XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Изучение тепловых свойств термоса
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Каждую зиму мы ездим кататься на лыжах, берём с собой термос с горячим чаем. И спустя несколько часов чай остаётся горячим. Я никогда не задумывался, почему так происходит. Сейчас много познавательных мультфильмов, в которых рассказывают о строение различных бытовых приборов. Оттуда я и узнал как устроен термос. Если в нём холодный напиток, то он сохраняет его температуру, тоже самое с горячими напитками. Оказывается, он состоит из двух капсул между которыми прослойка воздуха, которая и позволяет сохранять температуру.
И взяв эту тему, я проверю как устроен термос! В своём исследовании я докажу, что именно из-за особого строения термоса он и выполняет своё предназначение - сохранять тепло. А ещё мне интересно, кто изобрёл его и где ещё можно использовать это свойство термоса.
Объект исследования - термос.
Предмет исследования - физические свойства термоса.
Цель исследования: изучение особенностей устройства термоса
Задачи:
1. собрать информацию из различных источников
2. изучить и проанализировать теоретический материал по теме
3. выяснить от чего зависит способность термоса сохранять тепло (холод)
4. изготовить термос в домашних условиях
Гипотеза исследования: особое устройство термоса позволяет сохранять тепло (холод) и продукты внутри него.
Где я буду использовать конечный продукт: конечный продукт я буду использовать в быту или на уроках физики.
1 В чём секрет термоса
1.1 Изобретение термоса
Термос – вид посуды, активно применяемой в быту с целью поддержания температуры хранящихся в нём продуктов. Чаще всего он используется в случаях, когда нужно сохранять напиток или блюдо горячим в течении длительного времени. Хороший, качественно выполненный термос – незаменимая вещь в походах и путешествиях: находящийся в нём чай, вода или бульон может удерживать температуру не менее 60 градусов до суток (время и температура зависят от ёмкости сосуда и его разновидности).
Необходимость поддерживать в замкнутом сосуде независимую от внешней среды температуру появилась во второй половине XIX века. В это время учёные-физики проводили опыты с сжиженными газами, входящими в состав атмосферы (азота, кислорода и водорода). Однако сохранить полученные вещества в необходимом состоянии оказалось достаточно непросто, они крайне быстро улетучивались. Проблему отчасти смог решить физик из Германии А. Ф. Вейнхольд в 1881 году. Он разработал контейнер из стекла со сдвоенными стенками, внутри него был полностью откачан воздух. Ввиду удаления воздуха между стенками, суженное пространство уменьшало испарение.
Спустя 11 лет 1892 году физик и химик из Шотландии Джеймс Дьюар (рисунок 1) улучшил изобретение своего немецкого коллеги. Форма контейнера сменилась на колбу с узким верхним проемом и парой стенок; это предотвращало быстрое испарение полученных газов. Для лучшей изоляции сосуд изнутри был покрыт тонким серебряным слоем. Кроме того, от внутренней поверхности, напоминающей зеркало, хорошо отражалось тепловое излучение. Изделие подвешивалась при помощи пружин в специальном кожухе из металла. С помощью своего изобретения Дьюар получил и даже смог в течение определённого времени сохранить водород в жидком и твёрдом состоянии. Однако ни он, ни Вейнхольд не стали патентовать уникальный контейнер: они не считали, что их изобретения смогут принести кому-либо ощутимую прибыль.
Рисунок 1 – Джеймс Дьюар
В 1903 году Рейнольду Бургеру (рисунок 2), немецкому производителю стекла, пришла в голову мысль усовершенствовать сосуд Дьюара, чтобы использовать его не только в научных целях, но и в бытовых. Колбу поместили в металлический корпус, для большей герметичности добавили пробку, закрывающую сосуд. Конструкцию дополнили удобной крышкой, которой отводилась роль небольшого стакана. Новшеством стала внутренняя система, при помощи которой колба поддерживалась изнутри. До этого момента колба закреплялась лишь у горлышка всей конструкции, из-за чего являлась достаточно хрупким изделием. Осенью 1903 года Р. Бургер запатентовал своё изобретение.
Рисунок 2 - Рейнольд Бургер и его «вакуумная фляжка»
На следующий год им была основана фирма, которая занималась производством нового изделия – «вакуумной фляжки». Это название не могло претендовать на успех, поэтому вскоре объявили конкурс на самое интересное имя для новинки. Самым звучным вариантом оказалось Thermos (в переводе с греческого Therme означает «горячий»), придуманное жителем Мюнхена, весной 1904 года новая марка Thermos стала использоваться в коммерческих целях.
Через 4 года фирма Thermos GmbH продала своё право на производство термоса трём компаниям, расположенным в Америке, Канаде и Англии. Оттуда новые герметичные контейнеры для хранения жидкостей и поддержания их постоянной температуры стали постепенно распространяться по всему миру.
1.2 Конструкция термоса и назначение
Более чем за век изобретение Дьюара и Бургера неоднократно подвергалось изменениям. К настоящему моменту налажен выпуск термосов различных размеров, начиная с объёма 0,25-1 л (термокружки для хранения напитков) до 40 л (огромные термоконтейнеры для поддержания температуры продуктов). Изменениям подвергся и материал, из которого изготовлялась колба. Помимо традиционных стеклянных сосудов, широко выпускают дешёвые пластиковые и дорогие прочные колбы из металла.
Популярностью пользуются специальные пищевые термосы с широким горлом, а также термосы с судками, с помощью которых можно хранить сразу несколько блюд. Крышка сосуда чаще всего до сих пор используется в качестве походной кружки, однако для домашнего применения были созданы специальные крышки с пневматическим насосом. С его помощью можно наливать напиток, нажимая на кнопку. Производством термосов занимаются многие зарубежные и российские компании. [1]
Основные элементы конструкции, из которых состоит термос:
1) Корпус изготавливается из нержавеющей стали или пластика. Защищает колбу от повреждений. Металлический корпус более надежный, чем пластиковый, обладает повышенной прочностью. Между корпусом и колбой прокладывается слой теплоизоляции.
2) Колба с двойными стенками – основной элемент в устройстве. Между стенками колбы создается вакуум, практически исключающий обмен хранящегося продукта с окружающей средой, что является определяющим фактором для сохранения температуры продуктов.
3) Пробка и крышка. Закрывают горловину изделия, имеют низкие теплопроводные свойства. Внутри крышки есть воздушная прослойка или пористый теплоизоляционный материал. Крышки бывают обычные винтовые, с клапаном, с помпой. Важно, как устроена крышка, так как через неё происходят основные теплопотери. Наилучшую сохранность обеспечивают крышки без отверстий, поэтому зачастую простые недорогие термосы сохраняют продукты значительно дольше, чем дорогие модели с помпой.
Если посмотреть, как сделан термос в разрезе, то можно увидеть такое строение (рисунок 3): внешняя стенка корпуса; слой теплоизоляции; внешняя стенка колбы; область вакуума; внутренняя стенка колбы и область для продукта [2]
Рисунок 3 – Термос в разрезе
Термос сохраняет холодную температуру в 2-3 раза дольше, чем тепло. Его можно использовать для хранения прохладительных напитков и мороженого. Даже в сильную жару холодная вода будет давать освежающую прохладу спустя 30 часов с момента заправки. Что касается продуктов с высокими температурами, то полное охлаждение в самых качественных колбах происходит за 24 часа. Все зависит от того насколько низкая температура окружающей среды. Нормой считается, если за 6 часов хранения продукт или жидкость остыли на 10-14 градусов. [3]
1.3 Способы теплопередачи в природе
Что требуется учитывать в устройстве термосе, чтобы остановить процесс теплопередачи. Требуется разобраться с видами теплопередачи, чтобы понять, как правильно должен работать термос.
Различают три вида теплопередачи:
1) Теплопроводность - это способ передачи тепла (энергии) от более нагретых участков тела к менее нагретым участкам, или от более горячих тел к менее нагретым при непосредственном соприкосновении. Например, если холодную ложку опустить в кипяток, то ложка нагреется. Ложке сообщается некоторое количество теплоты, а вода - охладится, т.е. она теплоту отдает ложке. Хорошие проводники тепла – металлы, хуже проводят тепло жидкости. Очень плохо проводят тепло воздух, пластмасса, дерево, поролон, пенопласт, строительная пена и т.д. Данный вид теплопередачи широко используется в устройстве термоса. Между стенками колбы нет воздуха, там вакуум. Вакуум обладает самой низкой теплопроводностью, поэтому остывание жидкости в термосе происходит очень медленно.
2) Конвекция - это способ передачи тепла (энергии) струями жидкости или газа. Например, от горячей батареи нагревается воздух около нее, он становится легче и поднимается наверх, а холодный воздух опускается вниз. Следующая партия воздуха нагревается и поднимается вверх, а более холодный воздух опускается вниз. Так постепенно происходит передача тепла от батареи ко всему воздуху в комнате. Если чайник с водой поставить на плиту, то внизу вода нагреется, станет легче и теплая вода поднимется наверх, а холодная вода опуститься вниз, т.к. она более тяжелая. Данное физическое явление могло бы наблюдаться в термосе, если бы горло колбы не закрывалось специальной пробкой, которая препятствует передаче тепла от жидкости в воздух.
3) Излучение - это способ передачи тепла (энергии) в виде невидимых лучей. Все тела, нагретые до любой температуры, излучают невидимые лучи, передающие тепло. Чем выше температура тела, тем больше излучается энергии. Если поднести руку сначала к слабо нагретому утюгу, а потом к сильно нагретому, то рука во втором случае почувствует больше тепла. Это объясняется тем, что горячий утюг излучает энергии больше.
Учёные выяснили, что светлые блестящие поверхности отлично отражают тепло, а темные поверхности наоборот, очень хорошо поглощают энергию. Поэтому летом все носят, светлую одежду, а зимой – одежду темных тонов. Эти физические явления тоже использовали в устройстве термосе. Колба термоса покрыта слоем из отражающего зеркального материала. Это помогает ей отражать энергию жидкости, и она меньше остывает. Зеркальная поверхность мало нагревается, поэтому колба остаётся холодной. Например, раньше колбы покрывали слоем серебра. Серебро – блестящий светлый металл. Теперь для изготовления колб всё чаще используют полированную нержавеющую сталь [4].
1.4 Виды термосов
В зависимости от типа используемой пищи, современные бытовые термосы можно разделить на следующие виды (рисунок 4):
Рисунок 4 – Виды термосов
Термосы для напитков — имеют узкую горловинудиаметром 25-55 мм.
Термосы с пневмонасосом - в конструкции крышки такого термоса есть пневмонасос для извлечения жидкостей путём нажатия на кнопку, и выводное отверстие сбоку для наливания. Предназначены для настольного использования.
Пищевые термосы – имеют широкую горловину, диаметр которой практически равен диаметру корпуса (от 65—80 мм). Предназначены для хранения первых и вторых блюд, мороженого и других видов пищевых продуктов.
Универсальные термосы отличаются от пищевых термосов только конструкцией пробки, которая имеет дополнительное, более узкое, отверстие для наливания напитков.
Пищевые термосы с судками — термосы, в которые стопкой, друг на друга, вкладывается 2—3 пластиковые или металлические ёмкости (контейнеры), позволяющие одновременно раздельно хранить различные виды блюд - например для обеда: холодную закуску с первым и вторым блюдом.
Термочашка или Термокружка[5]
2 Исследовательская часть
2.1 Изучение теплоизоляционных свойств
Известно, что термос может сохранять не только тепло, но и холод, поэтому в своих опытах для наглядности я брал снег. Я решил проверить, как влияет на теплоизоляцию и сохранение температуры наличие изолятора и прозрачность поверхности ёмкости. Для этого я подготовил пластиковые контейнеры, фольгу, стаканы, лампу, часы, пенопласт и снег.
Исследование №1 - Изучение теплоизоляционных свойств воздуха.
Цель исследования: доказать, что воздух плохой проводник тепла.
Я положил в маленькие контейнеры по одинаковому количеству снега и зарыл их крышкой. Один из контейнеров я поставил в большой контейнер, который тоже закрыл. И наблюдал, в каком контейнере снег раньше растает. Снег раньше растаял в одиночном контейнере (рисунок 5), а потом в двойном контейнере, так как тепло из комнаты к снегу не передается.
Значит воздух плохо проводит тепло. Поэтому в термосе есть воздушная прослойка.
Рисунок 5 - Изучение теплоизоляционных свойств воздуха
Исследование №2 - Сравнение отражательной способности зеркальных и прозрачных поверхностей. Я взял два одинаковых стакана, один из них обклеил фольгой, натянул на них по воздушному шарику. Включил настольную лампу и поднес к ней стаканы с шариками, наблюдая за деформацией шариков. Шарик, натянутый на прозрачную бутылку растянулся больше, так как воздух в этом стакане нагрелся сильнее и давление воздуха увеличилось сильнее (рисунок 6). Оказалось, что зеркальная поверхность нагревается дольше или совсем не нагревается, потому что фольга отражает тепло [6]
Рисунок 6 - зеркальные поверхности отражают энергию больше
2.2 Изготовление термоса
Изучив основные секреты термоса, я принялся за изготовление своего. Для этого я взял пластиковую бутылку и стеклянную бутылку. У пластиковой я отрезал горлышко, а стеклянную обклеил фольгой. Вставил стеклянную бутылку в пластиковую, заклеив разрез горлышка скотчем. Но у меня возник вопрос, а чем же лучше заполнить промежутки между бутылками.
Я предположил, что в качестве теплоизолятора можно использовать измельчённый пенопласт. Но сначала провёл исследование, хорошо ли пенопласт изолирует тепло или холод. Для этого я взял большие контейнеры и вставил в них маленькие. Промежутки во втором контейнере я заполнил пенопластом, оставив небольшой зазор (рисунок 7 ).
Рисунок 7 - Выбор изолятора
В маленькие контейнеры положил одинаковое количество снега и наблюдал за его таянием. Результаты наблюдений я занес в таблицу 1.
Таблица 1 – Результаты измерений
|
наполнитель |
воздух |
пенопласт |
|
время таяния снега |
3ч |
4 ч |
Получилась довольно внушительная разница – целый час.
Значит,мой термос лучше заполнить пенопластом, а дно пластиковой бутылки приклеить скотчем.
В таком термосе вода долго не нагреется или не остынет.
Все этапы представлены на рисунке 8.
Рисунок 8- Изготовление термоса
Теперь летом в жару, работая на огороде или отдыхая на пляже, я буду брать самодельный термос, чтобы сохранить прохладную воду.
Заключение
Мир физических явлений чрезвычайно разнообразен. Моя исследовательская работа заинтересовала меня, потому что я смог объяснить процесс сохранения тепла с научной точки зрения. Было сложно понять суть физических явлений.
В ходе своей работы я узнал историю появления термоса и выяснил устройство этого изделия, я понял суть протекающих в нём физических явлений. Это позволило мне сконструировать модель термоса. Главное, что требовалось при моделировании – это уменьшить теплопроводность колбы. Наш эксперимент по использованию самодельного термоса в домашних условиях можно считать удачным. Он доказал, что изготовление термоса в домашних условиях реально и выполнимо. Это значит, что моя гипотеза подтвердилась. я уверенно могу сказать, что особое устройство термоса позволяет сохранять тепло (холод) и продукты внутри него.
Проведя наши исследования, я смог объяснить, почему горячая вода в термосе долго не охлаждается:
между стенками колбы находится неподвижный разреженный воздух, который плохо проводит тепло, поэтому тепло от горячей воды к воздуху в комнате не передается.
колба зеркальная, поэтому она меньше излучает энергии.
м ежду стенками находится пенопласт, который даёт дополнительную теплоизоляцию.
Изготовленный термос эффективен, поскольку даже спустя 3 часа вода осталась горячей. Таким образом, я сделал вывод, что изготовленную модель термоса можно применять в домашних условиях (рисунок 9).
Литература
1. https://tehnikaland.ru/melkaya-byitovaya-tehnika/istoriya-termosa.html - история бытовой техники; доступ: 20.01.2021.
2.https://wlooks.ru/termosy/kak-ustroen/ - WLOOKS /ТОВАРЫ ДЛЯ ТУРИЗМА/ ттермосЫ; доступ: 20.01.2021.
3.https://tehpribory.ru/glavnaia/bytovaia-tekhnika/termos.html - Тех.приборы.ру; доступ: 22.01.2021.
4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Теплопроводность - Википедия; доступ: 22.01.2021.
5.https://mtop.info/turizm/tur-equip/kak-vybrat-termos/?utm_referrer=https%3A%2F%2Fyandex.ru%2F – М.Топ.инфо ; доступ: 22.01.2021.
6. «Занимательные опыты и эксперименты /[Ф. Ола и др.]. – М.: Айрис-пресс, 2006. – 128с.
3. «Физика - юным». Сост. М.Н. Ергомышева – Алексеева. М., «Просвещение», 1969. – 184с.