Stany skupienia materii

Zagadnienia

• Wiązanie atomowe
• Potencjał oddziaływania
• Stany skupienia
• Dipol

Opis

Obserwuj różne rodzaje cząsteczek tworzących ciała stałe, ciecze lub gazy. Dostarcz lub pobierz ciepło i obserwuj zmianę fazy. Zmieniaj temperaturę lub objętość pojemnika i zobacz wykres ciśnienia i temperatury procesu w czasie rzeczywistym. Powiąż energię potencjalną oddziaływania z siłami działającymi między cząsteczkami.

PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu Na licencji CC BY 4.0

W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji, Teacher Tips (Rouinfar, lipiec 2022)

W szablonie strony wykorzystano kod html/css: phydemo.app.

Poziom

Szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Opisz model cząsteczkowy ciał stałych, cieczy i gazów.
• Rozszerz ten model o zmiany fazowe.
• Opisz, jak ogrzewanie lub oziębianie zmienia zachowanie cząsteczek.
• Opisz, jak zmiana objętości może wpłynąć na temperaturę, ciśnienie i stan skupienia.
• Powiąż wykres ciśnienie-temperatura z zachowaniem cząsteczek.
• Interpretuj wykresy potencjału międzyatomowego.
• Opisz, w jaki sposób siły działające na atomy odnoszą się do potencjału interakcji.
• Opisz fizyczne znaczenie parametrów potencjału Lennarda-Jonesa i jaki ma to związek z zachowaniem cząsteczki.

Przykładowe materiały teoretyczne

• Stan skupienia materii (Wikipedia)
• Stany skupienia materii (ZPE)
• Przemiany fazowe wody (ZPE)
• Stany skupienia i oddziaływania międzycząsteczkowe (Khan Academy)

Sterowanie symulacją

Ekran Stany skupienia (link bezpośredni)

Podgrzewaj lub ochładzaj atomy i cząsteczki i obserwuj, jak przechodzą między fazą stałą, ciekłą i gazową.

Ekran Przemiany fazowe (link bezpośredni)

Zbadaj, jak zachowuje się układ, gdy atomy i cząsteczki są podgrzewane, chłodzone, ściskane lub dodawane są kolejne cząsteczki.

Ekran Oddziaływanie (link bezpośredni)

Zbadaj, w jaki sposób związek między siłami przyciągającymi i odpychającymi rządzi interakcją między atomami.

Opcje dostosowywania

Poniższe parametry query umożliwiają dostosowanie symulacji i można je dodać, dołączając znak '?' do adresu URL symulacji i oddzielając każdy parametr query znakiem '&'. Ogólny wzorzec adresu URL to: …html?queryParameter1&queryParameter2&queryParameter3

Na przykład, jeśli w symulacji Stany skupienia materii chcesz uwzględnić tylko pierwszy i drugi ekran (screens=1,2), z domyślnie otwartym drugim ekranem (initialScreen=2), użyj: https://www.edukator.pl/tik_edukator/states-of-matter_all.html?screens=1,2&initialScreen=2

Aby uruchomić to w języku polskim (locale=pl), adres URL będzie wyglądał następująco: https://www.edukator.pl/tik_edukator/states-of-matter_all.html?locale=pl&screens=1,2&initialScreen=2

Wskazuje, że dostęp do tego dostosowania można uzyskać też z menu Preferencje lub Opcje... w symulacji.

Parametr query i opis	Przykłady
defaultCelsius - ustawia domyślną jednostkę temperatury na stopnie Celsjusza (normalnie Kelwiny).	defaultCelsius
stickyBurners - używany do utrzymywania pozycji suwaka ogrzewania/chłodzenia w miejscu.	stickyBurners
colorProfile=projector - zmienia kolory symulacji dla bardziej przejrzystej projekcji.	colorProfile=projector
screens - określa, które ekrany są włączone do symulacji i jaka jest ich kolejność. Każdy ekran powinien być oddzielony przecinkiem. Więcej informacji można znaleźć w Centrum pomocy.	screens=2,1 screens=3
initialScreen - otwiera kartę SIM bezpośrednio na określonym ekranie, z pominięciem ekranu głównego.	initialScreen=1 initialScreen=2
locale - określa język symulacji przy użyciu kodów ISO 639-1. Dostępne wersje językowe można znaleźć na stronie symulacji w zakładce Tłumaczenia. Uwaga: działa to tylko wtedy, gdy adres URL symulacji kończy się na “_all.html”.	locale=pl (polski) locale=fr (francuski)
allowLinks - jeśli false, wyłącza linki, które prowadzą uczniów do zewnętrznego adresu URL. Domyślnie jest true.	allowLinks=false

Ułatwienia dostępu

Tryb projektora i tryb pełnoekranowy

Po kliknięciu logo PhET (na dole po prawej) pojawia się okno zawierające informacje dotyczące symulacji. Możemy tu zmienić sposób jej wyświetlania.

Klikając Pełny ekran przechodzimy do trybu pełnoekranowego (powrót - klawisz escape).

Klikając Opcje… w pojawiającym się oknie możemy zaznaczyć Tryb projektora, aby ułatwić projekcję. Następuje wtedy odwrócenie kolorów, tak jak na zrzucie ekranu poniżej.

Wersje offline, niewymagające połączenia z internetem

Dostępne są również wersje symulacji niewymagające połączenia z internetem.

Aplikacja PhET Desktop zawiera wszystkie symulacje HTML5 i Java, w tym ich tłumaczenia, do użytku offline w systemach Windows i macOS (dostępne po zalogowaniu tu). Symulacje HTML5 nie wymagają dodatkowego oprogramowania, natomiast do uruchamiania dowolnych symulacji Java w aplikacji komputerowej jest wymagany Java SE Development Kit 8.

Za symboliczną opłatą możemy pobrać w postaci jednej aplikacji wszystkie materiały PhET, które zostały opublikowane w html5. Telefony, tablety i Chromebooki (z systemem Android): Google Play. iPhone'y i iPady (aplikacja na iOS): App Store

Darmową wersję desktopową tej aplikacji pobierzemy bezpośrednio klikając tu - wersja _pl zawiera polską (domyślną) i angielską wersję językową i tu - wersja _all zawiera angielską (domyślną) i wszystkie inne dostępne wersje językowe lub ze strony PhET (klikając przycisk ze strzałką przy wybranej wersji językowej):

Diagramy fazowe

Symulacja nie jest przeznaczona do wykorzystania jako kompleksowe narzędzie do nauki o diagramach fazowych, zamiast tego koncentruje się na fazach materii. Osie diagramów fazowych nie są skalowane, gdyż mają dać uczniom jedynie ogólne pojęcie dotyczące diagramów fazowych. Niewielka liczba pokazanych cząsteczek i prostota podstawowych modeli sprawiają, że trudno jest dokładnie odwzorować dokładną fazę w odpowiednich obszarach diagramu fazowego. Uznaliśmy jednak, że uczniowie mogą odnieść pewne korzyści z zapoznania się z takim uproszczonym diagramem fazowym. (Diagramy fazowe dla wody, neonu i argonu zostały zilustrowane poniżej.) W symulacji znacznik na diagramie pozostaje na linii równowagi termodynamicznej cieczy/gazu lub ciała stałego/gazu (i jest ekstrapolowany do obszaru krytycznego). Jeśli to przybliżenie nie pasuje do konkretnych celów nauczania i obawiasz się, że może to spowodować zamieszanie, możesz zachęcić uczniów do zamknięcia diagramu fazowego.

Uproszczenia modelu

• Model działa najlepiej, gdy w pojemniku znajduje się co najmniej (w przybliżeniu) 15 cząsteczek. Możliwe jest stworzenie sytuacji, w której w pojemniku znajduje się tylko kilka cząstek i w takich sytuacjach uczniowie mogą zaobserwować pewne dziwne zachowania. Jednym z przykładów są sporadyczne widoczne zmiany prędkości poszczególnych cząsteczek. Jeśli uczniowie zaobserwują takie rzeczy, powinni zostać poinformowani, że wynika to z ograniczeń modelu i nie reprezentuje zjawisk "świata realnego".
• Liczba cząsteczek, które można wpompować do układu, jest ograniczona. Paski wskaźników na pompce rowerowej pokazują, ile dodatkowych cząsteczek można wpompować do układu.
• Ta symulacja jest przeznaczona do badania stanów równowagi. W związku z tym dodawanie/usuwanie ciepła, dostosowywanie objętości i pompowanie dodatkowych cząsteczek jest celowo powolne, aby układ mógł się ogólnie zrównoważyć po wprowadzeniu zmian. (Szybsze zmiany w układzie, jeśli byłyby dozwolone, spowodowałyby większą różnorodność stanów układu).
• Ciepło utajone nie jest uwzględnione ani obsługiwane przez model w tej symulacji.
• Temperatura układu jest obliczana na podstawie prędkości cząsteczek i może się zmieniać w miarę pompowania do układu kolejnych cząsteczek.
• Ciśnienie w układzie jest pochodną przenoszenia pędu między cząsteczkami a ściankami pojemnika. W rezultacie ciśnienie w temperaturze 0 K wynosi zero.
• W symulacji możliwe jest osiągnięcie zera absolutnego, ale tempo zmian temperatury znacznie spada wraz ze zbliżaniem się do 0 K. Jest to zamierzone, ponieważ bardzo trudno jest sprawić, by układ cząsteczek osiągnął tak niską temperaturę. Osiągnięcie faktycznego zera absolutnego jest praktycznie niemożliwe, więc należy to traktować jako zaokrąglenie w dół od wartości poniżej 0,5 K.
• W przypadku wody w stanie stałym chcieliśmy pokazać, że między cząsteczkami jest przestrzeń. Prawidłowa struktura wody w stanie stałym wymaga widoku 3D, ale przy niewielkich kompromisach udało nam się pokazać sytuację jakościowo w 2D. Dodatkowo, cząsteczki wody w stanie stałym wibrują bardziej niż oczekiwano.
• Symulowana jest pewna grawitacja, ale jest ona minimalna - wystarczająca do utrzymania stałych form substancji na dnie pojemnika. Z tego powodu substancje w postaci ciekłej nie zawsze rozprzestrzeniają się wzdłuż dna pojemnika, tak jak woda w szklance. Faza ciekła nadal wizualnie różni się od innych faz pod względem odstępów międzycząsteczkowych i prędkości.
• Chociaż plazma jest stanem materii, celowo zdecydowaliśmy się nie modelować jej tutaj.
• Młodszym uczniom warto wyjaśnić, że dłoń i pojemnik nie są w ogóle skalowane, ponieważ w realnym świecie również składają się z atomów i cząsteczek.

Sugestie dotyczące wykorzystania

Wskazówki dotyczące wszystkich symulacji zawarte są w informacjach ogólnych.

Więcej porad dotyczących korzystania z symulacji z uczniami można znaleźć na stronach PhET w sekcji Wskazówki dotyczące korzystania z PhET.

Pytania ogólnoklasowe

• Udostępnij zrzuty ekranu przedstawiające wodę w stanie stałym, ciekłym i gazowym. Poproś uczniów o określenie, który zrzut ekranu najlepiej opisuje wodę w stanie ciekłym.
• Udostępnij zrzuty ekranu neonu i tlenu w temperaturach 15 K, 30 K i 45 K. Poproś uczniów, aby określili, która substancja ma najmniejsze, a która największe siły międzycząsteczkowe.

Przykładowe polecenia

• Narysuj obraz każdej substancji w stanie stałym, ciekłym i gazowym. Wyjaśnij różnice i podobieństwa między poszczególnymi stanami.
• Narysuj ilustrację każdej substancji jako ciała stałego. Opisz porównanie wody w stanie stałym z innymi substancjami i wyjaśnij, dlaczego lód unosi się na wodzie.
• Opisz sposób na zmianę fazy jednej z substancji.
• Wyjaśnij, w jaki sposób zmiana temperatury wpływa na ciśnienie wewnątrz pojemnika.
• Przewiduj, co stanie się z szybkością atomów i ilością przestrzeni między nimi, jeśli (a) ciepło zostanie dodane do układu, (b) ciepło zostanie usunięte z układu lub (c) objętość pojemnika zostanie zmniejszona.
• Opisz, w jaki sposób siły przyciągania i odpychania wpływają na wzajemne oddziaływanie dwóch atomów.
• Wyjaśnij związek między siłami przyciągania między atomami a wykresem energii potencjalnej dla pary atomów.

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Stany skupienia materii tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).