Загальна інформація
Застосування
У цьому досліді показано, як обчислювати швидкість повітрообміну за концентрацією CO2, що є вирішальним для підтримання здорової якості повітря в приміщенні, енергоефективності та загального доброго самопочуття.
Наприкінці досліду учні знатимуть, скільки повітря було обміняно, а отже, і як найефективніше здійснювати провітрювання.
Контроль якості повітря в класній кімнаті
Інша інформація (1/3)
Інша інформація (1/5)
Попередні знання
Учні та студенти мають уже бути обізнані з:
- експериментальними навичками, як-от збирання даних про концентрацію CO2 і час , вимірювання вмісту CO2
- розумінням концентрації та її вимірювання, основами динаміки рідин і газів
Принцип
Ця вправа ґрунтується на принципах динаміки течій і газообміну. Вона показує, як змінюється вміст CO2 завдяки дифузії та конвекції, коли відчиняють вікно й вищий вміст CO2 у приміщенні змішується з нижчим вмістом CO2 надворі. При цьому застосовують науковий метод вимірювання, аналізу та кількісного визначення швидкості повітрообміну.
Інша інформація (2/3)
Інша інформація (2/5)
Навчальна мета
Завдяки цьому дослідові учні навчаються, як обчислювати швидкість повітрообміну в приміщенні за концентрацією CO2. Так вони можуть кількісно визначити, скільки повітря потрапляє в приміщення за відчиненого вікна і скільки повітря його полишило.
Завдання
- Що означає концентрація газу (на прикладі CO2) у повітрі і як її вимірюють?
- Як обчислюють кінцеву концентрацію при розведенні газу?
- Як обчислюють об'єм?
Інша інформація (3/3)
Інша інформація (3/5)
Принцип повітрообміну
Через конвективні рухи повітря переміщується між внутрішнім і зовнішнім простором приміщення.
Різниця температур - не єдина рушійна сила повітрообміну; важливу роль відіграє також різниця тисків між приміщенням і вулицею, спричинена, наприклад, вітром. Коли вікно відчиняють, швидкість повітрообміну змінюється залежно від способу відчинення та від зовнішніх і внутрішніх умов.
Вікно
Інша інформація (4/5)
Обчислення (1/2)
Концентрація CO2 зовнішнього повітря стала й становить приблизно 410 ppm (станом на 2024 р.) і в деяких місцях Землі (напр., у центрах міст або в природних місцях, де є джерела CO2) може сягати 600 або 700 ppm. Щоб з'ясувати, яке значення найкраще підходить для вашого досліду, варто переглянути актуальні дані щодо вмісту CO2. Для цього розв'язку за основу взято значення 410 ppm. Формула для змішування двох газів має такий вигляд:
де: 𝑉_𝑡𝑜𝑡=𝑉_𝑖𝑛+𝑉_𝑜𝑢𝑡
де: 𝑉_𝑡𝑜𝑡: базовий об'єм, у нашому випадку це один кубічний метр
𝑉_𝑜𝑢𝑡: об'єм, який обмінявся із зовнішнім повітрям, виражений у %.
𝑉_𝑖𝑛: об'єм, який був усередині приміщення й не обмінявся, у %
Далі задано: 𝐶_𝑖𝑛: концентрація CO2 до того, як відчинили вікно
Інша інформація (5/5)
Обчислення (2/2)
𝐶_𝑜𝑢𝑡: концентрація CO2 зовнішнього повітря (410 ppm)
𝐶_𝑑𝑖𝑙: концентрація CO2 після змішування, тобто цільова концентрація CO2 у досліді 𝐶_𝑑𝑖𝑙∗ 𝑉_𝑡𝑜𝑡= 𝐶_𝑖𝑛∗ 𝑉_𝑖𝑛+ 𝐶_𝑜𝑢𝑡∗𝑉_𝑜𝑢𝑡
Щоб обчислити обміняний об'єм: 𝑉_𝑜𝑢𝑡=(𝐶_𝑑𝑖𝑙∗ 𝑉_𝑡𝑜𝑡- 𝐶_𝑖𝑛∗𝑉_𝑖𝑛)/𝐶_𝑜𝑢𝑡
Наостанок просто множать на об'єм класної кімнати в кубічних метрах, і результат - це об'єм обміняного повітря.
Тепер учні змінюють параметри, обчислюють для кожного випадку обміняний об'єм і завдяки цьому можуть з'ясувати, які умови оптимальні для ідеального мікроклімату приміщення.
Правила безпеки
- Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Теорія
Обмін між внутрішнім і зовнішнім повітрям прямо впливає на концентрацію CO2 у приміщеннях.
- Що більший повітрообмін, то нижча концентрація CO2 у приміщенні. Завдяки регулярному провітрюванню, наприклад відкриванню вікон і дверей, повітря приміщення обмінюється зі свіжим повітрям знадвору й CO2 відводиться.
- За малого повітрообміну, наприклад коли вікна лише відкинуті або зачинені, концентрація CO2 у приміщенні зростає. Утворення CO2 через дихання людей у приміщенні накопичується.
- Такі чинники, як розмір приміщення, кількість людей і тривалість використання, теж впливають на накопичення CO2 за браку повітрообміну.
- Регулярний повітрообмін завдяки провітрюванню або вентиляційним установкам є вирішальним, щоб уникнути надто високого накопичення CO2 у повітрі приміщення.
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | fybra School - прилад для контролю якості повітря в класі | 64195-99 | 1 |
Складання та виконання
Складання та виконання - частина 1
Складання
- Обчисли об'єм класної кімнати: визнач висоту, ширину й довжину приміщення, щоб обчислити об'єм.
- Вибери пристрій Fybra на панелі застосунку fybra (або застосунок для мобільних пристроїв, або на ПК за вебадресою https://fybra.app/dashboard).
- Підготуй дослід: виконай вимірювання за різних умов (напр., у повній або порожній класній кімнаті). Крім того, застосовуй різні способи змінити повітря, напр. відчинення вікна або одночасне відчинення вікна й дверей. Врахуй різні положення вікна (напр., повністю відчинене або відкинуте).
Складання та виконання - частина 4
Виконання (1/4)
Сформулюй такі гіпотези, які ти потім зможеш підтвердити або уточнити на підставі вимірювань. Ці гіпотези скеровуватимуть тебе під час виконання вимірювань:
- Яка концентрація CO2 у класній кімнаті і яка надворі?
- Що станеться, якщо ти відчиниш вікно?
- Якою буде концентрація CO2 після зачинення вікна?
- Через що виникають коливання концентрації CO2?
- Як ти обчислиш об'єм повітря, обміняного через вікно?
Виконання (2/4)
погано
краще
ідеально
Виконання (3/4)
- Вимірювальний прилад fybra у фоновому режимі безперервно записує дані про концентрацію CO2, температуру та вологість повітря.
- Протягом тривалішого часу змінюй надходження повітря й веди про це протокол (напр., від якої до якої години вікно відчинене тощо)
- Перейди в застосунку до розділу «Платформа та пристрої Fybra» і зайди в зону пристроїв на платформі Fybra.
- Скористайся кривою вимірювання, щоб отримати свої дані й занести їх у таблицю.
Виконання (4/4)
- Внеси у свою таблицю вимірювань значення часу та концентрації протягом періоду вимірювання.
- Обчисли об'єм повітрообміну: скористайся формулою для розведення концентрації газу та об'ємом приміщення, щоб обчислити повітрообмін.
Рисунок: наприклад, уводять момент часу 09:30 і концентрацію CO2 1641 ppm.
Протокол
Опрацювання результатів (1/2)
- Концентрацію CO2 вимірюють у відсотках, і вона показує кількість CO2 у пробі повітря. Наприклад, 1000 ppm CO2 означає, що тисяча частин на мільйон у пробі повітря - це CO2.
- Коли вікно відчиняють, частина повітря із зовнішньою концентрацією потрапляє до класу, а частина повітря з внутрішньою концентрацією виходить назовні, як показано на рисунку
- Виведи формулу, яка описує концентрацію газу (CO2) у газовій суміші (повітря приміщення) , що утворюється внаслідок змішування двох газових сумішей (зовнішнє повітря, повітря приміщення) з різними концентраціями.
- Виведи з цього відсоток повітрообміну.
- Обчисли об'єм приміщення.
- Обчисли, скільки повітря в кубічних метрах [м³] обмінялося із зовнішнім повітрям.
Опрацювання результатів (2/2)
- Чи узгоджуються результати з гіпотезами?
- Визнач важливі чинники, які вплинули на дослід (напр., температура всередині/зовні, кількість людей, вітер).
- Врахуй неочікувані чинники, які вплинули на результати.
- Обговори повторюваність досліду й запропонуй можливі зміни для майбутніх дослідів.
Завдання 1
Питання
Розділ 21
Завдання 2
Питання
Завдання 2
Завдання 3
Питання
Розділ 23
Завдання 4
Питання
Завдання 3
Завдання 5
Питання
Розділ 25
Завдання 6
Питання