XIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Изготовление термоса на основе исследования теплоизоляционных свойств природных и искусственных материалов
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Там, где необходимо поддерживать заданную температуру, применяется теплоизоляция. Человек во все времена задумывался, как сберечь тепло в жилище, искал теплоизоляционные подручные материалы. Россия – северная страна, поэтому вопрос о выборе утеплителя для изоляции стен зданий, кровель, полов всегда актуален. Теплоизоляционные свойства веществ учитываются при производстве одежды и обуви, в корпусах или ограждающих конструкциях холодильного оборудования, печей. Трубы теплотрасс окружают теплоизоляцией для снижения потерь при транспортировке хладагентов или теплоносителей. И в туристическом походе важно сохранить температуру продуктов заданное время.
С теплоизоляцией мы постоянно сталкиваемся и на кухне. Кухонные прихватки, ручки чайников, кастрюль делают из материалов, обладающих плохой теплопроводностью, чтобы защитить руки при прикосновении к горячим предметам от ожогов. При этом кастрюли, сковородки, чайники изготавливают из веществ с хорошей теплопроводностью для быстрого нагревания их. [1]
Обзор статей по данной тематике не дал ответы на все мои вопросы, поэтому цель работы: экспериментальное исследование теплоизоляционных свойств некоторых материалов, применяемых в строительной индустрии, в приусадебном хозяйстве, в быту.
Объект исследования: процесс теплообмена между водой и веществами с различными теплопроводящими характеристиками.
Предмет исследования: теплоизоляционные свойства доступных в быту материалов.
Задачи, решаемые в работе:
- экспериментальный выбор материала с наилучшими теплоизоляционными качествами;
- изготовление термоса для использования его на приусадебном участке, во время туристических походов.
Гипотеза: если предположить, что пенополистирол - лучший материал для теплоизоляции, то его можно использовать при изготовлении самодельного термоса.
Основная часть
Глава 1. Основы теплопередачи как способа теплоизоляции.
1.1. Виды теплопередачи
Теплоизоляцией называют такие элементы конструкции, которые, уменьшая скорость теплопередачи, являются тепловым сопротивлением в конструкции. Таким же термином могут называться материалы, уменьшающие передачу тепла от одного вещества к другому [2].
Теплопередача - способ изменения внутренней энергии тела, при котором энергия передается от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы [3].
Способ теплопередачи зависит от агрегатного состояния среды, которой принадлежат эти молекулы. Некоторые молекулы образуют жидкость, в то время как другие являются частью твёрдого тела или газа [3].
Учёные вывели определённые законы на основании наблюдений за процессом теплообмена между твёрдыми телами, жидкостями и газом.
Т еплопроводность — процесс теплопередачи от более нагретых участков твердых тел к менее нагретым при их соприкосновении или с более тёплой части тела на холодную. Теплопроводность происходит потому, что частицы с большей энергией при взаимодействии отдают энергию частицам с меньшей энергией [3].
Конвекция — процесс передачи теплоты струями жидкостей или газов, при котором тепло переносит само вещество. Конвекция наблюдается только в жидкостях и газах. Если конвекция происходит в помещении, то тёплый воздух поднимается вверх, холодный опускается вниз [3].
И злучение - процесс передачи теплоты с помощью электромагнитных волн. Тепловое излучение — единственный вид теплопередачи, который может осуществляться в вакууме. Чем выше температура источника, тем сильнее тепловое излучение. Тепловое излучение производят, например, люди, животные, Земля, Солнце, печь, костёр. Инфракрасное излучение можно изображать или измерять термографом или термокамерой. Инфракрасные термокамеры воспринимают невидимое инфракрасное или тепловое излучение и осуществляют точные бесконтактные измерения температуры. Инфракрасная термография позволяет полностью визуализировать тепловое излучение. На рисунке представлено инфракрасное излучение ладони человека [3].
1.2. Теплоизоляционные материалы
Теплоизоляция предназначена для создания благоприятной атмосферы, защиты человека от избытка или недостатка тепла, экономии затрат на отопление, предохранение конструкций от разрушений, возникающих вследствие конденсации водяных паров [4].
Теплопроводность - главное качество материалов, используемых для теплоизоляции. Материал должен обеспечить требуемое сопротивление теплопередаче при минимальной толщине несущей конструкции.
Коэффициент теплопроводности λ вещества характеризует его способность проводить теплоту. Численное значение коэффициента теплопроводности равно количеству теплоты, проходящей через единицу поверхности в единицу времени; размерность - Вт/(м∙К). Величина коэффициента теплопроводности для различных материалов находится в справочных таблицах, составленных на эмпирически данных полученных [4].
Строительные теплоизоляционные материалы и изделия отличаются по нескольким основным признакам:
Газы - самые плохие проводники тепла. Их коэффициент теплопроводности прогрессирует с возрастанием температуры и представлен в границах от 0,006 до 0,6 Вт/(м·К). Рекордсменами выступают гелий и водород, коэффициент теплопроводности у них в 5 - 10 раз выше, чем у прочих газов. Для жидкости λ колеблется от 0,07 до 0,7 Вт/(м·К).
Металлы – лучшие проводники тепла, у них λ=20÷418 Вт/(м·К). Максимальная теплопроводность свойственна серебру [5].
Чем ниже теплопроводность, тем лучше теплоизоляция. Коэффициент теплопроводности для изолирующих материалов не должен превышать 0,04-0,06 Вт/(м∙К). Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Греющие свойства утеплителя напрямую зависят от того, насколько эффективно он удерживает воздух у поверхности тела. Воздушная прослойка препятствует оттоку тепла, потому что воздух имеет очень низкую теплопроводность. Любой утеплитель, будь то натуральный пух, вата, синтетические волокна или шерсть, «связывает» воздух в своей пространственной структуре и не дает ему перемешиваться с воздухом окружающей среды. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум [6].
Глава 2. Экспериментальная часть.
Эксперимент по выявлению теплоизоляционных свойств
2.1. Выбор веществ-теплоизоляторов для эксперимента.
Для того чтобы изучить теплоизоляционные свойства нами были выбраны следующие образцы: вата, газета, минеральная вата, картон, пенопласт, песок, шерсть и керамзит, пенополистирол. Вату покупала в аптеке, картон, минеральную вату, пенопласт, керамзит и пенополистирол в магазине со строительными материалами, в качестве шерсти был взят шерстяной шарф, газеты и песок оказались дома.
Для эксперимента были взяты пятилитровые пластиковые бутыли для воды, у которых с помощью канцелярского ножа обрезали горлышко так, чтобы в них можно было установить пластиковые бутылки 0,5 л.
Таким образом были подготовлены девять равных по объему пластиковых емкостей такой высоты, чтобы после заполнения материалом в нем была полностью погружена пол-литровая бутылка с водой.
Емкости были заполнены доверху образцами материалов, выбранных для эксперимента. Такие бутылки были установлены в середину каждой емкости, температура воды в каждой бутылке в начале эксперимента составляла 58°С.
Фотографии емкостей с образцами, подготовленными для эксперимента, представлены в таблице №1.
Таблица № 1.
|
№ образца |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
Напол- нитель |
Емкость, заполненная ватой |
Емкость, заполненная газетой |
Емкость, заполненная минеральной ватой |
Емкость, заполненная картоном |
Емкость, заполненная пенопластом |
|
Фото |
|
№ образца |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
Наполнитель |
Емкость, заполненная песком |
Емкость, заполненная шерстью |
Емкость, заполненная керамзитом |
Емкость, заполненная пенополистиролом |
|
Фото |
Продолжение таблицы 1
2.2. Ход эксперимента
Гипотеза эксперимента: чем быстрее остынет вода в бутылке, окруженной теплоизоляционным материалом, до заданной температуры, тем ниже теплоизоляционные свойства образца.
Эксперимент проводился в несколько этапов. Исследовались свойства теплоемкости у четырех образцов в один день, у оставшихся образцов в последующие дни.
Для измерения температуры было использовано 4 термометра.Измерение температуры в бутылках с водой проводились через каждые 30 минут, для этого в бутылку с водой после откручивания крышки опускался термометр на 2 минуты. После измерения текущего значения температуры воды крышка завинчивалась, результаты записывались в ячейку таблицы.
Начальная температура воды для всех образцов была одинаковой, равной 58°С. Измерение заканчивала, когда вода в бутылке у каждого образца остывала до температуры 28°С. Результаты экспериментов представлены ниже.
Таблица № 2
Данные изменения температуры в сосуде с водой (Δt = 30 минут)
|
Время изменения (в час) |
Изменение температуры в сосуде с водой (°С.) |
||||||||
|
вата |
газета |
картон |
пенопласт |
песок |
шерсть |
керамзит |
пенополистирол |
мин.вата |
|
|
0 |
58 |
58 |
58 |
58 |
58 |
58 |
58 |
58 |
58 |
|
0,5 |
54 |
50 |
51 |
52,5 |
40 |
51,5 |
53 |
52 |
49 |
|
1 |
51 |
49 |
50 |
49 |
37 |
49 |
49 |
49 |
46 |
|
1,5 |
49 |
47 |
48 |
47 |
34 |
46 |
46 |
47 |
44 |
|
2 |
46 |
44,5 |
46 |
45 |
33 |
44 |
43 |
45 |
42 |
|
2,5 |
44 |
43 |
43,5 |
43 |
32 |
43 |
41 |
44 |
41 |
|
3 |
43 |
41 |
42 |
41 |
31 |
41 |
39 |
43 |
39 |
|
3,5 |
42 |
39,5 |
40 |
40 |
30 |
40 |
38 |
42 |
38 |
|
4 |
41 |
38 |
39 |
39 |
29 |
39 |
37 |
41 |
37 |
|
4,5 |
40 |
36,5 |
38 |
38 |
28,5 |
39 |
35 |
40 |
37 |
|
5 |
39 |
36 |
37 |
37 |
28 |
38 |
34 |
39 |
36 |
|
5,5 |
38 |
35 |
36 |
35 |
37 |
33,5 |
38 |
36 |
|
|
6 |
37 |
34 |
35 |
34,5 |
36 |
33 |
38 |
35 |
|
|
6,5 |
36 |
33,5 |
34 |
34 |
35 |
32 |
37 |
35 |
|
|
7 |
35 |
33 |
33,5 |
33 |
35 |
31 |
37 |
34 |
|
|
7,5 |
34 |
32 |
33 |
33 |
34 |
30 |
36 |
34 |
|
|
8 |
34 |
31,5 |
32 |
32 |
34 |
30 |
36 |
33 |
|
|
8,5 |
33 |
31 |
31,5 |
31 |
33 |
29,5 |
35 |
33 |
|
|
9 |
33 |
31 |
31 |
30,5 |
33 |
29 |
35 |
32 |
|
|
9,5 |
32 |
30,5 |
31 |
30 |
32 |
29 |
35 |
32 |
|
|
10 |
31 |
30 |
30,5 |
30 |
32 |
28 |
34 |
32 |
|
|
10,5 |
31 |
29,5 |
30 |
29,5 |
31,5 |
34 |
31 |
||
|
11 |
30 |
29 |
29,5 |
29,5 |
31 |
33 |
31 |
||
|
11,5 |
30 |
28,5 |
29 |
29 |
31 |
33 |
31 |
||
|
12 |
29,5 |
28,5 |
29 |
28,5 |
30 |
32 |
30 |
||
|
12,5 |
29 |
28 |
28,5 |
28,2 |
30 |
32 |
30 |
||
|
13 |
29 |
28,5 |
28 |
29,5 |
31 |
30 |
|||
|
13,5 |
28,5 |
28 |
29,5 |
31 |
29 |
||||
|
14 |
28 |
29 |
30 |
29 |
|||||
|
14,5 |
29 |
30 |
28,5 |
||||||
|
15 |
28,5 |
29 |
28 |
||||||
|
15,5 |
28,5 |
29 |
|||||||
|
16 |
28 |
28,5 |
|||||||
|
16,5 |
28 |
||||||||
В школьном курсе физики воздух определяется как хороший теплоизолятор. Провожу эксперимент, подтверждающий высокие теплоизоляционные свойства воздуха. Для этого необходимо сравнить скорость изменения температуры воздуха, находящегося во внешней емкости: открытой и закрытой деревянной крышкой.
В первом опыте: в ёмкость была установлена пол литровая бутылка без утеплителя, то есть в воздушное пространство. Во втором эксперименте ёмкость была накрыта деревянной доской для того, чтобы не было теплообмена с внешней средой.
Результаты измерений приведены в таблице № 3.
Таблица № 3
|
Время изменения температуры воды, час |
0 |
0,5 |
1 |
1,5 |
2 |
2,5 |
3 |
3,5 |
4 |
4,5 |
5 |
5,5 |
6 |
|
Воздух 1 |
58 |
44 |
41 |
39 |
35,5 |
33 |
31 |
30 |
29 |
28,5 |
28 |
- |
- |
|
Воздух 2 |
58 |
48 |
44 |
40 |
38 |
36 |
34 |
33 |
32 |
31 |
39 |
28,5 |
28 |
2.3. Обобщение результатов эксперимента.
После проведения экспериментов для обобщения его результатов составила алгоритм, работала по пунктам. Для всех веществ использовала данные - время остывания воды, помещенной в различные теплоизоляторы, представленные в таблице № 2.
Алгоритм обработки результатов экспериментов:
1. Определение время остывания воды от начальной температуры 58°С до конечной 28°С.
Вычисление коэффициента остывания для каждого образца по формуле:
К , где t - время остывания воды для каждого образца.
Коэффициент остывания – это время, за которое вода в бутылке остывает на 10С за 1 час.
Вода остыла на 30 градусов, эта характеристика одинакова для каждого образца.
Для расчета коэффициента остывания экспериментальных теплоизоляционных материалов результаты экспериментов представила графически, используя возможности конструктора Microsoft Excel. [7]
Результаты сравнения теплопередающих свойств веществ - на диаграмме «Динамика изменения температуры теплоизоляторов».
Таблица № 4
Коэффициент охлаждения веществ – участников эксперимента
|
№ образца |
Название утеплителя |
Время t, час охлаждения |
Коэффициент охлаждения K |
Примечание |
|
1 |
Вата |
14 |
0,467 |
|
|
2 |
Газета |
12,5 |
0,417 |
|
|
3 |
Минеральная вата |
15 |
0,5 |
|
|
4 |
Картон |
13,5 |
0,45 |
|
|
5 |
Пенопласт |
13 |
0,433 |
|
|
6 |
Песок |
5 |
0,167 |
Теплоизоляционные свойства самые низкие |
|
7 |
Шерсть |
16 |
0,533 |
|
|
8 |
Керамзит |
10 |
0,333 |
|
|
9 |
Пенополистирол |
16,5 |
0,55 |
Теплоизоляционный материал самый лучший |
|
10 |
Воздух 1 |
5 |
0,167 |
|
|
11 |
Воздух 2 |
6 |
0,2 |
В результате проведённого эксперимента можно отметить высокую теплоизоляционную эффективность пенополистирола, так как скорость остывания воды в ёмкости с этим изолятором оказалась наименьшей. В порядке возрастания скорости теплоизоляторы расположились так: шерсть, минеральная вата, вата, картон, пенопласт и газета, что подтверждает их высокие теплоизоляционные характеристики. Самыми низкими теплоизоляционными свойствами, как выяснилось в ходе эксперимента, обладает песок; время остывания воды в емкости с образцом песка составила всего 5 часов.
Выводы
1. Теплоизоляционные свойства пенополистирола оказались самыми высокими среди выбранных образцов.
2. Самые низкие показатели теплоизоляции у образцов с песком. Именно поэтому моя бабушка на даче застилает поверх песка картон, когда хочет сохранить зимой прикорневые участки растений.
3. Теплоизоляционные свойства воздуха в закрытой ёмкости оказались выше, чем в открытой.
4. Высокие теплоизоляционные свойства образца с пенополистиролом позволяют использовать его при изготовлении термоса в домашних условия.
5. Термос, изготовленный из пенополистирола, будет актуален вне дома для туристов и дачников.
Продукт исследования.
На основании результатов экспериментов, решила изготовить термос, используя лучший образец теплоизоляционного материала - пенополистирол. Я купила лист пенополистирола, вырезала канцелярским ножом стенки, дно и крышку для будущего термоса. Затем склеила все части с помощью монтажного клея и оставила высыхать готовый термос возле батареи. Изготовленный мною термос представлен на фотографии.
Размеры (внешние) термоса: высота – 30 см;
ширина – 20 см;
длина – 23 см.
Полезный (рабочий) объем: V = 13∙10∙21,5 = 2795 см3 = 0,0028 м3
Заключение
Используя разные материалы в качестве теплоизоляционных, я определила какие проводят тепло лучше, какие хуже. Проведя все эксперименты в домашних условиях наша гипотеза, что пенополистирол имеет способность сохранять тепло лучше, чем другие выбранные образцы, а песок обладает самой высокой теплопроводностью среди выбранных образцов, подтвердилась. На основе моего опыта можно сделать вывод, что в качестве утеплителя можно использовать не только строительные материалы такие как пенополистирол, минеральная вата, а также и бытовые материалы как шерсть и картон, которые тоже хорошо сохраняют тепло. Также я убедилась, проделав опыт, что в закрытом состоянии вода в ёмкости с воздухом остывает медленнее, чем в открытом. По итогам эксперимента лучшим оказался пенополистирол, он держит тепло 16,5 часов, на основании этого я сделала термос, который можно использовать в быту.
В дальнейшем я хочу провести исследования по изучению необычных теплоизоляционных материалом, с помощью которых можно будет сделать более компактный термос в домашних условиях.
Список используемой литературы
Теплоизоляционные материалы https://thepresentation.ru/uncategorized/teploizolyatsionnye-materialy#slides
Статья Теплоизоляция https://ru.wikipedia.org/wiki/
Статья Теплоизоляционные свойства материалов – сравнительная таблица http://build-insulation.ru/teploizolyacionnye-svoistva-materialov---sravnitelnaya-tablica-articles_879.html
Статья Теплоизоляция. Основные понятия и механизмы процесса http://arx.novosibdom.ru/node/202
Исследование на тему «Теплоизоляционные свойства носка» https://infourok.ru/issledovatelskiy-proekt-na-temu-teploizolyacionnie-svoystva-noska-2249982.html
Статья Виды теплопроводности таблица: Обобщающая таблица.Виды теплопередачи https://infradom.ru/2020/12/19
Статья Коэффициент теплопроводности https://www.calc.ru/Koeffitsiyent-Teploprovodnosti.html