Experiment i miljöfysik Mats Areskoug Kroppens effekt

Transkript

1 Elevhandledning Experiment i miljöfysik Mats Areskoug Kroppens effekt Du skall undersöka hur temperatur, luftfuktighet, koldioxidhalt och syrehalt förändras då du vistas i ett slutet utrymme klimatkammaren. Du skall ur dina mätvärden beräkna kroppens effekt i watt. Syfte Människokroppen är ett biobränsledrivet kraftvärmeverk. Vi förbränner biomassa i form av vegetabilisk och animalisk föda. Den kemiska energin omvandlas till andra energiformer framför allt värme, men genom muskelarbete även rörelseenergi och lägesenergi. Du skall studera dessa energiomvandlingar genom att stänga in en kamrat i en välisolerad kammare, och mäta en eller flera av variablerna temperatur, luftfuktighet, koldioxidhalt och syrehalt. Utifrån mätvärdena skall du beräkna hur snabbt kroppen omvandlar energi, dvs kroppens effekt i watt.

2 Apparatur Kammaren är lite större än en kubikmeter (mät den!). Den är tillverkad av värmeisolerande cellplast. Dörren sluter tätt, men går att öppna inifrån. Det är helt ofarligt att sitta i den i 15 minuter och mer, men för dina mätningar räcker det med 5 minuter. Utöver kammare och mätinstrument (som beskrivs nedan) bör du ha en bordsfläkt att lufta ur kammaren med mellan mätningarna. En kabel med 220 V uttag skall dras in i kammaren genom hålet i taket. En lamphållare, monterad på träplatta, med 25 W resp 100W lampa skall kunna anslutas inne i kammaren. I de runda fönstren i ena väggen tränger ljus genom cellplasten, så att det inte blir alldeles mörkt i kammaren. I kammaren finns mätinstrument, som mäter egenskaper hos luften i kammaren. Instrumenten är kopplade via dataloggern Lab Pro till en dator med datainsamlings- och analysprogrammet Logger Pro 3.3. Kablarna dras genom hålet i taket, som tätas med en speciell plugg. Figur 1. Mätgivare för Lab Pro. Från vänster koldioxid, temperatur, relativ fuktighet, syre. Beroende på vilken eller vilka analyser du skall utföra behöver du olika mätgivare, som anges under respektive analysbeskrivning. Om du har tillgång till alla fyra givarna, temperatur, relativ fuktighet, koldioxid och syre, rekommenderar vi att du kopplar in dem alla och genomför tre mätserier enligt utförandebeskrivningen. Du får då mätvärden som räcker till alla analysmetoderna. Häng upp mätgivarna ungefär som i Figur 1. Koppla in givarna på följande ingångar på Lab Pro: Givare Analog ingång nr Temperatur 1 Relativ fuktighet 2 Koldioxid 3 Syre 4

3 Figur 2. Lab Pro datalogger med givare för "Kroppens effekt" anslutna Starta LoggerPro 3-programmet. Välj File, Open. Välj filen Kroppens effekt mätmall LoggerPro3.3 (denna mätmall finns som dokument på den diskett som medföljer detta häfte). Du kan naturligtvis också själv sätta upp en experimentfil via menyerna Experiment, Set up sensors, LabPro 1 och Experiment, Data collection. Gå in på Experiment, Show sensors. Kontrollera att programmet har hittat alla fyra mätgivarna (se Figur 3). Om inte, leta upp mätgivaren i fönstret Analog sensors till vänster, och dra den med musen till rätt ingång. Figur 3. Fönstret Sensors i LoggerPro3. Om du inte kopplar in någon av de fyra givarna måste du också tala om för programmet att den inte finns med: Experiment, Set up sensors, LabPro 1. Högerklicka på den ingång du ej använder. Klicka på Remove sensor.

4 Utförande Du som skall sitta i kammaren bör vara lätt klädd. Tag med ett kollegieblock eller liknande. Du skall sitta stilla, vänd med ryggen eller sidan mot mätinstrumenten, så att du inte andas mot dem. När försökspersonen klivit in skall medlaboranterna omedelbart stänga dörren och starta mätningarna. (Klicka på Collect uppe till höger på skärmen). Datorn registrerar nu mätvärden en gång per sekund. Mätvärdena visas direkt på skärmen både som momentana mätvärden och i grafer som funktion av tiden en graf för vardera temperatur, relativ fuktighet, syrehalt och koldioxidhalt. 1 Försökspersonen skall sitta stilla i kammaren, men kan gärna vifta lite med t ex ett kollegieblock var 30:e sekund för att få luften att cirkulera. Efter 5 minuter avslutar datorn mätserien. Släpp ut försökspersonen och intervjua honom/henne om hur luftkvaliten förändrades! Spara mätserien med Experiment, Store latest run. Studera mätvärdena som funktion av tiden. Vad finns det för gemensam orsak till att mätvärdena förändras? Studera grafen temperatur som funktion av tid. Vilken egenskap hos grafen ger ett mått på kroppens effekt? Ledning: Antag att du gör om experimentet med en försöksperson med hälften så stor kroppseffekt. Hur tror du temperaturgrafen skulle förändras? I analys 1 skall du beräkna kroppens effekt genom att studera temperaturökningen. Det kan du göra genom att jämföra med den temperaturökning du får med känd effekt i kammaren. För enkelhetens skull väljer vi att använda två glödlampor, en på 25 watt, en på 100 watt. Lufta ur kammaren noga med hjälp av fläkt, så att temperaturen är nere på samma nivå (inom några tiondels grader) som från början. Sätt in 25 W lampan och tänd den, stäng dörren och genomför en ny temperaturmätserie (Collect). Spara mätserien (Experiment, Store latest run). Lufta ut och upprepa med 100 W lampan. Under Data, Data set options kan du ge nya namn ( Kalle, 100W, 25W ) till dina mätserier Spara hela experimentet (File, Save as ) Analysen kan göras på flera olika sätt, beroende på mätapparatur och på kunskaper i fysik och kemi. Här följer ett antal olika varianter, med varierande svårighetsgrad. Genomför helst alla analyserna, eftersom de belyser experimentet på olika sätt. 1 Om någon kurva inte syns kan det bero på att mätvärdena ligger utanför skalan i diagrammet. Håll musen på axeln så att pekaren fövandlas till en orm. Drag ut skalan med musen. Alternativ: dubbelklicka på skalan, välj Axis options, skriv in nya värden på Top och Bottom.

5 Analys 1 Fordrar endast temperaturmätning Studera de tre temperaturmätningarna i samma graf. Börja att med ögonmått uppskatta kroppens effekt. Använd sedan matematiska metoder för att förfina beräkningen. Under Analyze kan du välja olika kurvanpassningar. Om du först ramar in en del av diagrammet (håll vänster musknapp nere och rita från övre vänstra till nedre högra hörnet) kommer kurvan att anpassas bara till den markerade delen av grafen. Vilken egenskap hos grafen är ett mått på effekten? Jämför detta värde för de två kända effekterna (lamporna) och för kroppen. Beräkna kroppens effekt. Extra uppgift 1 Ett värde på kroppens medeleffekt under ett dygn kan du få genom att studera kosttabeller. Hur mycket energi i kilojoule behöver kroppen under ett dygn? Hur mycket blir det per sekund? Hur stor effekt motsvarar det? Jämför ditt resultat med det du får fram i analys 1. Vad kan skillnaden bero på? Analys 2 Kräver endast mätning av koldioxidhalt När kroppen är i vila kan vi något förenklat skriva reaktionsformeln för förbränningen så här: C 6 H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H 2O + 2,9MJ Formeln säger, att då en mol druvsocker förbränns bildas 6 mol vatten och 6 mol koldioxid. Samtidigt frigörs 2,9 MJ energi. Vart tar vattnet från förbränningen vägen? Vart tar koldioxiden vägen? Vad händer med den frigjorda energin? Du har mätt mängden koldioxid som utandats i kammaren under mätperioden och kan då med formelns hjälp beräkna hur mycket energi som frigjorts. Sen är det lätt att beräkna effekten. Men först krävs en del omvandlingar. Mätinstrumentet ger ökningen av koldioxidhalten i ppm (miljondelar av gasvolymen i kammaren). Formeln kräver mängden koldioxid i mol. Du känner troligen till ett allmänt samband mellan bl a volym och materiemängd i en gas. Utnyttja det för att räkna fram utandad materiemängd koldioxid. Du kan tillfälligt ta bort glödlampsmätningarna från graferna för att tydligare urskilja mätningen på försökspersonen (Data, Hide data set) För att avläsa t ex koldioxidvärden ur grafen: Peka på mätpunkter på grafen, så visas motsvarande mätvärden (tid, mätvärde) med siffror nere till vänster i grafen. Extra uppgift 2 Hur mycket stiger koldioxidhalten i ett klassrum utan ventilation under en lektion? Utnyttja dina mätresultat för att genomföra en beräkning. Kontrollera genom att montera koldioxidmätaren i klassrummet.

6 Analys 3 Kräver mätning av temperatur och koldioxidhalt. Jämför dina värden på kroppens effekt från ett och samma experiment, mätt och beräknad utifrån temperaturökning (analys 1) respektive koldioxidökning (analys 2). Finns det någon signifikant skillnad? Kan skillnaden förklaras av de olika mätmetoderna? Är det samma energimängd man mäter i båda fallen? Analys 4 Kräver mätning av temperatur och relativ fuktighet Nu skall du undersöka vilken betydelse ökningen av luftfuktigheten i kammaren har för beräkningen av kroppens effekt. Studera grafen relativ luftfuktighet som funktion av tid (släck mätningarna med glödlampor, Data, Hide data set). Varifrån kommer den ökade luftfuktigheten? Att relativa fuktigheten ökar i kammaren innebär att kroppens energi används dels till temperaturökning, dels till förångning av vatten (via huden och via andningen). Vatten avdunstar lättare ju högre temperaturen är. Om luften är mättad med vattenånga, säger man att relativa luftfuktigheten är 100%. Detta motsvarar olika mängd vattenånga i gram beroende på temperaturen. I Figur 4 kan man avläsa mängden vattenånga per kubikmeter luft vid 10%, 20% 100% relativ luftfuktighet. Med hjälp av Figur 4 och dina mätvärden kan du ta reda på hur stor ökningen av mängden vattenånga blev i kammaren under försökets gång. Peka på mätpunkter på grafen, så visas motsvarande mätvärden med siffror. Beräkna hur stor energi och effekt kroppen utnyttjat för att förånga denna vattenmängd. Sammanställ nu effekten enligt temperaturmetoden (analys 1) och fuktighets-metoden (analys 4) på lämpligt sätt. Slutsats? Jämför med ditt värde på kroppens effekt med koldioxidmetoden.

7 Vatteninnehåll i fuktig luft % 90% 25 80% 70% 20 60% 15 50% 40% 10 30% 20% 5 10% Temperatur / o C Figur 4. Vatteninnehåll i fuktig luft. Kurvor motsvarande 10%, 20%, % relativ fuktighet

8 Analys 5 Kräver koldioxid- och syremätning Jämför i dina mätresultat hur mycket syrehalten sjunker och hur mycket koldioxidhalten ökar? Ser du något samband? Hur stämmer det med reaktionsformeln? Tänk på att mätosäkerheten är stor i tredje värdesiffran. Syret håller på att ta slut, vi måste vädra säger man kanske när många människor sitter i en trång lokal. Fundera över vilket du tror man märker först, att syrehalten minskar eller att koldioxidhalten ökar? Tabell 1. Koldioxidhalt i luft, hälsoeffekter mm CO 2 -halt Effekt ppm 280 Normalvärde i atmosfären för ca 200 år sedan, innan fossila bränslen användes 370 Normalvärde i atmosfären år Upplevs som ofräsch luft. Huvudvärk, trötthet kan börja uppkomma. Används som gränsvärde för ventilation i byggnader Retlighet och koncentrationssvårigheter kan börja uppkomma Arbetshygieniskt gränsvärde 7000 Efter flera veckors exponering: biokemiska förändringar i kroppen Svindel, blodtrycksökning Kramp, medvetslöshet, död Att fundera på Koldioxidhalten stiger tydligen snabbt när människor vistas i ett slutet rum. Som du vet ökar också koldioxidhalten i jordens atmosfär, vilket troligen kommer att leda till förändrat klimat (den ökande växthuseffekten). Är det människors utandning som är orsaken till den ökande koldioxidhalten? Hur bidrar detta, jämfört med utsläppen från fossila bränslen, till växthuseffekten? Måste vi sluta andas för att stoppa den ökande växthuseffekten?

9 Extra experiment Kroppens effekt vid fysiskt arbete Gör en variant av försöket: Utför fysiskt arbete i kammaren, lyft hantlar eller gör armhävningar. Jämför hur temperatur, luftfuktighet, koldioxid- och syrehalt förändras vid arbete och i vila. Fundera på om det är tillförlitligt att beräkna kroppens effekt i arbete med samma metoder som vi använde i vila. Ändras kroppstemperaturen vid hårt arbete? Låt försökspersonen själv mäta sin temperatur med en IR-febertermometer (som mäter kroppstemperaturen sekundsnabbt i örat) flera gånger under försöket. Om kroppstemperaturen ökar, beräkna hur mycket energi som lagrats upp i kroppen i form av värme. Hur stor effekt motsvarar detta?

10