Articles

College of Engineering

Dr: K-12 Teaching Adventures @ OSU Engineering

Oktober 2004

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

The Science and Engineering of Brewing Tea:
Ingenjörsvetenskap för mellanstadiet till gymnasiet –
Koppla ihop vetenskapen med ingenjörsvetenskapen

På årsmötet för Oregon Science Teachers Association (OSTA) den 8 oktober var OSU:s ingenjörsvetenskapliga fakultet på plats för att framhäva vårt uppsökande arbete för K-12 och våra program för kvinnor och minoriteter inom ingenjörsvetenskapen. Vi höll flera workshops för lärare på mellanstadiet och högstadiet som visade hur man kan föra in ingenjörskonst i klassrummet. Många av de aktiviteter som för närvarande används av lärare i fysik och biovetenskap kan utvidgas till att omfatta en ”ingenjörsmetod” för vetenskaplig undersökning, eller vad ingenjörer kallar ”problemlösning”. De flesta av de ämnen som behandlas i denna spalt varje månad – tillverkning av glass, kemikaliedrivna bilar, geler i det dagliga livet, superabsorberande polymerer osv. – introducerar inte bara eleverna till ingenjörsvetenskap, utan kan också användas för att uppfylla kraven på experimentell utformning, analys och tolkning av resultat i CIM:s riktmärke för 10:e klass. Ett av de exempel på ingenjörsvetenskap som presenterades vid OSTA-mötet var ”Brewing Tea”: En teknisk urlakningsprocess”. Nästan alla har antingen bryggt te eller sett någon brygga te, så detta är ett exempel som alla kan relatera till. Hur kan vi göra detta till ett exempel på ingenjörsvetenskap eller vetenskaplig undersökning, undrar du kanske? Läs vidare för att få alla spännande detaljer!

TEMAER FÖR KLASSERUMET FÖR INGENjörSKUNSKAPSVETENSKAPSVETENSKAPSVETENSKAP, ingenjörskonst och teextraktion

Introduktion av Tom Thompson, Philomath High School
Labbet för teextraktion illustrerar kopplingen mellan naturvetenskap och ingenjörskonst i klassrummet. Följande CIM-riktmärken i fysik relaterar till innehållet i denna laboration:

Analysera effekterna av olika faktorer på fysikaliska förändringar och kemiska reaktioner.

I det här fallet tittar vi på en fysikalisk förändring med urlakning av vattenlösliga ämnen i te med hjälp av vatten som lösningsmedel. Processen med utlakning är viktig för en mängd olika kemiska system. Genom utlakning avlägsnas näringsämnen från marken. Den är ansvarig för att naturliga giftiga mineraler hamnar i grundvattnet. Den är också värdefull när det gäller att avlägsna gifter, vilket beskrivs i det bifogade dokumentet.

Den beskriver inte bara kemin i utlakningsprocessen i sin inledning, utan illustrerar också kopplingarna mellan vetenskap och teknik. Vetenskapen i uppsatsen handlar om att undersöka lösligheten hos en giftig förening från sammetbönor. I det här fallet testar författarna välkända vetenskapliga påståenden om urlakning under mindre kända förhållanden. När författarna börjar diskutera processen att extrahera kemikalien så att 99 procent avlägsnas talar de om ingenjörskonst. I det här fallet hjälper vetenskapen om urlakning och en specifik undersökning av urlakning ingenjörer att utforma en process för att avlägsna 99 % av de giftiga kemikalierna. I det här fallet ger ingenjörskonsten ett sammanhang för att bedriva vetenskap.

Det tekniska problemet i te-laboratoriet är att utforma en process för att laka ut te samtidigt som man håller nere energikostnaderna och bryggningstiden. För att kunna utforma processen behöver kemiingenjörer veta något om urlakning av te under olika temperatur- och tidsförhållanden. De vetenskapliga påståenden som skulle kunna testas är:

  1. Koncentrationen av vattenlösliga kemikalier är beroende av temperaturen eftersom kemikalier tenderar att bli mer lösliga vid högre temperaturer.
  2. Koncentrationen av vattenlösliga kemikalier kommer att förändras med tiden eftersom de måste diffundera från insidan av tebitarna till vattnet på utsidan.

Ingenjörsyrket sker när de vetenskapliga uppgifterna används för att utforma en optimal temperatur och tid för bryggning. Det är troligt att det företag som vill göra stora partier av bryggt te kommer att vilja hålla temperaturen nere för att minska energikostnaderna men hålla tiden kort för att öka kapaciteten.

Ingenjörsvetenskapliga klassrummet TOPICEngineering Analysis of Tea Brewing — A Leaching ProcessDr. Skip Rochefort, Chemical Engineering Department, Oregon State University

Bakgrund
I kemitekniska termer kallas processen för att extrahera en lösta substans från en fast substans med hjälp av ett lösningsmedel för urlakning. Processen för utlakning kommer att studeras med hjälp av ett av de äldsta experiment som mänskligheten känner till: bryggning av te. Te kan utlakas från teblad på flera olika sätt, men det vanligaste är att vätska (vatten) kommer i kontakt med tebladen under kontrollerade temperaturförhållanden. Vattentemperaturen varierar vanligtvis från nära rumstemperatur (så kallat ”solte”) till nära kokpunkten (varmt te). Hastigheten med vilken urlakningen sker är en stark funktion av urlakningsvattnets temperatur.

Du har just anställts av LIPTON TEA Co. som processingenjör. Ditt första uppdrag är att utforma en process för bryggning av te som företaget kommer att använda på sin snabbt växande marknad för te på flaska. Det första steget är att utforma ett enkelt laboratorieexperiment som kommer att förse ditt ingenjörsteam med en uppsättning data som en ingenjör kan använda för att utforma en ”effektiv” process för att brygga te.

Dina konstruktionsparametrar bör vara att maximera produktionshastigheten och minimera driftskostnaderna (dvs. energi), samtidigt som produktkvaliteten bibehålls.

PROJEKTBESKRIVNING
Experimentell utformning
– Utforma ett experiment för att samla in data som ger dig den information som behövs för att utföra den givna uppgiften (utformning av en teprocess).

    Experimentellt material (tillgängligt för eleverna)

    • Tepåsar, termometer och termoelement
    • Pasteurpipett (3 ml glas) och plastpipett (10 ml); pipett (kolvtyp).
    • måttcylinder (10 eller 25 ml),
    • bägare ( 250 ml eller liknande), styropormuggar, kaffekoppar av plast med lock.
    • provsamlingsflaskor (ca. 15 ml) med lock (10 flaskor)
    • värmare/omrörningsplatta och magnetomrörningsstavar

Projektplanering (grupper om 3 elever)
1) Skriv upp en preliminär experimentplan och klargör den med din lärare.

    Frågor att tänka på när du planerar experiment:

    • Vad är de viktiga parametrarna att mäta (koncentration, temp., tid)?
    • Vad är det intressanta temperaturområdet?
    • Hur erhåller man prover?
    • Hur bestäms koncentrationen av te? Behövs en ”absolut koncentration” eller räcker det med en ”relativ koncentration”? Tips: Tänk på att ta fram en kalibreringskurva med hjälp av ”te-standarder

2) Utför några ”preliminära experiment” för att fastställa parametrarna för ett väl utformat experiment, som ska slutföras under nästa laborationstillfälle.
3) Registrera och dela data med gruppmedlemmarna

Ingenjörsvetenskaplig klassrumsöversiktIngenjörsanalys av tebryggning – en urlakningsprocess

RÅD FÖR HÖGSKOLANS CIM-projekt i 10:e klass
Kalkyler, dataanalys och processutformning

1) Använd EXCEL och gör följande:

  1. LISTA alla utlakningsdata om lösningens koncentration som en funktion av utlakningstiden vid varje temperatur (med hänvisning till te-standarden som gavs i labbet som Co=1.0)
  2. Grafera ALLA data om koncentrationen i förhållande till tiden vid de olika temperaturerna i en enda graf. Använd olika symboler för varje temperatur och se till att legenden identifierar temperaturdata korrekt (INTE ”serie 1”, ”serie 2” etc.).

2) Identifiering av en tidskonstant (tL) för urlakningsprocessen som funktion av temperaturen.

I varje process som är hastighetsbegränsad av temperaturen (t.ex. bryggning av te) kan man identifiera en karakteristisk tid för processen, som vanligtvis kallas tidskonstant (tL) för processen.

För den tebryggningsprocess som studeras i laboratoriet kommer vi att identifiera tidskonstanten(tL) som den tid då koncentrationen har nått 50 % av den slutliga koncentrationen .

Jo mindre värdet på tidskonstanten (tL) är, desto snabbare är processen.

    Användning av EXCEL:

  1. LISTA upp uppgifterna om tidskonstanten (tL) i förhållande till temperaturen i ditt kalkylblad.
  2. PLOTTA tidskonstanten (tL) i förhållande till temperaturen för dina experimentella uppgifter.

3) Du har just anställts av LIPTON TEA Co. som processingenjör. Ditt första uppdrag är att utforma en process för bryggning av te som företaget kommer att använda på sin snabbt växande marknad för te på flaska. Från alla laboratorieexperiment som du har utfört har du nu en uppsättning data som en kemiingenjör skulle kunna använda för att utforma en ”effektiv” process för att brygga te.

Dina konstruktionsparametrar bör vara att maximera produktionshastigheten och minimera driftskostnaderna (dvs. energi), samtidigt som produktkvaliteten bibehålls. Vilka skulle vara dina rekommendationer för driftsförhållandena för tebryggningsprocessen? Förklara dina rekommendationer så att företagets tekniska granskningsnämnd blir övertygad om att du har rätt (dvs. sälj din processkonstruktion till granskningsnämnden).

TEMA FÖR KLASSERUMMET FÖR INGENjörsvetenskapIngenjörsanalys av tebryggning – en urlakningsprocess

Allmänt om kommentarer och föreslaget schema (kan komma att ändras)
OBSERVERA: Varje ”session” avser en lektionsperiod på 1 timme och 50 minuter

    Session 1

  1. Problemformulering (projekt) och gruppindelning (vanligen 3 personer).
  2. Preliminär experimentell utformning – brainstorming i grupp .
  3. Förberedande experiment – samla in data från enkla experiment
  4. HW-uppgift – varje elev utarbetar en experimentplan baserad på preliminära experiment för nästa lektion.
    Session 2

  1. Gruppen utarbetar en ”reviderad experimentplan” baserad på de individuella planerna.
  2. Klassdiskussion – grupperna delar med sig av sin experimentplan.
  3. Gruppen utvecklar ”reviderad försöksplan nr 2” utifrån klassdiskussionen.
  4. Grupperna börjar genomföra försöksplanen.

Session 3
Labb-session – grupperna genomför försöksplanen.

    Session 4

  1. Dataanalys och tolkning – användning av kalkylprogram (Excel) för att plotta data.
  2. Samla in ”saknade data” vid behov.
  3. HW-uppgift – varje student (eller grupp) analyserar försöksresultaten och förbereder datatabeller och diagram. Föreslå en ”optimal processutformning” baserad på begränsningar – minimera tid och energi.
    Session 5

  1. Presentation av resultat i grupp – Diskussion i klassrummet.
  2. Klassen föreslår den ”optimala designen för tebryggningsprocessen”.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.