Articles

College of Engineering

Dr. Skip’s Corner: K-12 Teaching Adventures @ OSU Engineering

October 2004

Skip Rochefort, Ellen Momsen, and Tom Thompson (Philomath HS)

The Science and Engineering of Brewing Tea:
Engineering Science for Middle School through High School –
Connecting the Science to the Engineering

Op de jaarlijkse bijeenkomst van de Oregon Science Teachers Association (OSTA) op 8 oktober was het OSU College of Engineering aanwezig om onze K-12 outreach en Women & Minorities in Engineering programma’s onder de aandacht te brengen. We hielden verschillende workshops voor leerkrachten van middelbare scholen die demonstreerden hoe ENGINEERING in de klas kan worden gebracht. Veel van de activiteiten die momenteel worden gebruikt door leraren natuurkunde en biowetenschappen kunnen worden uitgebreid met een “engineering-aanpak” van wetenschappelijk onderzoek, of wat ingenieurs “probleemoplossing” noemen. De meeste onderwerpen die elke maand in deze rubriek aan bod komen – ijs maken, auto’s met chemische aandrijving, gels in het dagelijks leven, superabsorberende polymeren, enz. – laten de leerlingen niet alleen kennismaken met ingenieurswetenschappen, maar kunnen ook worden gebruikt om te voldoen aan de eisen voor experimenteel ontwerpen, analyseren en interpreteren van resultaten van de CIM-benchmark voor de 10e klas. Een van de voorbeelden van technische wetenschappen die op de OSTA-bijeenkomst werden gepresenteerd was: “Thee zetten: Een technisch uitloogproces.” Bijna iedereen heeft wel eens thee gezet of iemand thee zien zetten, dus dit is een voorbeeld waar iedereen zich in kan vinden. Hoe maken we dit een ingenieurswetenschap of wetenschappelijk onderzoek voorbeeld, vraag je je misschien af? Lees verder voor alle spannende details!

ENGINEERINGSCIENCE CLASSROOM TOPICScience, Engineering, and Tea Extraction

Introductie door Tom Thompson, Philomath High School
Het thee-extractielaboratorium illustreert de verbinding tussen wetenschap en techniek in de klas. De volgende CIM-benchmark in natuurkunde heeft betrekking op de inhoud van dit practicum:

Analyseer de effecten van verschillende factoren op fysische veranderingen en chemische reacties.

In dit geval kijken we naar een fysische verandering met het uitlogen van in water oplosbare stoffen in thee met behulp van water als oplosmiddel. Het proces van uitloging is belangrijk voor een verscheidenheid van chemische systemen. Door uitloging worden voedingsstoffen uit de bodem verwijderd. Het is er verantwoordelijk voor dat natuurlijke toxische mineralen hun weg vinden naar het grondwater. Het is ook waardevol bij het verwijderen van toxines zoals wordt beschreven in de bijgevoegde paper.

In de inleiding van het artikel wordt niet alleen de chemie van het uitloogproces beschreven, maar worden ook de verbanden tussen wetenschap en techniek geïllustreerd. De wetenschap in het artikel betreft het onderzoeken van de oplosbaarheid van een giftige verbinding uit fluweelbonen. In dit geval testen de auteurs bekende wetenschappelijke beweringen over uitloging onder minder bekende omstandigheden. Wanneer de auteurs beginnen te praten over het proces van extractie van de chemische stof zodat 99% wordt verwijderd, hebben ze het over engineering. In dit geval helpen de wetenschap van uitloging en een specifiek onderzoek naar uitloging ingenieurs bij het ontwerpen van een proces om 99% van de giftige chemicaliën te verwijderen. In dit geval biedt de techniek een context voor het bedrijven van wetenschap.

Het technische probleem in het theelab is het ontwerpen van een proces om thee uit te logen en daarbij de energiekosten en de brouwtijd laag te houden. Om het proces te kunnen ontwerpen, moeten chemische ingenieurs iets weten over het uitlogen van thee onder verschillende omstandigheden van temperatuur en tijd. De wetenschappelijke beweringen die zouden kunnen worden getest zijn:

  1. Concentratie van in water oplosbare chemicaliën is afhankelijk van de temperatuur omdat chemicaliën de neiging hebben beter oplosbaar te worden bij hogere temperaturen.
  2. Concentratie van in water oplosbare chemicaliën zal in de loop van de tijd veranderen omdat ze moeten diffunderen van de binnenkant van de stukjes thee naar het water aan de buitenkant.

De engineering vindt plaats wanneer de wetenschappelijke gegevens worden gebruikt om een optimale temperatuur en tijd voor het brouwen te ontwerpen. Waarschijnlijk zal het bedrijf dat grote partijen gebrouwen thee wil maken, de temperatuur laag willen houden om de energiekosten te verlagen, maar de tijd kort willen houden om de capaciteit te vergroten.

ENGINEERING SCIENCE CLASSROOM TOPICEngineering Analysis of Tea Brewing — A Leaching ProcessDr. Skip Rochefort, Chemical Engineering Department, Oregon State University

BACKGROUND
In chemisch-technische termen wordt het proces waarbij een opgeloste stof met behulp van een oplosmiddel uit een vaste stof wordt geëxtraheerd, uitlogen genoemd. Het proces van uitloging zal worden bestudeerd aan de hand van een van de oudste experimenten die de mensheid kent: het zetten van thee. Het uitlogen van thee uit theebladeren kan op een aantal manieren worden bereikt, maar de meest gebruikelijke is om de vloeistof (water) in contact te brengen met de theebladeren onder gecontroleerde temperatuursomstandigheden. De temperatuur van het water varieert meestal van kamertemperatuur (zogenaamde “zon-thee”) tot bijna het kookpunt (hete thee). De snelheid waarmee de uitloging plaatsvindt, is een sterke functie van de temperatuur van het uitloogwater.

Je bent zojuist door de LIPTON TEA Co. aangenomen als procesingenieur. Uw eerste opdracht is het ontwerpen van een proces voor het zetten van thee dat het bedrijf zal gebruiken in zijn snel groeiende markt voor gebottelde thee. De eerste stap is het ontwerpen van een eenvoudig laboratoriumexperiment dat uw ingenieursteam zal voorzien van een reeks gegevens die een ingenieur zou kunnen gebruiken om een “efficiënt” proces voor het zetten van thee te ontwerpen.

Uw ontwerpparameters moeten zijn: een maximale productiesnelheid en minimale bedrijfskosten (d.w.z. energie), met behoud van de productkwaliteit.

PROJECTBESCHRIJVING
Experimenteel ontwerp
– Ontwerp een experiment om gegevens te verzamelen die u de informatie geven die nodig is om de gegeven taak te volbrengen (thee proces ontwerp).

    Experimentele materialen (beschikbaar voor studenten)

    • theezakjes, thermometer en thermokoppel
    • Pasteur pipet (3ml glas) en plastic pipet (10ml); pipetter (plunjer type).
    • maatcilinder (10 of 25ml),
    • bekers ( 250 ml of vergelijkbaar), piepschuim bekers, plastic koffiebekers met deksels.
    • monsterverzamelflesjes (ca. 15ml) met doppen (10 flesjes)
    • verhitter/roerplaat en magnetische roerstaafjes

    Projectplanning (groepjes van 3 leerlingen)
    1) Schrijf een voorlopig experimenteel plan en bespreek het met je docent.

      Vragen om over na te denken bij het plannen van experimenten:

      • Wat zijn de belangrijke parameters om te meten (concentratie, temp., tijd)?
      • Wat is het temperatuurbereik dat van belang is?
      • Hoe verkrijgt men monsters?
      • Hoe zal de concentratie van de thee worden bepaald? Is een “absolute concentratie” nodig of is een “relatieve concentratie” voldoende? HINT: Denk na over het ontwikkelen van een ijkcurve met behulp van “thee-standaarden

      2) Voer enkele “voorlopige experimenten” uit om de parameters vast te stellen voor een goed opgezet experiment, dat in de volgende laboratoriumsessie moet worden voltooid.
      3) GEGEVENS OPNEMEN EN UITDELEN MET GROEPSGEGEVENS

      TOEPASSINGSOPDRACHT ENGINEERINGSSECIENCE Technische analyse van het brouwen van thee – een uitloogproces

      Suggesties voor het CIM-project van de 10e graad van de middelbare school
      Berekeningen, gegevensanalyse en procesontwerp

      1) Doe met behulp van EXCEL het volgende:

  1. LIJST alle uitlogingsgegevens van de concentratie van de oplossing als functie van de uitlogingstijd bij elke temperatuur (ten opzichte van de theestandaard die in het lab is gegeven als Co=1.0)
  2. Grafeer ALLE concentratie-tijdgegevens bij de verschillende temperaturen op EEN ENKELE grafiek. Gebruik verschillende symbolen voor elke temperatuur en zorg ervoor dat de legenda de temperatuurgegevens goed aangeeft (NIET “serie 1”, “serie 2”, enz.).

2) Identificatie van een tijdconstante (tL) voor het uitloogproces als functie van de temperatuur.

In elk proces dat door de temperatuur wordt begrensd (zoals het zetten van thee) is het mogelijk een karakteristieke tijd voor het proces vast te stellen, die gewoonlijk de tijdconstante (tL) voor het proces wordt genoemd.

Voor het in het laboratorium bestudeerde theebrouwproces zullen wij de tijdconstante (tL) aanduiden als het tijdstip waarop de concentratie 50% van de eindconcentratie heeft bereikt.

Hoe kleiner de waarde van de tijdconstante (tL), des te sneller het proces.

    Gebruik EXCEL:

  1. Lijst de tijdconstante (tL) versus temperatuur gegevens in uw spreadsheet.
  2. PLOT de tijdconstante (tL) versus temperatuur voor uw experimentele gegevens.

3) U bent zojuist door de LIPTON TEA Co. aangenomen als procesingenieur. Uw eerste opdracht is het ontwerpen van een proces voor het zetten van thee dat het bedrijf zal gebruiken in zijn snel groeiende markt voor gebottelde thee. Uit alle laboratoriumexperimenten die je hebt uitgevoerd, beschik je nu over een reeks gegevens die een chemisch ingenieur zou kunnen gebruiken om een “efficiënt” proces voor het zetten van thee te ontwerpen.

Uw ontwerpparameters moeten zijn: een maximale productiesnelheid en zo laag mogelijke bedrijfskosten (d.w.z. energie), met behoud van de productkwaliteit. Wat zouden uw aanbevelingen zijn voor de bedrijfsomstandigheden van het theebrouwproces? VERKLARING van uw aanbevelingen, zodat de technische beoordelingscommissie van het bedrijf ervan overtuigd is dat u gelijk heeft (d.w.z. VERKOOP uw procesontwerp aan de beoordelingscommissie).

TOP TOPICE VAN DE KLASSE ENGINEERING SCIENCE Engineering Analysis of Tea Brewing — A Leaching Process

Algemene opmerkingen en voorgesteld lesrooster (kan gewijzigd worden)
NOOT: Elke “Sessie” duidt op een lesperiode van 1 uur en 50 minuten

    Sessie 1

  1. Probleemstelling (project) en toewijzing van groepen (gewoonlijk 3 personen).
  2. Voorbereidend experimenteel ontwerp – brainstormen in groep.
  3. Voorbereidende experimenten – gegevens verzamelen van eenvoudige experimenten
  4. HW-opdracht – elke student ontwikkelt een experimenteel plan op basis van voorlopige experimenten voor de volgende klassensessie.
    Sessie 2

  1. Groep ontwikkelt “herzien experimenteel plan” op basis van individuele plannen.
  2. Klasdiscussie – groepen delen hun experimenteel plan.
  3. Groep ontwikkelt “herzien experimenteel plan #2” op basis van klassikale discussie.
  4. Groepen beginnen met uitvoering experimenteel plan.

Sessie 3
LAB SESSIE – groepen voeren experimenteel plan uit.

    Sessie 4

  1. Gegevensanalyse en -interpretatie – gebruik van spreadsheetprogramma (Excel) voor plotten van gegevens.
  2. Verzamel “ontbrekende gegevens” indien nodig.
  3. HW-opdracht – elke student (of groep) analyseert experimentele resultaten en bereidt gegevenstabellen en -plots voor. Stel een “optimaal procesontwerp” voor op basis van beperkingen – minimaliseer tijd en energie.
    Sessie 5

  1. Groepspresentatie van resultaten — Klassikale discussie.
  2. Klas stelt “optimaal ontwerp voor het theebrouwproces” voor.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.