurzone są naczynia z wodą. Oba garnki podgrzewamy „w taki sam sposób”, czyli przy pomocy takich samych palników, co w praktyce oznacza, że dostarczamy im taką samą ilość energii w określonej jednostce czasu.  

Z tekstu dowiadujemy się, że w momencie, w którym wrzała woda, w naczyniu zanurzonym w oleju sam olej jeszcze nie wrzał. Zauważmy, że woda znajdująca się w naczyniu nie ogrzała się do temperatury wrzenia bezpośrednio od palnika, lecz pobierała ciepło za pośrednictwem kąpieli olejowej. Świadczy to o tym, że temperatura oleju była wówczas wyższa niż temperatura wrzenia wody – inaczej energia nie przepływałaby do wody. Z tej obserwacji powinniśmy wysnuć wniosek, że olej wrze w wyższej temperaturze niż woda. Takiej odpowiedzi udzieliło 69,1% uczniów klas… uczestniczących…

Podobna była rozwiązywalność kolejnego punktu – 63% uczestników badania odpowiedziała prawidłowo, że na podstawie przeprowadzonego doświadczenia nie można wnioskować, iż gęstość oleju jest mniejsza od gęstości wody. Z pewnością część uczniów rozumiała, że nie istnieje bezpośredni związek pomiędzy gęstością cieczy a jej temperaturą wrzenia. Zdarzają się bowiem substancje o podobnej gęstości, które wrą w bardzo różnych temperaturach, jak również substancje, dla których temperatura wrzenia jest podobna, pomimo znacznych różnic gęstości.

Najwięcej problemów sprawiła uczniom ostatnia część zadania. Prawidłowo rozwiązało ją 4,8% osób biorących udział w badaniu. Prawdopodobnie przyczynił się do tego problem ze zrozumieniem sensu fizycznego pojęcia „ciepło właściwe”. Termin ten należy rozumieć jako ilość energii cieplnej, którą musimy dostarczyć określonej masie substancji, aby podnieść jej temperaturę o jeden stopień. Tymczasem nigdzie w zadaniu nie ma informacji o masie wody w pierwszym garnku oraz masie oleju w drugim. Na podstawie przeprowadzonego doświadczenia nie jesteśmy w stanie stwierdzić, dlaczego temperatura oleju była wyższa od temperatury wody.

Rozwiązywalność całości zadania wyniosła w badaniu 18,2%. Wynik ten wskazuje, że uczniowie mają problem z całościową analizą przebiegu doświadczenia i interpretacją zaobserwowanych zjawisk. Prawdopodobnie wynika to z faktu, iż większość obowiązkowych doświadczeń z fizyki, z jakimi w praktyce szkolnej styka się gimnazjalista, kładzie nacisk bądź to na wyznaczenie wartości liczbowej pewnej wielkości fizycznej, bądź też na demonstrację jakiegoś zjawiska. Jakkolwiek tego typu ćwiczenia wyrabiają u uczniów niezbędny warsztat doświadczalny, warto postarać się, aby przed przystąpieniem do jakichkolwiek pomiarów uczniowie mogli zastanowić się samodzielnie nad procesami leżącymi u podstaw danego zjawiska. 

Słowa kluczowe