Zobrazit na úvodní stránce článků

Na začátek článku
Titulka > Modul články > Gymnaziální vzdělávání > Rovnovážný stav soustavy

Ikona prakticky

Rovnovážný stav soustavy

Ikona inspiraceIkona hodina
Autor: Jaroslav Reichl
Anotace: Pro studium termodynamiky je podstatný pojem rovnovážný stav soustavy. Souvislost rovnovážného stavu s pravděpodobností výskytu tohoto stavu lze demonstrovat názorně a hravou formou tak, aby žáci pochopili podstatu.
Podpora výuky jazyka:
Klíčové kompetence:
  1. Gymnázium » Kompetence k učení » efektivně využívá různé strategie učení k získání a zpracování poznatků a informací, hledá a rozvíjí účinné postupy ve svém učení, reflektuje proces vlastního učení a myšlení
Očekávaný výstup:
  1. gymnaziální vzdělávání » Člověk a příroda » Fyzika » Stavba a vlastnosti látek » objasní souvislost mezi vlastnostmi látek různých skupenství a jejich vnitřní strukturou
Mezioborové přesahy a vazby: Nejsou přiřazeny žádné mezioborové přesahy.
Průřezová témata:
  1. Gymnaziální vzdělávání » Environmentální výchova » Člověk a životní prostředí
Organizace řízení učební činnosti: Skupinová
Organizace prostorová: Školní třída, Učebna v přírodě
Nutné pomůcky: noviny, stopky (hodinky, mobilní telefon)
Klíčová slova: rovnovážný stav soustavy, stav soustavy

Text článku:

Molekulová fyzika a termodynamika nepatří většinou u žáků (resp. studentů) k oblíbeným oborům fyziky. Spojuje v sobě nejen poznatky z fyziky, ale také z chemie a na vysokoškolské úrovni i poznatky ze statistiky. To vše činí tuto část fyziky náročnou. Proto je vhodné zařadit co nejvíce názorných experimentů, které tuto problematiku žákům více přiblíží. A to zejména v době, kdy se začínají s termodynamikou seznamovat poprvé.

Jedním z klíčových pojmů termodynamiky je pojem rovnovážný stav soustavy. Ten lze vysvětlit na řadě jevů z praxe (např. chladnutí kávy v místnosti, šíření vůně z voňavky místností apod.). Žáci většinou chápou, že rovnovážný stav soustavy je stav, do kterého se soustava samovolně dostane a z něhož už samovolně (tj. bez konání práce z okolí) nevyjde. Pochopit, že rovnovážný stav je ze všech možných stavů soustavy ten nejpravděpodobnější, už pro ně tak jednoduché ale není.

Příprava a provedení experimentu

Ve vyučovací hodině, která předchází hodině, v níž chceme experiment provést, vyzveme žáky, aby si přinesli do školy staré noviny. Každý žák by měl mít minimálně dva dvojlisty.

Na začátku hodiny, v níž experiment chceme provést, žáky vyzveme, aby ze dvou dvojlistů novin připravili papírovou kouli tak, aby byla pevná a nerozbalila se. Poté celou třídu žáků rozdělíme na dvě poloviny a obě skupiny se postaví naproti sobě podél delších stěn učebny. Všechny papírové koule, které žáci vyrobili, soustředíme v jedné skupině. Na tabuli učitel předkreslí jednoduchou tabulku, která bude mít tři sloupce (nadepsané číslo měření, první skupina a druhá skupina) a alespoň šest řádků.

Vysvětlíme pravidla. Na daný pokyn učitele (např. písknutí, tlesknutí) si žáci začnou přehazovat koule z jedné strany učebny na druhou. Upozorníme, že ačkoli jsou koule papírové a riziko úrazu je téměř nulové, musí být žáci opatrní. Na druhý pokyn, který vydá učitel po 10 až 15 sekundách od prvního, žáci přestanou s házením a rychle spočítají koule, které mají ve své skupině. Tento údaj nahlásí učiteli. Ten zapíše údaj do příslušného řádku tabulky k dané skupině.

Na začátku zapíše učitel do tabulky počet koulí k té skupině, která je má u sebe a zahájí vlastní experiment. Provedeme alespoň pět měření, tj. žáci si budou koule mezi sebou přehazovat v pěti po sobě jdoucích intervalech.

Vysvětlení a zhodnocení experimentu

Již během průběhu experimentu je ze zápisu na tabuli zřejmé, že se počty koulí v jednotlivých skupinách už po prvním experimentu vyrovnávají. Z původně nerovnovážného stavu, kterému odpovídalo počáteční rozložení koulí ve skupinách, přešla soustava (papírové koule v místnosti) do stavu rovnovážného, ve kterém je rozdělení koulí v obou skupinách přibližně rovnoměrné. A tento rovnovážný stav se opakuje během měření často – má tedy ze všech možných stavů nejvyšší pravděpodobnost výskytu. Pravděpodobnost, že by se při opakování popsaného experimentu všechny koule opět soustředily v jedné skupině, je velmi malá.

Je vhodné také upozornit i na úrovni střední školy na statistickou povahu zkoumání termodynamických dějů a jevů. Ačkoli se počty koulí v obou skupinách v průběhu experimentu vyrovnávají, nejsou jejich počty v každé skupině konstantní a rovné přesně polovině všech koulí (např. lze naměřit tyto počty: 15 – 15, 13 – 17, 14 – 16, 12 – 18 …). A to odpovídá statistickému rozložení pravděpodobnosti, pomocí níž se termodynamické děje a jevy popisují.

Přestože má provedený experiment své nedostatky (např. málo jeho opakování k vytvoření seriózní statistiky), přibližuje velmi názorně situaci, která odpovídá v úvodu zmíněnému příkladu se šířením vůně z voňavky místností. Původně byly všechny molekuly plynu, který má danou vůni, v uzavřené nádobce. Otevřeme-li nádobku, budou se molekuly vlivem neustálého chaotického pohybu šířit do prostoru místnosti: z původně nerovnovážného stavu přechází soustava (molekuly plynu) do rovnovážného stavu, ve kterém molekuly vyplňují prostor místnosti za daných podmínek rovnoměrně. Tento stav je ze všech možných nejpravděpodobnější. Pravděpodobnost, že se všechny molekuly vrátí zpět do lahvičky, je velmi malá.

Po skončení experimentu vyzveme žáky, aby učebnu uklidili a noviny vyhodili. Téma ke krátké diskuzi na téma třídění odpadků se přímo nabízí.

Anotované odkazy:
Příspěvek nemá přiřazeny žádné anotované odkazy.
Přiřazené DUM:
Příspěvek nemá přiřazeny žádné DUM.
Přiřazené aktivity:
Příspěvek nemá přiřazeny žádné aktivity.
 
INFO
Publikován: 11. 05. 2010
Zobrazeno: 7656krát
Hodnocení příspěvku
Hodnocení týmu RVP:
Hodnocení článku : 2.5

Hodnocení uživatelů:
Hodnocení článku :
Hodnotit články mohou pouze registrovaní uživatelé.

zatím nikdo Hodnocení článku : 5
zatím nikdo Hodnocení článku : 4
zatím nikdo Hodnocení článku : 3
zatím nikdo Hodnocení článku : 2
zatím nikdo Hodnocení článku : 1
Jak citovat tento materiál
REICHL, Jaroslav. Rovnovážný stav soustavy. Metodický portál: Články [online]. 11. 05. 2010, [cit. 2017-11-18]. Dostupný z WWW: <https://clanky.rvp.cz/clanek/c/G/8297/ROVNOVAZNY-STAV-SOUSTAVY.html>. ISSN 1802-4785.
Doporučte materiál
Licence Licence Creative Commons

Všechny články jsou publikovány pod licencí Creative Commons.


Komentáře
1.Autor: Recenzent1Vloženo: 11. 05. 2010 15:18
Článek považuji za přínosný především v tom, že prostřednictvím jednoduchých prostředků navrhuje způsob, jak žákům objasnit vztah mezi rovnovážným stavem termodynamické soustavy a statistickými procesy v soustavě. Přirozeně, že se jedná o velmi jednoduchý model, který uvedený vztah může reprezentovat jen zčásti, ale pro první přiblížení pro žáky jde podle mého názoru o dobrý nápad. Musí pak ale následovat hlubší pojmový rozbor tohoto vztahu, aby si žáci nevytvářeli jeho miskoncepce.