کمیکار - جلسه اول

اهداف:

آشنایی با ماشین های سبز، آشنایی با مفهوم کمیکار و اهمیت آن، آشنایی انواع کمیکار

وسایل مورد نیاز: ------

مقدمه

شیمی به عنوان یکی ازعلوم پایه دارای پیشینه تاریخی طولانی است. از معروف ترین مباحثی که این توجه به علم شیمی را نشان می دهد، مبحث کیمیاگری است. کیمیاگری در واقع تلاش برای تغییر ماهیت مواد بوده است. واژه شیمی برگرفته همین مبحث می باشد که طی دوران به این صورت به زبان فارسی وارد گشته است. طی هزاران سال از تاریخ بشر، دانش شیمی تنها منحصر به هنر تهیه اكسیرها، عطر ها و جوهرهای پاره ای از فلزات بود.

اما با ایجاد یک نگرش جدید در مورد علم شیمی به عنوان یک علم تئوریک و تجربی، دیدگاه ها نسبت به این علم تغییر کرد. اهمیت این علم بر همگان مشهود است، لذا آموزش آن در دوره های مختلف تحصیلی برنامه ریزی گشته است. آزمایشگاه شیمی و کلاس های پژوهشی می توانند علاوه بر علاقه مند کردن دانش آموزان، درک مطالب شیمی را تسهیل ببخشند. از جمله این کلاس های پژوهشی، کمیکار می باشد که می تواند سهم عمده ای را در آموزش مطالب درسی ایفا کند. برای شروع بحث بهتر است کمی با تاریخچه شیمی و تاثیر ایرانیان در مبحث الکتروشیمی آغاز گردد.

وسایل آزمایشگاهی

کمیکار

کمیکار یا خودروهای مهندسی شیمی، ماشین های الکتروشیمیایی هستند که از نیرو محرکه ای که از یک واکنش شیمیایی ایجاد می شود به حرکت درمیآیند. لفظ کمیکار بر گرفته از واژه Chemistry- engineering- car می باشد. شرط نوین بودن و زیست سازگاری، دوشرط مهم در ساخت کمیکار می باشد. هر روز رسانه های جمعی بر ایجاد خودروهایی با سوخت های زیست سازگار تاکید می کنند و این موضوع موجب توجه شرکت های بزرگ خودرو سازی بر این امر شده است. هر ساله خودروهای متفاوتی با این رویکرد طراحی و به بازار ارائه می گردد. کمیکار در اصل یک مدل ساده از این خودرو ها می باشد.
بر اساس واکنش های شیمیایی که در کمیکار ها استفاده می شوند، کمیکار ها را به 2 دسته پیل های الکتروشیمیایی و جت گاز می توان دسته بندی کرد. در نوع اول یعنی پیل الکتروشیمیایی، با تهیه پیل و کنترل واکنش آن، ماشین به کار می افتد و اما در نوع دوم با انجام یک واکنش شیمیایی که با تولید گاز همراه است، توربین نصب گشته بر روی محور به حرکت در می آید و از این طریق نیروی خود را فراهم می کند.
بعد از به حرکت در آوردن کمیکار، سیستم ترمز آن است که از اهمیت بالایی برخوردار است، به طوری هیچ گونه سیستم مکانیکی و یا فیزیکی نباید به طور مستقل در توقف ماشین دخالت داشته باشد. در مسابقات، مسافت طی شده و مقدار آب همراه ماشین معین نبوده، لذا باید بتوان ماشین را برای گستره ی مسافتی که از قبل معرفی گشته است، تنظیم کرد. کسب توانایی در تنظیم کردن مسافت از طریق کنترل واکنش شیمیایی، در دوره آموزشی، موجب آشنایی دانش آموزان با شیمی و کارآیی دروس در حال مطالعه می شود.

یک نمونه کمیکار

ویژگی های کمیکار

به علت کمبود منابع سوخت های فسیلی و همچنین آلودگی های زیست محیطی این سوخت ها، تحقیقات برای به کارگیری و توسعه خودروهایی که از این سوخت ها استفاده نکنند توسط کارخانه های خودرو سازی و دانشگاه ها آغاز گردید. این تحقیقات منجر به تعریف جدیدی به نام خودروهای سبز گردید. لفظ خودروهای سبز به دسته خودروهایی اتلاق می شود که هیچگونه آلودگی زیست محیطی ندارند. خودروهای مختلفی با رویکردهای مختلف به بازار ارایه گردیده است. یکی از رویکردها، خودروی هیبریدی می باشند که دارای دو موتور مکانیکی و الکتریکی بوده و از این طریق مصرف سوخت فسیلی را کاهش می دهند.

خودروی هیبریدی

رویکرد دیگر خودروهایی با پیل سوختی و هم چنین خودروهای الکتریکی می باشد. خودروهای الکتریکی نیازمند شارژ بوده اما خودروهای پیل سوختی با استفاده از هیدروژن و اکسیژن و انجام واکنش بین آنها که با تولید آب همراه است، انرژی لازم جهت حرکت خودرو را فراهم می کنند. کمیکار در اصل یک مدل ساده از ماشین های زیست سازگار است که آموزش اصول اولیه این خودرو ها و ایجاد نوآوری جدید در این صنعت را می توان هدف کمیکار دانست.

انواع کمیکار

همان طور که در بالا اشاره گشت، کمیکار ها براساس نیروی محرکه خود به 2 دسته طبقه بندی می شوند: کمیکار گالوانیک و کمیکارجت گاز.

کمیکار گالوانیک

این کمیکار براساس اصول الکتروشیمی کار می کند. در اصل برای ایجاد نیروی محرکه این کمیکار شروع به ساخت یک باطری دست ساز می شود. این باطری همان طور که ذکر گردید، بر اساس اصول الکتروشیمی کنترل می گردد. هر باطری یا پیل دارای اجزای مشخصی نظیر آند،کاتد والکترولیت است. تبادل الکترون بین آند و کاتد،ولتاژ و آمپراژ مورد نیاز باطری دست ساز را فراهم می کند. لذا کمیکار های گالوانیک نیازمند موتور الکتریکی است.

پیل الکتروشیمی با آند منیزیم و کاتد مس

تعاریف خصوصیات پیل

ولتاژ: ولتاژ یا اختلاف پتانسیل، نیروی الکتریکی است که جریان الکتریکی را بین آن دو نقطه برقرار می سازد. به عبارت دیگر ولتاژ برابر با مقدار کار لازم برای جابه‌جا کردن واحد بار الکتریکی از نقطه‌ای به نقطهٔ دیگر است. به زبان ساده تر، ولتاژ مانند شیبی است که حرکت جریان الکتریکی را فراهم می سازد. اگر شیب کم باشد، جریان الکتریکی وجود نخواهد داشت و اگر شیب زیاد باشد، موتور الکتریکی نمی تواند آن را تحمل کند.
آمپراژ: اگر یک کولن بار در مدت یک ثانیه از سطح مقطع یک جسم رسانا بگذرد، جریان یک آمپر از آن عبور کرده است.

کمیکار گالوانیک

کمیکار جت گاز

بسیاری از واكنش های شیمیایی با تولید گاز همراهند؛ بدین معنا كه تعداد مول های گاز در سمت فرآورده ها بیشتر از واكنشگرهاست. اصولی از شیمی که بیشتر در نوع جت گاز مورد استفاده قرار می گیرد، شیمی تجزیه است. با خروج گاز تولیدی از محفظه واكنش، گاز نیرویی به طرف جلو به ظرف وارد می كند كه از این نیرو می توان به عنوان نیروی محركه ماشین استفاده نمود.

در مسابقه كمیكار، با تنظیم مقدار واكنشگر ورودی به محفظه واكنش می توان میزان گاز تولید شده را تنظیم و از این طریق مسافت طی شده توسط ماشین را برآورد نمود. نحوه استفاده از این فشار به دو صورت است، یا خود گاز خروجی به صورت نیروی پیشرانه استفاده می شود یا با استفاده از یک توربین، گاز خروجی اقدام به حرکت کمیکار می کند. هم چنین، ماشینی كه با جت گاز كار می كند، نیازی به موتور الكتریكی نخواهد داشت. شایان ذكر است كه به دلیل مسایل ایمنی، استفاده از جت گازهای داغ در دوره اخیر مسابقات كمیكار ممنوع اعلام شد و استفاده از جت گاز منحصر به واكنش هایی شد كه در دمای پایین صورت می گیرند.

کمیکار جت گاز

تعاریف:

مول: مول یکی از واحدهای شمارشی است. به اندازه عدد آووگادرو 6/0221367 × 10²³ ذره بنیادی را یک مول از آن ذره می گویند.
فرآورده: سمت راست هر واکنش شیمیایی را فرآورده آن می نامند
واکنش دهنده: سمت چپ هر واکنش شیمیایی را واکنش دهنده آن می نامند.

فرآورده <---------- واکنش دهنده

سیستمترمز

در بخش عملکرد، شرکت کنندگان باید ماشین خود را بر حسب وزن آب و مسافتی که توسط داوران در روز مسابقه اعلام می گردد، تنظیم کنند و نگه دارند. توانایی دانش آموزان و طراحان در دقت عمل کمیکار، تیم های برتر را مشخص می کند. هر چه قدرمطلق فاصله از خط کمتر باشد، نتیجه مطلوب تر خواهد بود. در شکل زیر، تصویری از زمین مسابقه مشاهده می گردد. نکته حایز اهمیت در مسابقات این است که کمیکار نباید از خطوط مرزی جانبی و هم چنین خط مرزی پایانی خارج شود. در این صورت، مسافت طی شده، به حساب نمی آید. هم چنین، اگر ماشین به خط مرزی اولیه نیز نرسد، همین روند از سوی داوران پیش گرفته می شود.

زمین مسابقه کمیکار

بنابراین توقف ماشین بر اساس مسافتی است که در روز مسابقه تعیین می گردد. وقتی کمیکار شروع به حرکت می کند، شرکت کنندگان حق هیچگونه تماس با کمیکار را ندارند، لذا، نیاز به یک سیستم ترمز وجود خواهد داشت که ماشین را متوقف کند.

این سیستم ترمز باید براساس واکنش شیمیایی کار کند و نباید از سیستم الکتریکی و یا مکانیکی که مستقیما اقدام به توقف کمیکار می کنند استفاده گردد. برای توقف کمیکار دو گام باید انجام گیرد:

1- سرعت حرکت کمیکار را ثابت کرد: ویژگی این امر آن است که طراح می داند که کمیکارش در هر ثانیه چه مسافتی را طی خواهد کرد. برای ثابت کردن سرعت به 2 نکته باید توجه داشت:

الف: سرعت زیاد برای کمیکار توصیه نمی شود، زیرا هرچه سرعت زیاد تر باشد، هر ثانیه خطای طراح، مسافت بیشتری را به خطا می افزاید. برای مثال اگر سرعت حرکت 100 سانتی متر بر ثانیه باشد، هر ثانیه خطا یک متر خطای مسافت به نتیجه عملکرد کمیکار می افزاید.
ب: با توجه به این موضوع که مدت زمان حرکت ماشین بر روی زمین محدود است و اگر از این زمان مشخص بگذرد، به خطای حرکت کمیکار افزوده می شود، باید کمینه سرعت ممکن برای حرکت ماشین را با قوانین تنظیم کرد.

2- سیستم ترمز زمان مند گردد: برای این امر باید با انجام آزمایش زیاد متوجه شد که سیستم ترمز با ترکیب آماده شده چه مدت زمان طول می کشد تا عمل کند.

با توجه به این 2 نکته، می توان کمیکار ار متوقف کرد، زیرا با تغییر ترکیب سیستم ترمز، زمان عمل آن تغییر می کند و از طرفی چون سرعت ماشین ثابت شده است، مسافت طی شده به راحتی قابل برآورد است.

تکلیف1: برای این جلسه تحقیق کنید چه مدل ماشین های زیست سازگار وجود دارد؟
تکلیف2: چه مدل باطری هایی در دنیای امروز بیشتر کاربرد دارند؟

محل بازدید/اردو/خرید: ----