Razgovarajte s učenicima o tome na koji su način naši predci prije desetak tisuća godina palili vatru. Brzim trljanjem dvaju komada drveta obavili smo mehanički rad – u što se taj mehanički rad pretvorio? Ako možemo mehanički rad pretvoriti u toplinu, možemo li toplinu iskoristiti za obavljanje mehaničkoga rada? Zašto poklopac na loncu, nakon što voda proključa, poskakuje? Što poklopac podiže s lonca?

Raspravite s učenicima o tome što je vodena para u navedenom procesu. Je li plin svu toplinu pretvorio u rad? Može li rad imati pozitivan i negativan predznak?

Izvedite pred učenicima jednostavan pokus.

 Pokus 1: Vatrena pumpa

Za pokus pripremite laboratorijsku tikvicu, staklenu posudu, balon i plamenik. Na otvor tikvice učvrstite balon. U staklenu posudu ulijte vodu sobne temperature i stavite je iznad plamenika. Tikvicu s balonom uronite u vodu i uključite plamenik. Kako se voda u posudi zagrijava, balon će se postupno napuhati. Razgovarajte s učenicima o opaženome.

Što se dogodilo s unutarnjom energijom zraka u tikvici kada smo mu doveli toplinu?

Učenici mogu zaključiti da se ona povećala zbog povećanja temperature. Zatim raspravite s učenicima o izvršenom radu plina na balon vodeći ih pitanjima poput: Kako objašnjavate pojavu da se balon napuhao? Što obavlja rad na balonu? Kamo je otišla dovedena toplina?

Tražite od učenika da matematički izraze odnos dovedene topline, povećanja unutarnje energije plina i rada koji je plin obavio na balonu.

Izraz U = Q – W iskoristite u daljnjoj raspravi, uz pomoć koje će učenici izvesti zaključke o predznaku topline i rada plina. Nakon toga podijelite učenike u manje skupine. Svaka skupina neka pronađe primjere za slučajeve nagativnoga rada plina (vanjska sila obavlja rad na plinu) te pozitivnoga rada plina (plin obavlja rad nad nekim tijelom) i opiše kako rad u tim slučajevima utječe na unutarnju energiju plina.

Opis primjera i zaključke predstavnik skupine neka napiše u programu MS Word te vam pošalje e-poštom, nakon čega zajednički analizirate prikupljene primjere. Zatim neka učenici formuliraju prvi zakon termodinamike.

Postupci potpore

Ako u razredu imate učenike s poremećajem pažnje i hiperaktivnosti ili učenike s oštećenjem vida ili problemima u ponašanju, vrlo je važno prije početka izvođenja pokusa ponoviti s učenicima pravila koja se odnose na izvođenje pokusa koji uključuju rukovanje kuhalom, plamenikom i ključalom vodom. Po završetku praktičnoga rada učenicima s teškoćama (npr. s oštećenjem vida, oštećenjem sluha, specifičnim teškoćama u učenju, poremećajem pažnje i hiperaktivnosti) pripremite kratke sažetke s glavnim zaključcima navedenoga pokusa koje učenici trebaju zapamtiti.

U Didaktičko-metodičkim uputama za prirodoslovne predmete i matematiku za učenike s teškoćama možete pronaći dodatne upute kako učenike uključiti u aktivnost uporabe digitalnih alata i praktičan rad.

Razgovarajte s učenicima o kruženju vode u prirodi. Kako voda dospijeva u atmosferu? Što se s vodenom parom događa u atmosferi kada se ohladi? Kako se voda vraća natrag na zemlju? Ako ste radili prethodnu aktivnost, napravite usporedbu između toga prirodnog procesa i pokusa koji ste izveli u prethodnoj aktivnosti. Koje ste sličnosti uočili?

Neka učenici u programu OneNote nacrtaju shematski prikaz kruženja vode u prirodi. Shematski prikaz kasnije će upotrijebiti kod usporedbe s načinom rada toplinskoga stroja.

Pokusom iz prethodne aktivnosti dokazali smo da plin obavlja rad na stjenke balona kada mu dovodimo toplinu. Može li taj rad biti beskonačan? Možemo li plinu beskonačno dovoditi toplinu kako bi obavljao rad na balonu?

 Pokus 2: Toplo – hladno

Istražimo kako konstruirati stroj koji će vršiti rad (pomicati klip) dulje vrijeme.

Podijelite učenike u dvije do tri skupine (ovisno o količini materijala koji imate za pokus). Svakoj skupini pripremite laboratorijsku tikvicu (obujma 2 l), gumeni čep, sisaljku (može biti i plastična injekcija bez igle) te posude s toplom i hladnom vodom. Učenici neka otvor tikvice zatvore gumenim čepom. Kroz otvor na čepu neka proguraju uski kraj sisaljke (dio injekcije na koji se stavlja igla) tako da cijeli dio prođe kroz gumeni čep. Dajte učenicima posude s toplom vodom (50 – 60 ⁰C) i zatražite neka tikvicu urone u posudu. Što uočavaju?

Pitajte učenike: Kako ćete klip sisaljke (injekcije) vratiti u početni položaj? Zatražite od učenika neka pogledaju shemu kruženja vode u prirodi koju su nacrtali. Kako se voda vratila na zemlju? Što je potrebno promijeniti u pokusu da bi se klip vratio u početni položaj?

Učenicima zatim dajte posude s hladnom vodom (15 – 20 ⁰C). Zatražite neka tikvicu izvade iz posude s toplom vodom i urone u posudu s hladnom vodom. Što su uočili? Kroz razgovor s učenicima objasnite nastajanje kružnoga procesa.

U kružnome procesu plin se vrati u početno stanje pa je promjena unutrašnje energije jednaka nuli. Iz prvoga zakona termodinamike slijedi da je toplinski stroj u jednome kružnom procesu izvršio rad: W = Q₁ – Q₂, gdje je Q₁ toplina (toplinska energija) koju topliji spremnik predaje radnom tijelu, a Q₂ toplina koju radno tijelo predaje hladnijem spremniku. Ponavljanje kružnoga procesa omogućava stalni rad toplinskoga stroja.

Postupci potpore

Po završetku rasprave učenicima s teškoćama dobro je dati unaprijed pripremljene sažetke s odgovorima na najvažnija pitanja postavljena tijekom rasprave. Kod učenika sa specifičnim teškoćama učenja dobro je provjeriti razumijevanje određenih pojmova te im po potrebi dodatno objasniti.

U Didaktičko-metodičkim uputama za prirodoslovne predmete i matematiku za učenike s teškoćama možete pronaći kako učenike uključiti u aktivnost uporabe digitalnih alata i praktičan rad.

Razgovarajte s učenicima o tome kako bi kružni proces iz prethodnoga pokusa iskoristili za rad strojeva. Kako bi takav stroj izgledao? Od čega bi se sastojao? Zatražite od učenika neka u programu OneNote nacrtaju shematski prikaz toplinskoga stroja.

Neka se učenici u animaciji Parni stroj upoznaju s načelom rada parnoga stroja po fazama. Crvenim klizačem reguliraju dovod pare, a crnim pojedine faze rada parnoga stroja.

Francuski fizičar Carnot osmislio je kružni proces s najvišim stupnjem korisnosti. Carnotov toplinski stroj sastoji se od radnoga tijela, toploga i hladnoga spremnika, kao i ostali toplinski strojevi (parni stroj, Stirlingov toplinski stroj). Što je u Carnotovu kružnome procesu različito od kružnoga procesa u ostalim toplinskim strojevima?

Pitajte učenike: Hoće li plin prestati obavljati rad na klip sisaljke (injekcije) istoga trenutka kada tikvicu izvadimo iz posude s toplom vodom?

Ponovite pokus Toplo – hladno tako da tikvicu izvadite iz posude s toplom vodom kada se klip počne podizati. Što uočavate? Zašto se klip nastavio gibati, tj. zašto je plin nastavio obavljati rad na klip sisaljke (injekcije) i kada je prestao primati toplinu? Bi li se klip sisaljke (injekcije) nastavio gibati prema dolje kad bismo tikvicu izvadili iz posude s hladnom vodom?

Zatražite od učenika neka u Hrvatskoj enciklopediji pronađu pojam adijabatski proces. Analizirajte s učenicima taj proces.

Kroz simulaciju Carnotov kružni proces s učenicima analizirajte rad Carnotova toplinskog stroja po fazama rada. Iz priloženoga dijagrama proučite izotermnu ekspanziju (1–2), adijabatsku ekspanziju (2–3), izotermno sabijanje (3–4) i adijabatsku kompresiju (4–1).

Razgovarajte s učenicima o prekomjernome iskorištavanju neobnovljivih izvora energije. Što bi se moglo učiniti kako bi se iskorištavanje neobnovljivih izvora energije smanjilo? Kako biste mogli pridonijeti uštedi energije u svome domu?

Postupci potpore

U Didaktičko-metodičkim uputama za prirodoslovne predmete i matematiku za učenike s teškoćama možete pronaći upute kako učenike uključiti u aktivnosti uporabe digitalnih alata i animacija. Objasnite učenicima animacije i postupak prođite zajedno.

Po završetku rada na animacijama učenicima možete pripremiti kratke sažetke s najvažnijim zaključcima te ih potkrijepiti slikama ili crtežima.

Razgovarajte s učenicima o tome mogu li zamisliti život bez automobila. Bi li odabrali putovanje na odmor vlakom s lokomotivom na paru koje bi trajalo danima ili krstarenje Sredozemljem na jedrenjaku? Ni fizičari prije dva stoljeća sigurno nisu zamišljali automobile koji jure brzinom od 200 km/h, vlakove koji voze brzinom većom od 300 km/h i brodove velike kao nebodere. Kružni proces, prvi zakon termodinamike i Carnotov kružni proces osnova su modernih motora s unutarnjim izgaranjem.

Pitajte učenike: Koje vrste motora s unutarnjim izgaranjem poznajete? Na kojem načelu ti motori rade? Kojim se gorivima koriste za svoj rad? Koje su im prednosti, a koji nedostatci?

Neka učenici pogledaju videozapis Benzinski protiv dizelskog motora (engl. Petrol (Gasoline) Engine vs Diesel Engine), u trajanju od 4:05 min., u kojem se uspoređuju načela rada tih dviju najpoznatijih vrste motora s unutarnjim izgaranjem. Neka učenici istraže koje su sličnosti, a koje razlike u radu tih dvaju motora te zaključke iznesu u raspravi. Kroz raspravu posebnu pozornost posvetite pitanjima: Koji motor ima veću korisnost? Koji je veći zagađivač okoliša? Što će se dogoditi ako u spremnik ulijemo pogrešno gorivo?

Razgovarajte s učenicima o alternativnim rješenjima koja bi smanjila emisiju ispušnih plinova (motori na plin i AdBlue tehnologija). Potaknite učenike na raspravu: „Biodiesel – hrana ili gorivo?“

Postupci potpore

U Didaktičko-metodičkim uputama za prirodoslovne predmete i matematiku za učenike s teškoćama možete pronaći upute kako učenike uključiti u aktivnosti rasprave i gledanja videozapisa. Objasnite učenicima videozapis te pripremite najvažnije zaključke u pisanom obliku kako bi se njima učenici mogli koristiti kod samostalnog učenja.

Za učenike koji žele znati više

Učenici koji žele znati više neka kod kuće pokušaju napraviti jednostavni toplinski stroj. Za izradu stroja postoji više videozapisa u kojima je detaljno opisan način izrade. Ponudite učenicima neka izrade toplinski stroj prema uputama iz videozapisa Kako napraviti Stirlingov motor (engl. How to Make Stirling Engine), u trajanju od 9:22 min.

Organizirajte na satu Fizike izložbu toplinskih strojeva kućne izrade. Uz Stirlingov motor neka učenici prirede i plakat s prikazom (p,V dijagram) i opisom Stirlingova kružnog procesa.