Εκπαιδ. Λογισμικό Φυσική β'-γ΄ γυμνασίου, Βρασμός: Διαθεματική προσέγγιση

ΕΠΙΜΟΡΦΩΣΗ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΩΝ ΣΤΗ ΧΡΗΣΗ ΚΑΙ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΤΠΕ ΣΤΗΝ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΗ ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ

Νίκος Παπασταματίου, φυσικός, Σχολικός Σύμβουλος κλΠΕ04

Διδακτικές προτάσεις: Βρασμός νερού-ατμοκίνηση, διαθεματική παρουσίαση

Εκπαιδευτικό λογισμικό Φυσικής β΄- γ΄ τάξεων Γυμνασίου

Νίκος Παπασταματίου ● Εκπαιδευτικό λογισμικό Φυσικής β΄- γ΄ τάξεων γυμνασίου ● Διδακτικές προτάσεις: Βρασμός ●

Ιούνιος 2008


Ομάδα δημιουργίας:

Νίκος Παπασταματίου, φυσικός, καθηγητής Δ.Ε.

Ευριπίδης Χατζηκρανιώτης, επ. καθηγητής Φυσικού Α.Π.Θ.

Δημήτρης Ψύλλος, καθηγητής Π.Τ.Δ.Ε. Α.Π.Θ.

Συνεργάτες:

Κώστας Κορομπίλης, φυσικός, M Ed, καθηγητής Δ.Ε.

Αλέκος Μπάρμπας, φυσικός, Δρ Διδακτικής Φ.Ε. & Ν.Τ., καθηγητής Δ.Ε.

Γκαρώ Μπισδεκιάν, φυσικός, Δρ Διδακτικής Φ.Ε. & Ν.Τ., καθηγητής Δ.Ε.

Ψηφιοποίηση:

Εκδόσεις Γενναδείου Σχολής

Έργο συγχρηματοδοτούμενο 75% από το Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο και 25% από εθνικούς πόρους στο πλαίσιο του Γ΄ ΚΠΣ/ ΕΠΕΑΕΚ ΙΙ / Ενέργεια 2.2.1 / Πράξη 2.2.1α ‘’Αναμόρφωση των προγραμμάτων σπουδών και συγγραφή νέων εκπαιδευτικών πακέτων’’

Στέλιος Κεσανίδης, γενική διεύθυνσηΓιώργος Γεραλής, προγραμματισμόςΆννα Καραμάνη, προγραμματισμόςΓιώργος Τεμπέλης, προγραμματισμός Αντώνης Θεοδωρακάκος, 3D γραφικάΑντώνης Παπαθεοδούλου, 3D γραφικά

Νίκος Παπασταματίου ● Εκπαιδευτικό λογισμικό Φυσικής β΄- γ΄ τάξεων γυμνασίου ● Διδακτικές προτάσεις: Βρασμός ●

Ιούνιος 2008



…αποθήκευση αρχείου και επιλογή

διαφανειών

Νίκος Παπασταματίου ● Εκπαιδευτικό λογισμικό Φυσικής β΄- γ΄ τάξεων γυμνασίου ● Διδακτικές προτάσεις: Βρασμός ● Ιούνιος 2008


Ο Έλληνας μηχανικός ΄Ηρων, πριν δύο χιλιάδες χρόνια περίπου, ήταν ο πρώτος που σκέφτηκεότι ο ατμός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κίνηση αντικειμένων. Επινόησε την αιολόσφαιρα (Αιόλου πύλαι), το πρώτο λειτουργικό πρότυπο θερμικής μηχανής.

Ατμός και παραγωγή κίνησης: Ήρων



Ο ατμός, που εκτοξεύεται από τα δύο ακροφύσια, περιστρέφει την αιολόσφαιρα. Η αιολόσφαιρα δε χρησιμοποιήθηκε ποτέ για πρακτικούς σκοπούς.

Αναπαράσταση αιολόσφαιρας.



Όμως, την πρώτη λειτουργική ατμομηχανή κατασκεύασε ο Άγγλος σιδεράς Νιούκομεν το 1712 . Η μηχανή του ήταν εξυπηρετική και αξιόπιστη αλλά ιδιαίτερα αντιοικονομική. Για να λειτουργήσει χρειαζόταν ολόκληρα βουνά από κάρβουνο. Δεν ήταν κατάλληλη για άλλη χρήση, εκτός από το να κινεί αντλίες στα ορυχεία. Το 1765 λειτουργούσαν περίπου εκατό τέτοιες «πυρομηχανές».

Η ατμομηχανή Νιούκομεν



κύλινδρος

ατμολέβητας

ζυγός

έμβολο αντλίας αναρρόφησης

βαλβίδαεισόδου ατμού

αντλία νερούψύξης

έμβολο

Προσομοίωση λειτουργίας ατμοκίνητης αντλίας Νιούκομεν.

Η «πυρομηχανή» Νιούκομεν

ψύξη ατμού, συμπύκνωση και δημιουργία κενού αέρα



Ο Σκότος κατασκευαστής μαθηματικών οργάνων Βατ γύρω στα 1770 κατάφερε να βελτιώσει την πρώτη ατμομηχανή, προσθέτοντας ξεχωριστό δοχείο συμπυκνωτή.Μείωσε έτσι κατά 75% την απαιτούμενη για τη λειτουργία της ποσότητα κάρβουνου, κάνοντάς την οικονομικότερη και αποδοτικότερη. Επίσης, επινοώντας καταλλήλους οδοντωτούς τροχούς (τον πλανητικό συμπλέκτη) κατάφερε να μετατρέψει την παλινδρομική κίνηση σε περιστροφική.

Η ατμομηχανή του Τζέιμς Βατ



Ο Βατ για να μετατρέψει την παλινδρομική κίνηση του διωστήρα σε περιστροφική, επινόησε ένα σύστημα οδοντωτών τροχών, το ζεύγος ήλιος-πλανήτης. Στην άκρη του διωστήρα που κινείται πάνω-κάτω από το ζυγό (δοκό) βρίσκεται ο «πλανήτης», ο οποίος περιστρέφει τον «ήλιο» που είναι στερεωμένος στον άξονα του σφονδύλου.

ήλιοςπλανήτης

ζυγός

διωστήρας

σφόνδυλος

ιμάντας μετάδοσης κίνησης

κύλινδρος με έμβολο



Με την ατμομηχανή ο ατμόςμπορούσε να θέτει σε κίνηση τροχούς, ιμάντες, μηχανήματακαι να κινεί με σταθερή ταχύτητα μηχανές εργοστασίων υφαντουργίας, χαρτοποιίας, αλευρόμυλων, σιδηρουργείων, διυλιστηρίων, διωρύγων και αντλιοστασίων ύδρευσης.

Ατμοκίνηση και βιομηχανία ήχος



Η πρώτη ατμάμαξα (λοκομοτίβα) που κινιόταν σε σιδηροτροχιά κατασκευάστηκε από τον Άγγλο μηχανικό Τρέβιθικ το 1804. Στο πρώτο ταξίδι της μετέφερε 10 τόνους σίδερο και 70 επιβάτες, σύροντας πέντε βαγόνια με ταχύτητα περίπου 8 km/h σε απόσταση 16 χιλιομέτρων από το σιδηρουργείο Pennydarran στο κανάλι Glamorganishire (Ουαλία).

Ο σιδηρόδρομος: ατμάμαξα Τρέβεθικ



ατμολέβητας

ατμοσύρτης

έμβολο

έξοδος ατμού

βαλβίδα ασφαλείας

είσοδος ατμού

διωστήρας

καπνοδόχος

κύλινδρος

καυστήρας

Διάγραμμα ατμομηχανής σιδηροδρόμου.

Ατμομηχανή σιδηρόδρομου



Από τη δεκαετία του 1830 οι σιδηρόδρομοι διαδόθηκαν στην Αγγλία, στη Γαλλία, στη Γερμανία, στις Ηνωμένες Πολιτείες και αλλού, αλλάζοντας δραματικά τον τρόπο μεταφοράς των πρώτων υλών, των εμπορευμάτων και των ταξιδιωτών.

Σιδηρόδρομος και μεταφορές ήχος



Η εποχή της ατμομηχανής διήρκεσε σχεδόν 200 χρόνια, μέχρι που τη σκυτάλη ανέλαβαν οι μηχανές εσωτερικής καύσης, βενζινοκινητήρες και πετρελαιομηχανές, και οι ηλεκτροκινητήρες. Συνέχεια της ατμοκίνησης αποτελούν σήμερα οι ατμοστρόβιλοι, που κινούν τις ηλεκτρογεννήτριες στα ατμοηλεκτρικά και στα πυρηνικά εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος.

Από την ατμομηχανή στον ατμοστρόβιλο…



ηλεκτρογεννήτρια

συμπυκνωτής

ατμός

αντιδραστήρας

Πυρηνικό εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής

ατμοστρόβιλος

Το νερό βράζει στον αντιδραστήρα και ο ατμός που παράγεται κινεί τον ατμοστρόβιλο, που με τη σειρά του περιστρέφει την ηλεκτρογεννήτρια.



τέλος προβολής




΄Ηρων ο Αλεξανδρινός,1ος αιώνας π.Χ.

Έλληνας μαθηματικός και μηχανικός. Καταγόταν, από φτωχή οικογένεια και ήταν αρχικά τσαγκάρης. Εργάστηκε στην Αλεξάνδρεια πάνω στη μηχανική, την υδραυλική, τη γεωμετρία και την οπτική. Μια από τις εφευρέσεις του ήταν η περιστρεφόμενη με ατμό σφαίρα που ονόμαζε «αιόλου πύλαι». Η σημερινή λεγόμενη τεχνητή βροχή για το πότισμα του γκαζόν λειτουργεί με τον ίδιο ακριβώς τρόπο, μόνο που χρησιμοποιεί τη δύναμη του νερού αντί για τον ατμό. Ο ΄Ηρων είχε κατασκευάσει ουσιαστικά μια ατμομηχανή, εκατοντάδες χρόνια πριν από τη γνωστή ανακάλυψή της. Ωστόσο, αυτή η ανακάλυψή του δεν είχε κοινωνικές επιπτώσεις, καθώς οι ιστορικές συνθήκες δεν επέτρεψαν την εκμετάλλευσή της.



Άλλη εφεύρεσή του Ήρωνα είναι οι “αυτόματες πύλες ναού”. Έτσι, όταν ο ιερέας ανάβει το βωμό, ο αέρας που βρίσκεται μέσα σε μεταλλική σφαίρα με νερό θερμαίνεται και πιέζει το νερό να βγει και να μπει στον κουβά με τον οποίο συγκοι-νωνεί. Ο κουβάς, καθώς βαραίνει, πέφτει προς τα κάτω. Ο κουβάς συνδέεται με ένα σχοινί με την πόρτα του ναού. Καθώς το σχοινί ξετυλίγεται αργά, η πόρτα ανοίγει. Στο τέλος, όταν ο ιερέας σβήνει τη φωτιά, ο αέρας στο δοχείο ψύχεται, η πίεση πέφτει, το νερό ξαναμπαίνει στη σφαίρα και η πόρτα κλείνει.

Οι πόρτες του ναού ανοίγουν αυτόματα μόλις ανάψει ο βωμός και κλείνουν “από μόνες τους” μόλις σβήσει η φωτιά στο βωμό.

σφαίρα με νερό κουβάς

βωμός



Τόμας Νιούκομεν (Th. Νewcomen,1663-1729)

Άγγλoς σιδεράς και εφευρέτης. Το 1698 ξεκίνησε να δουλεύει με τον Tόμας Σέιβερι, o οποίος είχε ήδη ανακαλύψει μια ατμοκίνητη αντλία υψηλής πίεσης. Αργότερα, το 1712, μαζί με το συνεργάτη του Κάλι (John Calley) επιδέξιο υδραυλικό, τζαμά και φαναρτζή, κατασκεύασε την πρώτη λειτουργική ατμομηχανή με έμβολο. Η «πυρομηχανή», όπως την ονόμαζε, χρησιμοποιούσε τον ατμό σε ατμοσφαιρική πίεση για να αντλεί νερό από τα ορυχεία. Το 1765 λειτουργούσαν περίπου εκατό τέτοιες «πυρομηχανές Νιούκομεν».



Τζέιμς Βατ ( James Watt, 1736-1819)

Σκοτσέζος κατασκευαστής οργάνων, μηχανικός και εφευρέτης. Έπαιξε σημαντικό ρόλο στη ΒιομηχανικήΕπανάσταση με τις βελτιώσεις που έκανε στην ατμομηχανή. Όταν ήταν 17 ετών, η ατμομηχανή του Νιούκομεν τράβηξε την περιέργεια του και αποφάσισε να γίνει κατασκευαστής μαθηματικών οργάνων. Γύρω στα 1765 εργαζόμενος στο Πανεπιστήμιο της Γλασκόβης κατάφερε να βελτιώσει την ατμοκίνητη αντλία Νίουκομεν-Σέιβερι, προσθέτοντας ξεχωριστό δοχείο συμπυκνωτή.



Ρίτσαρντ Τρέβιθικ (Richard Trevithick, 1771-1833)

Άγγλος μηχανικός και εφευρέτης. Είναι γνωστός ως πατέρας της ατμάμαξας, επειδή εφεύρε το 1800 την ατμομηχανή υψηλής πίεσης. Κατασκεύασε την πρώτη σιδηροδρομική ατμομηχανή που μετέφερε επιβάτες, την παραμονή Χριστουγέννων του 1801, στο Λονδίνο. Το 1804 η ατμομηχανή του χρησιμοποιήθηκε στην πρώτη εμπορική σιδηροδρομική γραμμή, στην Ουαλία. Επίσης ανέπτυξε μηχανές ατμού για χρήση στα ορυχεία και εφηύρε μια ατμοκίνητη αλωνιστική μηχανή.



πλανήτης

ζυγός

διωστήρας

σφόνδυλος

έμβολο

κύλινδρος

ιμάντας μετάδοσης κίνησης

Προσομοίωση λειτουργίας ατμομηχανής Βατ



Προσομοίωση λειτουργίας ατμομηχανής σιδηρόδρομου

κύλινδρος

έμβολο

διωστήραςατμοσύρτηςείσοδος

ατμού

έξοδος ατμού

κύλινδρος ήχος



Ο ατμοστρόβιλος

Ο ατμοστρόβιλος (τουρμπίνα) είναι ένας τροχός με πτερύγια (φτερωτή). Η ενέργεια του ατμού που πέφτει πάνω στα πτερύγια, τον περιστρέφει.Σαν πρώτος ατμοστρόβιλος μπορεί να θεωρηθεί η αιολόσφαιρα του Ήρωνα. Οι πρώτοι σύγχρονοι ατμοστρόβιλοι κατασκευάστηκαν από τον Σουηδό μηχανικό ντε Λαβάλ, το 1883 και από τον Βρετανό Πάρσονς, το 1884.



Education

Εκπαιδ. Λογισμικό Φυσική β'-γ΄ γυμνασίου, Βρασμός: Διαθεματική προσέγγιση