XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование теплопроводности в домашних условиях

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Кухтин К.К. 1

---

1МБОУ «Специализированная школа №35 г. Донецка»

Кучеренко М.В. 1

---

1МБОУ «Специализированная школа №35 г. Донецка»

Работа в формате PDF

1.8 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение.

Уже девять лет моя родная земля содрогается от взрывов снарядов. Стены зданий покрываются трещинами, через которые уходит тепло. Все чаще жители нашего города стали одевать свои дома в «шубы», используя разнообразные строительные штукатурки или утеплители (пенопласт, пенополистирол, минеральные ваты, панели из пенобетона и газобетона, термопанели). А быту часто употребляют выражение «шуба греет». Верно ли это? Как использовать в нашей жизни знания о теплопроводности? Поиск ответов на эти вопросы стал темой моей исследовательской работы.

Актуальность выбранной темы обусловлена широким использованием достижений науки в области строительства. Возведение зданий с наибольшей энергетической эффективностью – это одно из ведущих направлений современного строительства. Это позволяет построить здания с комфортными условиями для жизни при малых затратах энергоносителей и наименьших теплопотерях.

Целью моей работы стало развеянье мифа «шуба греет», экспериментальное исследование теплопроводности, создание в домашних условиях модели термоса с использованием строительных утеплителей и его испытание.

Для достижения этой цели я должен решить следующие задачи:

1. Изучить научную и популярную литературу по исследуемой теме. Описать физическую природу тепла, теплопроводности веществ.

2. Провести экспериментальные исследования теплопроводности воздуха, воды. Экспериментально подтвердить или опровергнуть миф «шуба греет».

3. Изготовить в домашних условиях модель термоса из строительных материалов и экспериментально показать его способность сохранять тепло.

Объект исследования: процесс теплопередачи.

Предмет исследования: физические свойства теплопроводности.

Гипотеза: воздух имеет малую теплопроводность; шуба не греет, а сохраняет тепло; возможно в домашних условиях создать модель термоса из пористых материалов и использовать в быту.

Методы исследования: изучение литературы, анализ, проведение экспериментов их пояснение, моделирование и испытание, обобщение.

2. Основная часть.

   1. Анализ литературы

Развитие различных областей техники, требований современности повлекло за собой развитие науки о теплообмене. И используется во всех видах инженерной деятельности.

Уже в учении великого русского ученого М.В. Ломоносова заложено пояснение процесса теплообмена между телами: «Явление 7. Если более теплое тело A находится в соприкосновении с другим телом B, менее теплым, то находящиеся в точках соприкосновения частицы тела A, вращаясь быстрее, чем соседние с ними частицы тела B … т. е. передают им часть своего движения… Вследствие этого, когда тело A при соприкосновении нагревает тело B, то само оно охлаждается.» [1]

Математическую теорию теплопроводности (взаимосвязь энергии и температуры тела) заложил французский ученый Фурье, экспериментально установлено австрийским ученым И. Стефаном и немецким ученым Л. Больцманом.

 Советские ученые внесли огромный вклад в науку о теплопередаче. Учеными М. А. Михеевым была проведена важная работа по систематизации и обобщению экспериментальных данных по теплопередаче. Советские ученые провели масштабное исследование теплообмена при изменении агрегатного состояния вещества. Это исследовательские работы чл.-корр. АН СССР Г. Н. Кружилина и С. С. Кутателадзе, профессора Д.А. Лабунцова.

Процесс теплообмена – сложный процесс. В школьном учебнике физики теплообмен представлен как процесс изменения внутренней энергии тела путем теплопередачи или совершением работы. Существуют три вида теплопередачи, один из них теплопроводность.

Теплопроводность – процесс, при котором энергия передается от одного тела к другому или от одной части тела к другой за счет теплового движения частиц и их взаимодействия между собой. [2]

Большой теплопроводностью обладают твердые тела, так как частицы вещества, из которых состоят тела, находятся на очень близком расстоянии друг от друга. Взаимодействие между частицами сильное. Передача энергии происходит быстрее.

Жидкости, в том числе и вода, обладают плохой теплопроводностью. Это связано с тем, что частицы вещества расположены на большем расстоянии, чем в твердых телах. Взаимосвязь между частицами жидкости слабее.

В газах частицы слабо взаимодействуют друг с другом, расстояния между ними огромные. На передачу тепла друг другу будет уходить много времени. Поэтому все газы обладают плохой теплопроводностью. Что и позволило использовать их в роли теплоизоляторов.

Наши предки не всегда владели грамотой, но были очень наблюдательны. Это им помогало выжить.

Чтобы уберечься от холода зимой, наши прародители использовали шкуры животных для изготовления зимней одежды. Так появились шубы.

В народных пословицах указывает на то, что прежде всего шуба является способом согреться в морозы. Вот некоторые из них:

• Зимой без шубы не стыдно, а холодно.

• Каков мех, такова и шуба.

• Не ради красы шуба, а ради тепла.

В нашем регионе, как и в средней полосе России популярны были тулупы, «дубленки» – шуба мехом вовнутрь. Археологи установили, что дубленки носили в России еще две тысячи лет назад. Популярность эта одежда приобрела во время правления Петра I. Тогда эта одежда была роскошью, ее носили богатые, т.к. дорого стоила обработка шкуры овец. Постепенно тулупы из необработанных шкур начали носить простолюдины. В настоящее время модными стали шубы из различного меха.

В отличие от нашей местности, народы Севера носят шубы мехом наружу. Одежда ненцев и чукчей состоит из двух вещей: нижней – шьется из кожи теленка мехом вовнутрь, чтобы было тепло, и верхней – мехом наружу, чтобы снег не задерживался на мехе, спадал вниз.

И у нас, и Севере шубу шили мехом во внутрь, т.к. в ней теплее. Воздух задерживается между волосами, создаёт тепловую подушку. Воздух, нагреваясь от тела, остаётся на месте никуда не уходит. Когда мех наружу, то воздух между ворсом тоже нагревается, но он постепенно заменяется на холодный и организму придётся нагревать его заново, это затратно для организма. И еще, у каждого вида меха свои особенности, своя теплопроводность.

В быту садоводы берегут своих «питомцев» от сильных морозов способом утепления прикорневой части деревьев, кустарников соломой, прошлогодней листвой. А, когда выпадает снег, еще сверху засыпают снегом. Так получается природная «шуба» для растений.

Способность тел плохо проводить тепло широко применяется в строительстве. Экономичность утепления фасадов домов, складов, загородных коттеджей и прочих зданий давно доказана опытом. Чем плотнее материал, тем теснее прилегают друг к другу молекулы, передающие тепловую энергию, тем выше теплопроводность материала, а значит, холод с улицы быстрее попадает в дом. Отсюда следует, что пенопласт с меньшей плотностью лучше держит тепло, хоть и менее прочный, что особо не играет роли при наличии армирующего и декоративно защитного слоя. [3]

Создаются новые современные строительные материалы, которые имеют низкий коэффициент теплопроводности. Чем больше значение коэффициента, тем лучше материал проводит тепло и показывает, какое количество тепла проходит за 1 ч через 1 м² материала толщиной 1 м при разности температур в 1 градус.

2. 2. Экспериментальное исследование теплопроводности.

Для подтверждения теоретических выкладок, представленных в анализе литературы по теме, мною проделаны эксперименты по исследованию теплопроводности некоторых веществ.

Эксперимент 1

Цель: сравнить скорость остывания воды в бутылках – обернутой в хлопчатобумажную ткань и без обертывания.

Оборудование: три пластиковые бутылки по 0,5 л, горячая вода 52,3 ⁰С, термометр комнатный, термометр пищевой цифровой со щупом, хлопчатобумажный носок, шерстяной носок.

Ход эксперимента.

1. Измерить температуру воздуха в комнате.

2. Налить в бутылки горячую воду одинаковой температуры.

3. Одну из бутылок обернуть хлопчатобумажной тканью, вторую –шерстяной тканью, а третью оставить без обертывания.

4. Измерить температуру воды в каждой бутылке через 30, 60, 120 минут.

5. Сравнить результаты измерений.

Результаты наблюдений представлены в таблице 1, а фотографии эксперимента в Приложении1.

Таблица 1

Вывод: вода в бутылке, обернутой шерстяной тканью остывает медленнее.

Эксперимент 2

Цель: сравнить скорость остывания воды в бутылках – обернутая мехом (наружу) и без обертывания.

Оборудование: две пластиковые бутылки по 0,5 л, горячая вода 52,3 ⁰С, термометр комнатный, термометр пищевой цифровой со щупом, меховой мешок.

Ход эксперимента.

1. Измерить температуру воздуха в комнате.

2. Налить в обе бутылки горячую воду одинаковой температуры.

3. Одну из бутылок обернуть мехом наружу, вторую оставить без обертывания.

4. Измерить температуру воды в каждой бутылке через 60, 90, 120 минут.

5. Сравнить результаты измерений.

Результаты наблюдений представлены в таблице 2, а фотографии эксперимента в Приложении 2.

Таблица 2

Вывод: вода в бутылке, обернутой мехом вовнутрь остывает медленнее.

Сравнительные результаты исследований двух экспериментов представлены диаграммой 1 в приложении 2. Анализ диаграммы показывает, что вода в пластиковой бутылке остывает медленнее, если она обернута меховой тканью. Не сильно отличаются скорость остывания воды под шубой – мехом вовнутрь и наружу. Скорость передачи тепла зависит от теплопроводности вещества.

Эксперимент 3

Цель: сравнить скорость таяния мороженого – обернутого мехом (наружу, вовнутрь) и без обертывания.

Оборудование: три порции мороженого, термометр комнатный, термометр пищевой цифровой со щупом, 2 меховых мешка.

Ход эксперимента.

1. Измерить температуру воздуха в комнате.

2. Одну порцию мороженого положить в меховой мешок (мехом наружу), а вторую в мешок (мехом вовнутрь), а третью - оставить в упаковке без обертывания.

3. Измерить температуру каждого мороженого через 30 минут и сравнить результаты.

Результаты наблюдений представлены в таблице 3, а фотографии эксперимента в приложении 3.

Таблица 3

Вывод: мороженое, обернутое мехом вовнутрь тает медленнее. Температура тела под мехом не повышается, понижается медленно. Меховой мешок выступает в роли преграды, не пропускает тепло извне под шубу.

Результаты последнего эксперимента показывают, что скорость таяния мороженого зависит от того, какова теплопроводность вещества, которое окружает мороженое. Это вещество – воздух, который находится между ворсинками меха, он плохой проводник тепла. Следует отметить, что мороженое под меховой шубой (мехом вовнутрь) тает еще медленнее.

Эксперименты 1-3 показали, что: воздух обладает плохой теплопроводность; вода имеет хорошую теплопроводность; а шуба лишь хранит тепло тела, находящегося под ней. Можно смело сказать – шуба не греет!

Эксперимент 4

Цель: сравнить скорость остывания воды в бутылках – без обертывания, обернутая бумагой и обернутая строительной пеной.

Оборудование: две пластиковый бутылки по 0,5 л, горячая вода 50 ⁰С, термометр комнатный, термометр пищевой цифровой со щупом, белая бумага.

Ход эксперимента.

1. Измерить температуру воздуха в комнате.

2. Обернуть одну из бутылок бумагой.

3. Налить в бутылки горячую воду одинаковой температуры.

4. Измерить температуру каждой через 60, 120 минут и сравнить результаты.

Результаты наблюдений представлены в таблице 4, а фотографии эксперимента в приложении 4.

Таблица 4

Вывод: на скорость остывания воды влияет материал, в который обернута бутылка. Бутылка, обернутая бумагой, остывает чуть медленнее, чем без бумаги.

Это свойство хорошо используется в теплоизоляционных материалах.

2. 3. Изготовление модели термоса и испытание его в действии.

Результаты последнего эксперимента подтолкнули к созданию самодельного термоса. Мною изготовлены две модели термоса.

Первой моделью термоса служит пластиковая бутылка 0,5л, обернутая в монтажную пену.

Для изготовления второй модели термоса мне понадобились следующие материалы: пластиковая бутылка 0,5 л, алюминиевая фольга (для запекания), кусок войлока размером 28,5х18х1 см, 2 окружности из войлока диаметром 8 см и толщиной 1 см, для крышки войлок 28,5х2 см.

Порядок изготовления

Для сравнения тепловых характеристик самодельных термосов взяли термос фабричного изготовления. Фабричный термос имеет стеклянную колбу с двойными стенками, между которыми находится вакуум (не обладает теплопроводностью).

В самодельных термосах используются теплоизолирующие материалы – монтажная пена и войлок.

Результаты измерений представлены в таблице 5, а фотографии эксперимента в приложении 5.

Таблица 5

Сравнительный анализ скорости изменения температуры воды в термосах представлен диаграммой 2 приложения 5. Он свидетельствует о том, что фабричный термос хорошо держит тепло. Но меня интересуют изготовленные модели термоса. Эксперименты показали, что термос с монтажной пеной держит тепло лучше, чем термос с войлоком.

Проведем расчеты энергосбережения и энергетических потерь (количество теплоты, отданное окружающей среде). Для этого воспользуемся формулой из учебника физики для 8 класса: Q = c· m· (t₂ – t₁), где с – удельная теплоемкость вещества, m – масса вещества, t₂ и t₁ – конечная и начальная температуры вещества соответственно. Данные теплоемкости взяты из справочных материалов. [4]

Согласно закону сохранения энергии в нашем исследовании отдает тепло окружающей среде не только вода Q_в, но и стеклянная бутылка Q_б:

Q_{самодельный} = Q_в + Q_б = (t₂ – t₁)·(с_в· m_в + с_б· m_б). Тогда

Q_{с пеной} = (50⁰С – 43,3⁰С)·(4200 · 0,5 кг + 1030 0,0,026 кг) 14249,43 Дж.

Q_{с войлоком} = (50 ⁰С – 40,8 ⁰С)·(4200 · 0,5 кг + 1030 0,026 кг) = 19566,38 Дж.

Q_{фабричный} = 4200 · 0,5 кг · (50 ⁰С – 47,4 ⁰С) = 5460 Дж.

Получим, что 5460 Дж 14249,43Дж 19566,38 Дж,

то есть Q_{фабричный} Q_{с пеной} Q_{с войлоком}

Вначале эксперимента все термосы получили одинаковое количество теплоты. По истечении фиксированного времени наименьшие теплопотери у фабричного термоса (температура воды за 120 минут понизилась на 2,6 ⁰С, теплопотеря составила 5460 Дж), у термоса с монтажной пеной (температура понизилась на 6,7 ⁰С, теплопотеря - 14249,43Дж). У термоса из войлока температура понизилась на 9,2 ⁰С и наибольшая теплопотеря 19566,38 Дж среди рассматриваемых термосов.

Вывод: на скорость охлаждения вещества влияет теплоизолирующий материал. Чем пористее будет материал, тем теплопотерь будет меньше.

2. 3аключение

Работая над темой моего исследовательского проекта, я познакомился с новым предметом «Физика», узнал о особенностях веществ проводить тепло, экспериментально изучил от чего зависит теплопроводность. В ходе экспериментов не получило подтверждение народное высказывание «шуба греет». Шуба лишь сохраняет тепло тела, которое находится внутри нее.

У меня удалось самостоятельно изготовить простейший термос из подручных средств, испытать его в действии. В ходе экспериментов выяснил, что теплопотери будут меньше, если изолирующий материал будет иметь низкую теплопроводность.

Практическая значимость моей работы заключается в том, что мою модель термоса и результаты экспериментов можно использовать:

- на уроках физики, когда будем изучать теплопроводность;

- на классном часе «Береги свое здоровье» (выбор одежды зимой);

- во внеурочное время (термос в походе);

- при выборе материала для утепления фасада зданий.

Список использованных источников и литературы

1. Михайл Ломоносов: Размышления о причине теплоты и холода. ПереводБ. Н. Меншуткина. – Текст электронный // Михаил Ломоносов : [сайт]. – 2000. – URL: http://lomonosov.niv.ru/lomonosov/nauka/po-fizike-i-himii-1747-1752/science-1.htm(дата обращения 12.05.2023).

2. Перышкин И.М. Физика 8 класс : учебник/ И.М.Перышкин, А.И.Иванов. – 2-е изд. Стереотипное – Москва : Просвещение, 2022. – 255с. – Текст : непосредственный.

3. 10 мифов об утеплении фасада пенопластом!– Текст электронный // Гранд-Фасад: [сайт]. – 2011. – URL: https://grand-fasad.su/articles/8989/ (дата обращения 28.05.2023).

4. Теплопроводность строительных материалов, их плотность и теплоемкость.– Текст электронный // Thermalinfo.ru: [сайт]. – 2012. – URL: http://thermalinfo.ru/ (дата обращения 09.06.2023).

Приложение 1. Проведение эксперимента 1

Приложение 2. Проведение эксперимента 2

Диаграмма 1. Сравнительный анализ скорости остывания воды в термосах

Приложение 3. Проведение эксперимента 3

Приложение 4. Проведение эксперимента 4

Приложение 5. Проведение эксперимента 5

Диаграмма 2. Сравнительный анализ скорости остывания воды в термосах