מארז הצלה תרמי - פרויקט STEAM (חט״ב)

למידה פרויקטלית לתחומי ה-steam, תחום תוכן: מדעי החומר - פיזיקה (אנרגיה) - שכבת גיל: כיתה ח'-ט' (נושא מרכזי: אנרגיה ואינטראקציה / חום וטמפרטורה).

העוגן בתוכנית הלימודים (Curriculum Anchor)

מבוסס על תכנית הלימודים במדע וטכנולוגיה:

תחום תוכן: מדעי החומר - פיזיקה (אנרגיה).

• שכבת גיל: כיתה ח'-ט' (נושא מרכזי: אנרגיה ואינטראקציה / חום וטמפרטורה).

• נושאי משנה ספציפיים:

  1. חום וטמפרטורה: ההבדל בין המושגים, מעברי מצב צבירה (היתוך).

  2. דרכים למעבר חום: הולכה, הסעה וקרינה.

  3. טכנולוגיה: השפעת הטכנולוגיה על החברה (פתרונות בידוד), תהליך התיכון ההנדסי.

• מיומנויות ליבה: בידוד משתנים, מדידה, הסקת מסקנות, עבודה בצוות.

---

1. האתגר - מארז הצלה תרמי

הצורך האמיתי (Real World Problem): באזורי אסון (רעידות אדמה, אזורי מלחמה) תשתיות חיוניות קורסות. במצבים כאלה קיים צורך קריטי לשנע "שרשרת קירור" (Cold Chain) - תרופות מצילות חיים, מנות דם וחיסונים שחייבים להישמר בטווח של 2-8 מעלות צלזיוס.

המשימה: עליכם לתכנן ולבנות אב-טיפוס למארז הצלה תרמי (ללא מקור אנרגיה חשמלי), קל משקל, שיצליח לשמור על קוביית קרח שלמה (או מבחנה קרה) למשך הזמן הארוך ביותר תחת מנורת חימום המדמה שמש. אילוצים - מנועי היצירתיות:

1. משקל: על המארז הריק לשקול פחות מ-150 גרם (כדי לא להכביד על המחלץ).

2. נגישות: המארז חייב לכלול מכסה שנפתח ונסגר בקלות ובמהירות (ללא פירוק המבנה כולו).

3. מידות האב טיפוס לא יעלו על 10X10X10 ס״מ.

4. חומרים (Low Tech): זמינים וזולים.

מצגת לכיתה

2. מפרט STEAM

אינטגרציה מסכמת

המדע מסביר למה החום עובר, ההנדסה מספקת את הפתרון למניעת המעבר, המתמטיקה מודדת את ההצלחה, והעיצוב הופך את הפתרון למוצר שמיש לבני אדם.

S מדע - הפיזיקה של הבידוד

התלמידים יישמו את המודל החלקיקי כדי לעצור את זרימת האנרגיה (החום) מבחוץ פנימה בשלושה ערוצים:

1. חסימת הולכה: שימוש בחומרים "לוכדי אוויר" (כמו צמר גפן או קלקר). ההבנה המדעית היא שאוויר הוא מבודד מצוין כשהוא כלוא (כי המרחק בין החלקיקים גדול וההתנגשויות מעטות).

2. חסימת קרינה: שימוש בחומרים מחזירים (רדיד אלומיניום) בצד החיצוני כדי להדוף את קרינת החום (כמו מנורת החימום).

3. חסימת הסעה: יצירת איטום הרמטי למניעת כניסת זרמי אוויר חם מבחוץ.

T טכנולוגיה - מערכות וכלים

לא רק "בנייה", אלא תפיסה טכנולוגית מתקדמת:

1. חשיבה מערכתית: ניתוח המארז כמערכת טכנולוגית (System) בעלת קלט (חום חיצוני), תהליך (בידוד ע"י החומרים) ופלט (טמפרטורה פנימית יציבה).

2. בדיקת איכות דיגיטלית (QC): שימוש בפנס הסמארטפון בתוך הקופסה הסגורה בחדר חשוך. צילום המארז מבחוץ כדי לאתר "דליפות אור" – דליפת אור מעידה על חרירים שדרכם יחדור גם חום (הסעה), ומחייבת תיקון לפני הניסוי האמיתי.

3. תיעוד תהליך: צילום וידאו ב-Time Lapse של המסת הקרח בשתי קופסאות שונות להשוואה ויזואלית של קצב שינוי מצב הצבירה.

E הנדסה - תהליך התיכון

ההנדסה מתמקדת באופטימיזציה ובקבלת החלטות תחת אילוצים:

1. ניהול טרייד-אוף (Trade-off): הקונפליקט בין "בידוד מקסימלי" לבין "משקל מינימלי". התלמידים צריכים להחליט על עובי הדופן האופטימלי.

2. פתרון "גשרי חום": האתגר ההנדסי הגדול הוא המכסה/הפתח. איך יוצרים פתח נגיש שלא מהווה נקודת תורפה תרמית? (למשל: יצירת "מדרגה" או אטם גומי).

3. איטרציות: בניית דגם ראשוני, בדיקה, ושיפור האיטום.

A עיצוב - הנדסת אנוש

1. עיצוב פונקציונלי: עיצוב ידית נשיאה ארגונומית שמאפשרת סחיבה נוחה בסיטואציית חירום.

2. תקשורת חזותית: עיצוב המעטפת החיצונית בצבעים בולטים (לזיהוי בשטח) וסימון גרפי ברור שמדובר בציוד רפואי רגיש ("שביר", "לא להפוך"), כחלק מהמוצר השלם.

M מתמטיקה - נתונים ומדידות

שימוש במתמטיקה ככלי להערכת יעילות:

1. יחס שטח פנים לנפח (S/V Ratio): חישוב היחס בין שטח הפנים של הקוביה לנפח שלה, והבנה שככל שהיחס קטן יותר, איבוד החום איטי יותר (חיבור לגיאומטריה).

2. חישוב נצילות באחוזים: שקילת המים שנותרו (הקרח שנמס) וחישוב:

   

3. ייצוג נתונים: יצירת גרף עמודות המשווה את יעילות הבידוד של חומרים שונים בין הקבוצות בכיתה.

---

3. הערכה ומיומנויות (Assessment)

א. מדדי הצלחה לתוצר (Hard Skills):

1. יעילות תרמית: נותרו לפחות 60% ממשקל הקרח המקורי לאחר 20 דקות תחת מנורת חימום (או בשמש).

2. עמידות מבנית: המארז שרד נפילה מגובה שולחן (כ-70 ס"מ) ללא פתיחה אקראית או התפרקות של הדפנות.

3. עמידה באילוצים: המארז שוקל מתחת ל-150 גרם ועובי הדופן תקין.
   

ב. מדדי הצלחה לתהליך (Soft Skills):

1. הנמקה מדעית: התלמיד מסוגל להסביר מדוע בחר בחומרים הספציפיים על סמך עקרונות המודל החלקיקי ("בחרנו קלקר כי הוא כולא אוויר שמונע הולכה").

2. רפלקציה ותיקון: הצוות תיעד לפחות כשל אחד במהלך הבנייה (למשל: המכסה לא נסגר טוב) והסביר כיצד פתר אותו.

4. אבולוציה של הפרויקט

כיצד ניתן לפתח את הפרויקט בהמשך

• שלב 1 (Low Tech - נוכחי): בניית צידנית פסיבית בסיסית מחומרים זמינים.

• שלב 2 (High Tech Integration): הטמעת בקר Micro:bit או Arduino עם חיישן טמפרטורה (DS18B20). המערכת תתכנת כך שתדליק נורת LED אדומה ותשמיע צפצוף אזהרה אם הטמפרטורה בתוך הצידנית עולה מעל 8 מעלות (הסף המותר לחיסונים).

• שלב 3 (Real World Application): חקר חומרים משני פאזה (PCM - Phase Change Materials). התלמידים ינסו לשלב ג'ל קפוא או מלחים בתוך דפנות הצידנית כדי ליצור "קירור אקטיבי" ללא חשמל, בדומה לפתרונות מקצועיים של ארגוני סיוע בינלאומיים.