Modul nr. 1168 Energibruk i framtiden - vgs Tilknyttet rom: Energi og miljørom, Harstad
1168 Newton håndbok - Energibruk i framtiden - vgs Side 2 Kort om denne modulen Modulen tar for seg framtidas utfordringer angående energforsyning, og ser på noen mulige måter å skaffe energi på framover. Dagen starter med en gjennomgang av prinsippene for hvordan varmepumper, solceller og solfangere virker, og hva som er forskjellene mellom dem. Elevene skal så gjøre forsøk og målinger med varmepumpe, solfanger og solcelle for å beregne varmefaktor/virkningsgraden for disse. Praktisk informasjon Besøkslærer skal på forhånd ha delt inn elevene i grupper på tre eller fire, som skal samarbeide på Newtonrommet. Besøkslærer bør på forhånd orientere newtonlæreren om hvilket forarbeid klassen har gjort. Hvis ønskelig, kan deler av aktivitetene utelates, for heller å bruke mer tid på det resterende. Regler for Newtonrommet må være gjennomgått med elevene på forhånd. Hvis nødvendig (avhengig av avstand), sørger prosjekteier for transport til og fra Newtonrommet. Besøkslæreren følger med klassen på bussen. Elevene skal ha med matpakke, skrivesaker, notatblokk og kalkulator. Annet utstyr deles ut i Newtonrommet. Newtonlærer informerer om krav til sikkerhet i Newtonrommet når klassen kommer. Dersom newtonlærer blir syk vil dagen i Newtonrommet bli avlyst. Besøkslærere vil da bli oppringt av Newtonlæreren. Klassen vil få mulighet til å besøke rommet ved en senere anledning. Modulplan Forarbeid i skolen I Newton-rommet Kl 08.30-09.00: Oppstart. Informasjon og gjennomgang av aktiviteter. Kl 09.00-11.00: Elevene jobber stasjonsvis med aktivitetene, og bør i løpet av denne perioden fullføre to av disse. Kl 11.00-11.30: Lunsjpause. Kl 11.30-13.30: Elevene jobber stasjonsvis med de to siste aktivitetene. Kl 13.30-14.30: En buffer for elevene til å fullføre aktiviteter. Tiden kan også benyttes til presentasjons- eller annet rapportarbeid. Kl 14.30: Opprydning og avslutning. Etterarbeid i skolen
1168 Newton håndbok - Energibruk i framtiden - vgs Side 3 Didaktisk plan for for- og etterarbeid Forarbeid Kort beskrivelse Før elevene kommer til Newtonrommet bør de ha kjennskap til faseoverganger, og hvilke faseoverganger som avgir energi, og hvilke som frigjør energi. Et stoff kan hovedsaklig være i tre tilstander. Dette er fast form, væskeform eller gassform, slik figuren over viser. Når et stoff endrer fase mot høyre på figuren så kreves det energi fra omgivelsene. Denne energien bindes så opp i stoffet. For eksempel kreves det energi å gå fra is (fast form) til vann (væskeform). Denne energien blir så bundet opp i vannet. Motsatt vei, når et stoff endrer fase mot venstre så frigjøres det energi til omgivelsene. For eksempel når vann (væskeform) går over til is (fast form) så slippes det ut energi til omgivelsene. Det er også en fordel om elevene kjenner til innholdet i termofysikkens 2. lov. Hvis vi lar du være endringen i et systems indre energi, W være arbeid og Q være varme, så sier nevnte lov at: du = W + Q Dette betyr at endring av systemets indre energi er avhengig av arbeid og varme. Hvis arbeid tilføres systemet er W positiv, og hvis systemet avgir arbeid til omgivelsene så er W negativ. Tilsvarende gjelder for varmen Q. Videre er det slik at hvis du er positiv, så øker den indre energien til systemet, som igjen medfører at temperaturen til systemet øker. Motsatt, hvis du er negativ, så avtar den indre energien til systemet, som igjen medfører at temperaturen til systemet avtar. Hvis du for eksempel hurtig presser inn stempelet på en sykkelpumpe, så gjør du et arbeid W på luften (systemet) inni pumpen. Dette arbeidet er positivt, slik at du også vil være positiv, som igjen må bety at temperaturen til systemet (luften inni pumpen) skal øke. Alle som har prøvd å pumpe luft i et sykkeldekk vet at dette så absolutt er tilfelle. I løpet av dagen på Newtonrommet skal elevene regne ut både virkningsgrad og varmefaktor, og det er en fordel om elevene kjenner til disse størrelsene, og har en viss formening om hvordan disse kan regnes ut i forbindelse med et forsøk. Størrelsen virkningsgrad brukes når man ønsker å finne ut hvor mye man får igjen av den energien som puttes inn i et system. For eksempel mottar en solcelle energi fra solen i form av sollys. Denne energien omgjør solcellen til elektrisk energi som vi kan nyttiggjøre. Virkningsgraden for solcellen vil da kunne regnes ut som den elektriske energien vi mottar delt på solenergien vi putter inn. Virkningsgrad = (Energi ut av systemet) / (Energi inn til systemet) Virkningsgraden vil ligge mellom 0 og 1, og det er en fordel at virkningsgraden er så høy som mulig. For solceller er typisk virkningsgrad i underkant av 20% (i forsøket på Newtonrommet er den atskillig lavere enn dette pga oppsett), mens for eksempel en bilmotor kan ha en virkningsgrad på rundt 30%.
1168 Newton håndbok - Energibruk i framtiden - vgs Side 4 Varmefaktor er en størrelse som elevene kommer innom når de jobber med varmepumpen. Her er det av interesse å finne ut hvor mye ekstra energi man sitter igjen med i forhold til den elektriske energien man har betalt for. Denne ekstra energien (gratis energi) hentes fra omgivelsene, for eksempel luft eller vann. Varmefaktor = (Mottatt energi) / (Kjøpt elektrisk energi) Varmefaktoren bør i hvert fall være over 1, ellers er ikke systemet verdt å drive. En typisk varmepumpe har en varmefaktor på 4, som vil si at for hver kwh (kilowattime) man betaler for får man 4 kwh tilbake, som brukes til oppvarming av hus og hjem. Demonstrasjonsvarmepumpene på Newtonrommet har en varmefaktor på i underkant av 2. Vedlagt presentasjon kan benyttes i gjennomgangen Varmepumpe_pres.ppt Kompetansemål med læringsmål Gjennom eksperimenter skal elevene kunne beskrive ulike fysiske prinsipper som ligger til grunn for virkemåten til en varmepumpe. Kunne forklare virkemåten til de ulike komponentene på varmepumpen. Beregne varmefaktor til en varmepumpe ved å beregne forholdet mellom mottatt varmeenergi og anvendt elektrisk energi. Kunne beregne forbruk av elektrisk energi ut fra effektmålinger, og beregne mottatt varmeenergi ved å se på temperaturendring i vann. Gjøre vurderinger rundt faktorer som reduserer varmefaktoren til varmepumpen. Forklare virkemåten til en solcelle. Beregne virkningsgraden til et solcellepanel. Kunne beregne mottatt solenergi ved bruk av lysintesitetsmåler. Gjøre vurderinger rundt faktorer som reduserer virkningsgraden til solcellen. Forklare virkemåten til en solfanger. Beregne virkningsgraden til en solfanger. Kunne beregne innkommen solenergi ved hjelp av en lysintensitetsmåler. Gjøre vurderinger rundt faktorer som reduserer virkningsgraden til en solfanger. Kunne skrive logg etter forsøkene og bruke digitale hjelpemidler for å presentere resultatet Gjennomføring og metodikk Gjennomgå vedlagte presentasjon med elevene. Vedlegg til aktivitet Varmepumpe_pres.ppt
1168 Newton håndbok - Energibruk i framtiden - vgs Side 5 Etterarbeid Kort beskrivelse Etterarbeidet for denne modulen kan ta for seg: skriving av rapporter eller fullførelse av rapporter knyttet til modulens tema. diskusjon rundt modulens tema, for eksempel lønnsomhet knyttet til de ulike energikildene, gjerne i sammenheng med virkningsgrader og varmefaktor regnet ut i løpet av dagen. Etterarbeidet trenger ikke å ta mer enn 2 skoletimer. Hvordan utnytter man best energien fra sola, solceller eller solfangere? Hvilke faktorer er det som kan avgjøre dette spørsmålet? Er det lønnsomt å investere i en varmepumpe, eller bør man holde seg til tradisjonell oppvarming? Hva er det som avgjør dette spørsmålet? Kompetansemål med læringsmål Gjennom eksperimenter skal elevene kunne beskrive ulike fysiske prinsipper som ligger til grunn for virkemåten til en varmepumpe. Kunne forklare virkemåten til de ulike komponentene på varmepumpen. Beregne varmefaktor til en varmepumpe ved å beregne forholdet mellom mottatt varmeenergi og anvendt elektrisk energi. Kunne beregne forbruk av elektrisk energi ut fra effektmålinger, og beregne mottatt varmeenergi ved å se på temperaturendring i vann. Gjøre vurderinger rundt faktorer som reduserer varmefaktoren til varmepumpen. Forklare virkemåten til en solcelle. Beregne virkningsgraden til et solcellepanel.
1168 Newton håndbok - Energibruk i framtiden - vgs Side 6 Kunne beregne mottatt solenergi ved bruk av lysintesitetsmåler. Gjøre vurderinger rundt faktorer som reduserer virkningsgraden til solcellen. Forklare virkemåten til en solfanger. Beregne virkningsgraden til en solfanger. Kunne beregne innkommen solenergi ved hjelp av en lysintensitetsmåler. Gjøre vurderinger rundt faktorer som reduserer virkningsgraden til en solfanger. Kunne skrive logg etter forsøkene og bruke digitale hjelpemidler for å presentere resultatet Gjennomføring og metodikk Vedlegg til aktivitet
1168 Newton håndbok - Energibruk i framtiden - vgs Side 7 Forankring i læreplanene i Kunnskapsløftet (LK 06) Gjennom eksperimenter skal elevene kunne beskrive ulike fysiske prinsipper som ligger til grunn for virkemåten til en varmepumpe. Kunne forklare virkemåten til de ulike komponentene på varmepumpen. Beregne varmefaktor til en varmepumpe ved å beregne forholdet mellom mottatt varmeenergi og anvendt elektrisk energi. Kunne beregne forbruk av elektrisk energi ut fra effektmålinger, og beregne mottatt varmeenergi ved å se på temperaturendring i vann. Gjøre vurderinger rundt faktorer som reduserer varmefaktoren til varmepumpen. Forklare virkemåten til en solcelle. Beregne virkningsgraden til et solcellepanel. Kunne beregne mottatt solenergi ved bruk av lysintesitetsmåler. Gjøre vurderinger rundt faktorer som reduserer virkningsgraden til solcellen. Forklare virkemåten til en solfanger. Beregne virkningsgraden til en solfanger. Kunne beregne innkommen solenergi ved hjelp av en lysintensitetsmåler. Gjøre vurderinger rundt faktorer som reduserer virkningsgraden til en solfanger. Kunne skrive logg etter forsøkene og bruke digitale hjelpemidler for å presentere resultatet