Måling på udåndingensluften (lærervejledning) Sammendrag Jo mere musklerne skal arbejde, jo mere energi skal der frigøres i forbindelse med muskelcellernes respiration - og jo mere ilt forbruges der og jo mere kuldioxid og vand produceres der. Kuldioxiden og vandet afgives til blodet og transporteres til lungerne, hvor kuldioxiden og en del af vandet afgives til omgivelserne. Faglig baggrund Ved ånding trækkes der nyt luft ned i lungerne. Fra luften i lungerne diffunderer ilt (O 2 ) over i blodet og kuldioxid (CO 2 ) fra blodet over i lungerne. Med blodet transporteres ilten ud til kroppens celler, bl.a. kroppens muskelceller. Ude i cellerne anvendes ilten til cellernes respiration: C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O + energi Energien benyttes bl.a. til muskelens arbejde. Jo mere musklerne skal arbejde, jo mere energi skal der frigøres i forbindelse med muskelcellernes respiration - og jo mere kuldioxid og vand produceres der. Kuldioxiden og vandet afgives til blodet og transporteres til lungerne, hvor kuldioxiden og en del af vandet afgives til omgivelserne. Der kan drages nogle sammenligninger mellem kroppen som energiomsætter og fx en forbrændingsmotor hvor benzin (fx C 9 H 20 ) afbrændes. I både cellerespiration og forbrænding af benzin, bliver det dannet kuldioxid og vand som slutprodukter. C 9 H 20 + 14 O 2 9 CO 2 + 10 H 2 O benzin + ilt kuldioxid + vand Forskellen på forbrænding i kroppen og i en forbrændingsmotor, er selvfølgelig temperaturen. I kroppen kan cellerespiration foregå ved 37 C pga. tilstedeværelsen af visse enzymer. I moderne biler er der elektronisk styring af benzinindsprøjtning, sådan at der er et optimalt (støkiometriske) forhold mellem brændstoffet (benzin) og ilt. Hvis der kommer for meget benzin i forhold til ilt, vil forbrændingen være ufuldstændig. Det giver både et lavere energiudbytte og udslip af sod (uforbrændt benzin) gennem udstødningen. Nyttevirkningen i kroppen og i en forbrændingsmotor er omtrent 25 %. I tilfældet med forbrændingsmotoren, kan den indre energi i benzin nemlig ikke 100 % overføres til kinetisk energi ved arbejde. Vi vil altid, ligesom i kroppens celler, få omdannet noget af energien til varmeenergi. Brænder vi benzin i et åbent kar, altså i et åbent system, vil næsten al energien i benzinen blive omdannet til varmeenergi. Selvfølgelig er energiudbyttet det samme i de to tilfælde (i henhold til termodynamikkens 1. lov). Teknisk baggrund Kuldioxidsensoren skal kalibreres før brug. Den benytter infrarød stråling til måling af CO 2 -koncentrationen og skal derfor have tid til at varme op ca. 1½ minut. Dette værk er licenseret under Creative Commons Navngivelse 2.5 Danmark Licensen. Les mere om projektet på www.dlis.eu. Side 1 af 5
Da vi ofte ser, at CO 2 -niveauet inde i lokaler med mange mennesker kan komme op på 1000-1200 ppm, bør kalibreringen foretages udendørs eller i et rum, hvor der ikke er mange mennesker. Sensoren kalibreres til 400 ppm for Pasco GLX og 380 ppm for Verniers LabQuest. Vær opmærksom på, at det kan være vanskeligt at kalibrere hvis temperaturen er for lav. Hvis kuldioxidsensoren kan indstilles på flere måleskalaer (kun Verniers sensor), skal den sættes på den største skala. Udåndingsluft indeholder forholdsvis høje koncentrationer af CO 2. Hvis der også skal anvendes iltsensor, skal denne også kalibreres. Iltsensoren kalibreres til 20,9 %. Iltsensoren baserer sig på opløsning af ilt i en elektrolyt, og man skal derfor være klar over at kalibreringen er temperaturafhængig. Pga. elektrolytten skal iltsensoren ikke opbevares i en lufttæt beholder, og den skal helst opbevares lodret. Nærmere oplysninger om, hvordan de enkelte sensorer virker og hvordan de kalibreres, kan findes i brugsanvisninger bagerst i mappen. Udstyr Plastpose Saks Klemme Elastikker el. tape Laboratoriestativ Kuldioxid-sensor Ev. ilt-sensor Datalogger el. computer Opstilling af udstyret I skal starte med at kalibrere (indstille) ilt- og kuldioxid-sensoren. Vi ved, hvor meget ilt og kuldioxid, der er i atmosfæren (luften omkring jer). Derfor vil kalibreringen få sensorerne til at indstille sig på disse værdier, og dette er udgangspunktet for målingerne. I lokaler med mange mennesker, vil der ofte være et lidt lavere iltindhold og et lidt større kuldioxidindhold end normalt. Derfor skal i gå udenfor, når I vil kalibrere sensorerne: I plastposen klippes et lille hul så på størrelse med spidsen af kuldioxid-sensoren og sensoren kommer til at måle inde i plastposen. Plastposen fastgøres til sensoren med elastik eller tape, så samlingen er lufttæt. Kuldioxid-sensoren (med plastpose) fastgøres på laboratoriestativet. Sensoren forbindes til datalogger eller computer. Dette værk er licenseret under Creative Commons Navngivelse 2.5 Danmark Licensen. Les mere om projektet på www.dlis.eu. Side 2 af 5
Fremgangsmåde Forsøgspersonen ånder ind i posen. Luk posen vha. klemmen og start dataopsamlingen. Efter 1½ minut stoppes dataopsamlingen. (Det tager ca. 90 sekunder for sensoren at stabilisere sig på et konstant niveau) Ovenstående gentages 2 gange. Første gang efter at forsøgspersonen har udført et arbejde i 1 minut (fx ved at lave stepøvelser, løbe op og ned af trapper eller cykle på kondicykel) og derefter efter at forsøgspersonen har udført det samme arbejde i 2 minutter. Sørg for, at forsøgspersonens pulser kommet ned på hvilepulsniveau inden arbejdet sættes i gang. Imellem de enkelte dataopsamlinger skal plastposen krænges tilbage over sensoren, så den gamle luft kan skiftes ud. Samtidig skal sensoren have tid til at stabilisere sig på samme udgangsniveau (ca. 400 ppm.) det tager ca. 2 minutter. Man skal ikke kalibrere sensorerne imellem de enkelte dataopsamlinger Spørgsmål der kan drøftes Hvad er indholdet af CO 2 i luften der indåndes? Hvad er indholdet af CO 2 i udåndingsluften hos personen i hvile? Hvad er årsagen til at indholdet af CO 2 i udåndingsluften er anderledes? Er der en sammenhæng mellem ilt/kuldioxid-indholdet og hvor meget arbejde forsøgspersonen har lavet? Hvorfor tror I, det er sådan? Hvorfor tror I, der ofte er et lidt lavere iltindhold og et lidt større kuldioxidindhold end normalt i lokaler med mange mennesker? Diskussion af resultater Formålet med forsøget er at vise, at jo mere energi der skal frigøres i forbindelse med respirationsprocessen, jo mere ilt forbruges der, og jo mere kuldioxid bliver der frigjort. I forsøget her, hvor Dette værk er licenseret under Creative Commons Navngivelse 2.5 Danmark Licensen. Les mere om projektet på www.dlis.eu. Side 3 af 5
eleverne måler på en udånding efter at have fortaget en dyb indånding, vil eleverne tydeligt kunne registrere denne forskel. Under normale forhold fx hvis man løber en tur vil CO 2 og O 2 indholdet i udåndingsluften ligge nogenlunde konstant - uafhængigt af muskelarbejdet. Kroppen vil kompensere for det forøgede iltforbrug ved at øge åndedrætsfrekvensen og åndedrætsdybden. Nedenfor er vist nogle typiske kurver for CO 2 og O 2 i udåndingsluften. Efter hårdt arbejde Efter let arbejde I hvile Efter let arbejde Efter hårdt arbejde Eleverne skal blive opmærksomme på at O 2 /CO 2 -inholdet i atmosfæren er relativt konstant, med et indhold på henholdsvis ca 20,9 % og 380 ppm (milliontedel = 0,000380 %). Det er denne viden, der gør at vi kan kalibrere sensorerne. Forsøget giver derfor anledning til at diskutere med eleverne, hvad det vil sige at kalibrere en sensor. Variationer af forsøget Man kan lade eleverne opstile hypoteser forud for afvikling af forsøget hvad forventer de, at der vil ske? Forsøget kan også udføres ved at forsøgspersonen inde 2. udånding holder vejret i et halvt minut og inden 3. udånding holder vejret i et minut. Forsøget kan også udføres med ilt-sensor eller fugtighedssensor i stedet. Forsøget kan også udføres ved at der anvendes flere sensorer ad gangen. Fx både kuldioxid- og ilt-sensor eller både kuldioxid-sensor, ilt-sensor og en fugtigheds-sensor. Der skal blot laves et par ekstra huller i plastposen og arrangere, at der kan spændes flere sensorer fast på stativet. Dette værk er licenseret under Creative Commons Navngivelse 2.5 Danmark Licensen. Les mere om projektet på www.dlis.eu. Side 4 af 5
Man kan også anvende et flowmeter (spirometer), til at mængden af luft som sendes igennem lungerne pr tidsenhed (lungeventilationen). Man vi se at den forøges i takt med, det arbejde man laver. Dette værk er licenseret under Creative Commons Navngivelse 2.5 Danmark Licensen. Les mere om projektet på www.dlis.eu. Side 5 af 5