XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Секреты термоса

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Екименко А.А. 1

---

1БМАОУ «Лицей №7» им. А.А. Лагуткина

Леонова М.В. 1

---

1БМАОУ «Лицей №7» им. А.А. Лагуткина

Работа в формате PDF

1.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Моя семья очень любит ходить в баню. Перед походом в баню мой дедушка заваривает в термосе удивительно вкусный чай. Через несколько часов чай остаётся горячим, как и был с самого начала. Что же помогает сохранить чай горячим? Из чего изготавливают термос? У меня появилось большое желание, понять принцип работы термоса, узнать об этом изобретении как можно больше.

Цель исследования: изучить свойства термоса и изготовить его из подручных средств в домашних условиях, провести его испытание.

Объект исследования: тепловые явления.

Предмет исследования: тепловые свойства термоса.

Задачи:

изучить теоретический материал о тепловых явлениях и способах сохранения тепла с помощью термоса, рассмотреть принципы работы термоса, его физические свойства;

обобщить наблюдения, раскрывающие условия сохранения температуры жидкости в термосе;

выбрать материалы, необходимые для изготовления термоса в домашних условиях;

изготовить термос в домашних условиях;

Гипотеза исследования: я предполагаю, что изучив строение термоса и механизмы протекания в нем физических явлений, можно создать термос в домашних условиях.

Актуальность исследования: на сегодняшний день существует масса фирм производителей термосов, а в продаже можно найти много изделий, различающихся по способности сохранять тепло, емкости, дизайну, цене. И поэтому цена современного термоса колеблется. Я решила попробовать изготовить термос своими руками, чтобы сэкономить на покупке данного прибора.Возможно ли изготовить термос в домашних условиях, затратив минимум усилий и средств?

Методы исследования:

изучение литературы по заявленной теме исследования,

классификация собранных материалов,

обобщение теоретического материала,

наблюдения за протеканием физических явлений при изготовлении термоса в домашних условиях.

Итогом работы станет изготовление термоса в домашних условиях.

1. Теоретическая часть. Секреты термоса

Что такое термос?

Термос (в переводе с греческого) "therme" - горячий. Такое название сосуду дал житель Мюнхена.

Термос – это вид кухонной посуды, предназначенной для хранения жидкости и продуктов питания при определенной температуре в течение некоторого времени.

Он может использоваться не только для хранения готовых напитков и еды, но и для их приготовления, например – различных настоев и каш.

История создания термоса

Известный шотландский химик XIX века Джеймс Дьюар совершил целый ряд открытий в области физики и химии, но, пожалуй, в народе он запомнился, благодаря своему бытовому изобретению.

В 1892 году Джеймс Дьюар разработал изолирующую колбу, которая известна в науке под названием сосуд Дьюара. Конечно, колба была изобретена для хранения химикатов, но именно она стала моделью современного термоса.

В 1903 году берлинский производитель стеклянных изделий Рейнгольд Бургер усовершенствовал сосуд Дьюара, изобретённый в 1892 году шотландским физиком и химиком Джеймсом Дьюаром. Для удобного использования этого сосуда в быту (хранения напитков), он добавил к нему металлический корпус, пробку и крышку-стаканчик. Также, им была разработана система поддержки внутренней стенки колбы, так как она держалась только в одном месте у горловины сосуда и из-за этого легко ломалась при активном использовании.

В 1904 году впервые в хозяйственных целях была выпущена первая партия термосов. Устройство настолько было совершенно и просто в применении, что не изменилось практически и по сей день.

Термос стали широко использовать в научных экспедициях многие исследователи. Он стал бортовой принадлежностью самолѐтов. С термосом было удобно летать даже на воздушном шаре. Простые люди также стали широко использовать термос в своей жизни.

В наше время термос – доступный, удобный и полезный предмет, который имеется в каждом доме.

Виды термосов

В зависимости от типа используемой пищи, современные бытовые термосы можно разделить на следующие виды:

Термосы для напитков – имеют узкую горловину диаметром 25-55 см

Термосы с пневмонасосом – в конструкции крышки такого термоса есть насос 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.

Конструкция термоса

Основные элементы конструкции, из которых состоит термос, таковы.

Корпус.

Колба с двойными стенками.

Пробка и крышка.

Корпус.

Корпус термоса 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.

Колба с двойными стенками – основной элемент в устройстве. Между стенками колбы создается вакуум, самый простой изолятор вещества, практически исключающий обмен хранящегося продукта с окружающей средой, что является определяющим фактором для сохранения температуры продуктов.

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.

Виды теплопередачи

Чтобы понять, как работает термос, нам сначала нужно понять, что такое тепло. Тепло – это энергия которая двигается тремя способами
проводимостью, конвекцией и излучением.

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. 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.

Сущность физических явлений, происходящих внутри термоса

Чтобы понять принцип работы термоса, следует более подробно остановиться на сущности тех физических явлений, которые происходят внутри него

Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии или теплопередача от одного тела к другому до наступления равновесия. Тепло всегда передаётся от более горячих тел более холодным. Это значит, что если не защищать горячий чай в термосе, то он очень скоро станет холодным, так как тепловая энергия чая будет передаваться воздуху. Чай постепенно остынет.

Как работает термос?

Конвекцию термос предотвращает плотно закрытой крышкой без отверстий, которая не даёт теплу выйти. Так же вакуум, находящимся между стенками цилиндра, не даёт содержимому передать своё тепло путём проводимости, а инфракрасное излучение отражается от металлического, отражающего слоя внутренней и внешней колбы.

Обобщая полученные данные, можно сказать, что главная задача термоса – хранить тепло как можно дольше. Этого можно добиться, если учитывать физические процессы, которые протекают внутри термоса. Необходимо, чтобы теплопередача между горячей жидкостью и холодным воздухом была как можно меньше. Этого добиваются производители термосов. Возможно ли достижение такого эффекта в домашних условиях? На этот вопрос я постараюсь ответить в следующей части моей работы.

2. Изготовление термоса в домашних условиях

2.1. Модель термоса

Для изготовления термоса в домашних условиях мы будем использовать подручные средства, которые есть в каждом доме. Вариантов изготовления термоса несколько. Мы изготовим одну модель термоса (Приложение 1).

Для модели термоса нам потребуются следующие материалы и инструменты:

Стеклянная бутылка0.5л.

Пластиковая бутылка 2 л.

Скотч.

Теплоизоляционный материал (взяла у папы остатки после утепления балкона. Состоит из фольги и паралона).

Светоотражающий материал – фольга.

Ножницы, нож.

Клеевой пистолет.

Пенопласт.

Ход работы.

Стеклянную бутылку обматываем фольгой, чтобы блестящий слой был внутри, а матовый снаружи. Обмотать надо тщательно не только стенки сосуда, но и его дно. Закрепим скотчем. Это наша самодельная колба.

Из пенопласта вырезаем круг, соответствующий размерам дна стеклянной бутылки.

Приклеиваем на дно стеклянной бутылки с помощью клеевого пистолета.

Обматываем нашу колбу теплоизоляционным материалом, закрепляем скотчем.

Отрезаем у верхней части пластиковой бутылки винтовую часть горлышка. Это следует сделать очень точно, чтобы горлышко стеклянной бутылки свободно проходило в это отверстие.

Разрезать пластиковую бутылку пополам. Эти детали будут нужны для изготовления корпуса термоса.

Вставляем обмотанную колбу в пластиковый корпус. Для соединения двух частей опять применяем скотч.

Чтобы уменьшить теплоотдачу через крышку колбы (бутылки), еѐ надо тоже утеплить. Делаем это с помощью теплоизоляционного материала.

Наша модель готова.

2.2. Испытание термоса.

Для проведения испытания модели термоса будем использовать горячую воду. Заливаем воду в термос. Предварительно следует измерить еѐ температуру. Все данные о температуре воды будем заносить в таблицу (Таблица 2). Испытания термоса будут проходить в течение шести часов. Каждый час будем замерять температуру воды. Термос во время испытания будет находиться в комнате на столе при комнатной температуре +21.

Таблица 2. Исследование свойств самодельного термоса на изменение температуры.

Модель термоса успешно прошла испытания. Термос остался целым, вода в нем сохранилась до конца испытания. Изменения температуры воды в термосе происходили плавно и постепенно. В среднем она опускалась на 7 градусов каждый час.

Через шесть часов вода не приобрела значение комнатной температуры, а оставалась всё ещё тёплой. Эти данные позволяют сделать вывод о том, что такую модель термоса можно изготовить в домашних условиях и использовать для хранения горячих жидкостей. Таким термосом можно воспользоваться на даче, при прогулках, во время пикника, в нем можно заваривать чай, делать травяной отвар. Главную функцию – хранение тепла этот термос выполнил. Его достоинством можно считать сравнительно небольшой вес. Колба, выполненная из стекла, может разбиться, но теплоизоляционные материалы увеличивают еѐ прочность. Они позволяют смягчить резкие удары, которые возможны при падении такого термоса.

Заключение

В ходе выполнения работы над проектом я узнала историю появления термоса, выяснила устройство этого изделия, поняла суть протекающих в нѐм физических явлений. Это позволило сконструировать свою модель термоса. Главное, что требовалось при моделировании – это уменьшить теплопроводность колбы.

У самодельного термоса я определила плюсы:

использование подручных бросовых материалов,

низкая себестоимость такого изделия по сравнению с купленным термосом,

небольшой вес изделия,

технологическая простота в изготовлении самодельного термоса,

достаточная прочность изделия.

Но есть и минусы по сравнению с термосами, изготовленными на производстве:

Остывание или нагревание воды происходит быстрее, чем в заводских моделях.

внешний вид изделия не совсем привлекателен,

самодельный термос невозможно вымыть после использования, так как горлышко бутыли, которую использовали для изготовления колбы, узкое.

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 заявляю, что знания физических закономерностей помогает человеку жить.

Теперь я готова изготовить такой термос для своих домашних нужд. Это позволит сохранить нашей семье денежные средства. Не секрет, что заводские модели термосов стоят недешево. Самое главное, что мы поняли – изготовление термоса в домашних условиях возможно, если при этом учитываются все физические процессы протекающие внутри этого устройства.

Список использованных источников и литературы

Ергомышева – Алексеева М.Н. Физика - юным. - М., «Просвещение», 1969. – 184с.

Как выбрать термос

http://womanmir.com/dom/791-kak-vybrat-termos.html

Конвекция

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%BD%D0%B2%D0%B5%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F

Литвинова О. А., Широнина Е.В. Большая книга вопросов и ответов. - М.: ЗАО «РОСМЕН-ПРЕСС», 2007. – 232с.

Ола Ф и др. Занимательные опыты и эксперименты. – М.: Айрис- пресс, 2006. – 128с.

Термос (история изобретения)

http://istoriz.ru/termos-istoriya-izobreteniya.html

Теплопередача

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D2%E5%EF%EB%EE%EF%E5%F0%E5%E4%E0%F7%E0

Теплопроводность

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C

Что такое термос? Виды термосов.

http://findfood.ru/termin/termos

Хинн О.Г. Я познаю мир. Детская энциклопедия: Физика. – М: ТКО «АСТ»,1995. – 480с.

Приложение 1

Конструкция термоса

Приложение 2

Фото 1. Используемый материал для самодельного термоса.

Ход работы.

1. Стеклянную бутылку обматываем фольгой, чтобы блестящий слой был внутри, а матовый снаружи. Закрепим скотчем. Это наша самодельная колба.

2. Из пенопласта вырезаем круг, соответствующий размерам дна стеклянной бутылки.

3. Приклеиваем на дно стеклянной бутылки с помощью клеевого пистолета.

3

4. Обматываем нашу колбу теплоизоляционным материалом, закрепляем скотчем.

5. Отрезаем у верхней части пластиковой бутылки винтовую часть горлышка

6.Разрезать пластиковую бутылку пополам. Эти детали будут нужны для изготовления корпуса термоса.

7. Вставляем обмотанную колбу в пластиковый корпус. Для соединения двух частей опять применяем скотч.

8.Чтобы уменьшить теплоотдачу через крышку колбы (бутылки), еѐ надо тоже утеплить.

9.Готовый самодельный термос, изготовленный в домашних условиях из подручных материалов