Απόλυτο Μηδέν – Κλίμακα Κέλβιν

Πολλοί μαθητές αλλά και μεγαλύτεροι έχουν αναρωτηθεί για την χαμηλότερη θερμοκρασία στην φύση (τους -273 βαθμούς Κελσίου). Αυτή η χαμηλότερη  θερμοκρασία είναι γνωστή ως Απόλυτο Μηδέν.
Με αυτή την ανάρτηση θα δείξουμε ένα τρόπο προσέγγισης αυτής της ανακάλυψης, όπου ο εκπαιδευτικός παρουσίαζοντας τις ιδιότητες των ιδανικών αερίων και συγκεκριμένα μέσω της ισόχωρης μεταβολής στη θερμοδυναμική ή και στην Χημεία , θα δώσουν την ευκαιρία στους μαθητές να ανακαλύψουν και να απαντήσουν σε ερωτήματα όπως

Πως έγινε αυτή η ανακαλύψαμε το Απόλυτο Μηδέν;

Πως υποπτευθήκαμε την ύπαρξή του;

Πως προσεγγίσαμε την τιμή του;

Γιατί φτιάξαμε και χρησιμοπούμε την κλίμακα Κέλβιν;

H Ισόχωρη Μεταβολή είναι ένας από τους 3 νόμους των Ιδανικών Αερίων ο συνδιασμός των οποίων οδηγεί στην συνοπτική περιγραφή τους με την καταστατική εξίσωση. Να επισημάνω ότι  νόμοι των αερίων καθώς και η καταστική εξίσωση παντού στα σχολικά βιβλία διατυπώνονται με την θερμοκρασία να είναι στην κλίμακα Κέλβιν (απόλυτη θερμοκρασία).

Κατά την γνώμη μου η παρουσίαση στους μαθητές από τον εκπαιδευτικό ή δίνοντας φύλλα εργασίας θα πρέπει να μην αποκαλύψει τον αντικειμενικό της σκοπό δηλαδή την προσέγγιση της τιμής του ‘Απόλυτου μηδέν’ αλλά να παρουσιαστεί σαν μελέτη της ισόχωρης μεταβολής των ιδανικών Αερίων.

Εξηγούμε ότι σε  οποιαδήποτε ισόχωρη μεταβολή αερίου παρατηρούμε αύξηση της πίεσης όσο αυξάνεται η θερμοκρασία ή μείωση της πίεσης όσο μειώνεται η θερμοκρασία. Σε αυτό το σημείο θα μπορούσαμε να θέσουμε και ως ερώτημα να ‘ανακαλύψουμε’ και να διατυπώσπυμε τον νόμο της ισόχωρης μεταβολής … αλλά σε μια εποχή προγενέστερη της ‘ανακάλυψης’ της κλίμακας Κέλβιν. Την εποχή δηλαδή που μετρούσαν σε βαθμούς Κελσίου ή Φαρεναιτ.

Απόλυτο Μηδέν (-273 βαθμοί Κελσίου)

Χρησιμοποιώντας την προσομοίωση ισόχωρης μεταβολής από PhET  παίρνουμε ένα αριθμό μετρήσεων της πίεσης για διαφορετικές θερμοκρασίες (σε κλίμακα Κελσίου). Οι μαθητές χρησιμοποιώντας το online λογισμικό της Geogebra  ή και με την χρήση μελιμετρέ χαρτιού αποτυπώνουν τα ζεύγη (θερμοκρασίας,πίεσης) σε σύστημα συντεταγμένων.

Έχοντας φτιάξει οι μαθητές την γραφική παράσταση και στα πλαίσια της ‘ερευνας’ σχετικά με την ισόχωρη μεταβολή ζητάμε να προβλέψουν τιμές πίεσης για πολύ ψηλές θερμοκρασίες στην συνέχεια ζητάμε προβλέψεις  και για χαμηλές θερμοκρασίες. Η τελευταία χαμηλή θερμοκρασία φροντίζουμε να είναι αρκετά χαμηλή ώστε να προκύψει αρνητική πίεση περιμένοντας κάποιος να παρατηρήσει το παράδοξο…Αν όχι το επισημαίνουμε …

Αν η παρουσίαση έχει γίνει με φύλλα εργασίας πολλών μαθητών ή ομάδων μαθητών συγκρίνουμε τα αποτελέσματα (υπολογίζουμε μέσες τιμές κλπ) για την χαμηλότερη τιμή θερμοκρασίας-Απόλυτο Μηδέν.

Κλίμακα Κέλβιν

Το επόμενο στάδιο που αφορά την κλίμακα Κέλβιν μπορούμε να το προσεγγίσουμε ζητώντας από τους μαθητές να διατυπώσουν τον νόμο της Ισόχωρης Μεταβολής χρησιμοποιώντας όμως θερμοκρασία σε βαθμούς Κελσίου…Διαπιστώνουν μια διαφορετική έκφραση από αυτή που γνώριζαν και βλέπουν ότι το ίδιο φαινόμενο περιγράφεται με πιο δύσχρηστη έκφραση…

Δείχνουμε πόσο απλά διατυπώνεται ο νόμος της Ισόχωρης Μεταβολής αν μετακινήσουμε στην γραφική παράσταση τον κατακόρυφο άξονα της πίεσης στο σημείο του Απόλυτου Μηδέν και πλέον τα μεγέθη πίεσης – θερμοκρασίας από ‘γραμμικώς εξαρτώμενα’ μετατρέπονται σε ‘ανάλογα’ απλοποιώντας την σχέση που συνδέει την πίεση με την θερμοκρασία στην Ισόθερμη Μεταβολή

Στο παρακάτω βίντεο θα δείτε μια ενδεικτική παρουσίαση των παραπάνω

επίσης είναι χρήσιμα τα βίντεο για το εργαστήριο προσομοίωσης αλλά και του λογισμικού της Geogebra