ШУБА. ГРЕЕТ ЛИ ОНА?

II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

ШУБА. ГРЕЕТ ЛИ ОНА?

Черняев И.А. 1
1
Щукина Н.А. 1
1
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение

Но как же жизнь бывает непроста

с той дамой, что зовётся «Теплота»!

Проживая в условиях приближенных к крайнему северу, в зимнее время года возникает необходимость утеплять как самих себя, так и своё жильё, используя современные достижения науки. Наш новый спортзал возле школы и переход между спортзалом и школой построены не из бревен, а с использованием мягкого утеплителя, коллега папы по работе построил дом из пенобетонных блоков. Изучение этих достижений и определило выбор темы исследования.

Исследование в данной области позволяет разобраться в современных достижениях учёта теплопроводности в строительстве, технике, одежде и рационально применять их в повседневной жизни.

Актуальность: использование современных достижений науки и техники в области теплообмена способствует строить здания за более короткие сроки.

Объект исследования - процесс теплопередачи.

Предмет - закономерности теплопроводности.

Цель исследования - экспериментальное изучение теплопроводности воздуха.

Гипотеза: скорость теплопередачи будет зависеть от разности температур окружающей среды и тела.

Задачи:

  1. Описать природу тепла.

  2. Экспериментально определить зависимость скорости теплопроводности от разности температур.

Методы исследования: анализ, сравнение, обобщение, исследование, изучение литературы

Глава 1. Что такое тепло

Когда-то считали, что тепло — это своего рода жидкость, которая переходит из одного тела в другое. Эту воображаемую жидкость назвали «теплота».

М. В. Ломоносов в своих «Размышлениях о причине теплоты и холода» высказал утверждение о том, что тепловые явления обусловлены движением частиц тела — его молекул [3], т.е. тепло — это постоян­ное движение атомов и молекул в предмете; на­пример, в воздухе атомы и молекулы двигаются хаотично. При возрастании скорости перемеще­ния этих атомов и молекул мы говорим, что тем­пература воздуха высокая или что воздух горя­чий. Если их скорость низка, например в холод­ный день, мы ощущаем холодный воздух.

Атомы и молекулы в жидких и твердых телах не могут двигаться столь же свободно, как в воздухе, но тем не менее такое движение существует.

Даже при температуре таяния льда молекулы продолжают движение. Молекула водорода при данной температуре движется со скоростью 1950 м/сек. В 16 кубических сантиметрах воздуха каж­дую секунду происходит тысяча миллион - миллио­нов столкновений между молекулами.

Тепло и температура не одно и то же. Темпе­ратура поверхности маленькой газовой горелки такая же, как и у большой горелки. Просто боль­шая горелка дает больше тепла, так как сжигает больше газа. Темпе­ратура тела отмечает уровень тепловой энергии, которую имеет данное тело. Температуру измеря­ют термометром, она выражается в градусах.

При соединении двух тел и при отсутствии пе­редачи тепла от одного к другому мы говорим, что тела имеют одинаковую температуру. Но если одно тело потеряло часть тепловой энергии (мо­лекулы замедлили свое движение), а второе тело получило дополнительно от него такую же часть тепла (его молекулы ускорили свое движение), мы говорим, что тепло перешло от более теплого тела к более холодному и что у первого тела тем­пература была выше, чем у второго [1].

Энергию всех частиц тела еще называют внутренней. Как изменить внутреннюю энергию тела?

Например, что мы делаем, когда хотим согреть свои замёрзшие руки? Мы либо дышим на ладони, либо трём их. В первом случае, при передаче тепла выдыхаемого пара рукам происходит теплопередача. Во втором случае, при растирании совершается механическая работа. При теплообмене (теплопередаче) внутренняя энергия одного тела увеличивается за счёт уменьшения внутренней энергии другого тела.

В природе известно несколько способов передачи теплоты от одного тела другому: теплопроводность, конвекция, излучение. В исследовании мы попытаемся экспериментально изучить теплопроводность.

1.1. Теплопроводность

Теплопроводностью называют вид теплопередачи, обусловленный передачей энергии от одного тела к другому или от более нагретых частей тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц [2]. Тепло — это форма энергии, и когда мы измеряем тепло, мы измеряем энергию. Процесс теплопроводности приводит к равномерности температуры всего тела. Тепло измеряется в калориях. Калория — это величина тепловой энергии, необходимой для увеличения температуры одного грамма воды на 1° С.

Ещё одно определение теплопроводности даёт объяснение, что это перенос тепловой энергии посредством частиц конкретного вещества в процессе теплового движения данных частиц. Подобный теплообмен обычно происходит в любом теле, которому присуще неоднородное распределение температуры.

1.2. Объяснение явления теплопроводности

Суть этого явления проста – это равномерное распределение тепла по всему телу или по всему веществу, материалу. Численную характеристику теплопроводности материала можно определить количеством теплоты, проходящей сквозь материал определённой толщины за определённое время. Для осуществления теплопроводности обязательно требуется непосредственный физический контакт, осуществляемый между двумя телами. Значит, передача тепла осуществима только между твёрдыми телами и неподвижными жидкостями. Непосредственный контакт даёт возможность кинетической энергии перейти от молекул наиболее теплого вещества к наиболее холодному. Обмен тепла происходит при непосредственном прикосновении разных по температуре тел друг к другу.

Молекулы теплого тела не могут проникать в холодное тело. Происходит только передача кинетической энергии, что и даёт равномерное распределение тепла. Такая передача энергии будет продолжаться, пока соприкасающиеся тела не станут равномерно тёплыми. В таком случае достигается тепловое равновесие. На основании этих знаний можно рассчитать, какой утеплительный материал потребуется для устройства теплоизоляции того или другого здания.

1.3. Степень теплопроводности веществ

Некоторые вещества обладают лучшей теплопроводностью, чем другие. Хорошими проводниками тепла являются некоторые металлы - железо, медь, серебро, золото и другие металлы. Они передают тепло более интенсивно, чем другие материалы, такие, как пробка, асбест, керамика и древесина. Теплопроводность тел в трёх состояниях вещества различна. Именно этот факт используется в природе и технике.

Так, например, вещества, являющиеся плохими проводниками тепла, называют изоляторами. Жидкости (кроме ртути) плохо проводят тепло, газы– ещё хуже. Самый лучший изолятор – безвоздушное пространство (вакуум).

Воздух, лёд, снег, жир являются плохими проводниками тепла. Это спасает жизнь очень многим животным, обитающим в лесах и водоемах.

Какую роль играет воздух в сохранении жизни животных? Не каждый знает, что белая окраска, которую получают животные к зиме, помогает переносить им суровый климат. Например, заяц меняет свою «шубку» не только для того, чтобы зимой укрыться от хищников, но и для утепления. Когда из волос уходит пигмент, дающий окраску, в них собирается воздух. Этот воздух, благодаря плохой теплопроводности, защищает зайца от потери тепла. Белый медведь, полярная куропатка и другие полярные животные имеют белый окрас.

1.4. Использование физического явления теплопроводности

Благодаря существованию в природе такого свойства, как теплопроводность, технологи создают специальные строительные материалы, которым присущи эти свойства. Такие материалы хорошо защищают жилище человека от холода и воздействия атмосферных явлений. Теплопроводность – свойство, присущее многим современным строительным материалам, которые играют роль теплоизоляции зданий и строений различного назначения. Такими материалами являются сегодня разнообразные теплоизоляционные материалы, обычно их структуру отличают высокая пористость и маленькая средняя плотность, что обеспечивают их низкую теплопроводность. Значит, теплопроводность – это основной показатель качества для современных теплоизоляционных материалов (Приложение 1).

1.5. Различия теплоизоляционных материалов

Теплоизоляционные материалы сегодня различают по плотности, и это:

1.особо лёгкие, 2. лёгкие, 3. средней плотности, 4. плотные.

Так же современная теплоизоляция делятся по степени жесткости на мягкие материалы, полужесткие, жесткие и твердые. По применяемому в производстве исходному сырью теплоизоляционные материалы делятся на неорганические и органические. К неорганическим материалам относятся минеральная вата, стеклянная вата, пеностекло и другие материалы. К органическим материалам относятся изделия из дерева или другого растительного сырья, а также теплоизоляционные пластмассы. Есть ещё одна классификация современных теплоизоляционных материалов – по их структуре: волокнистые (минеральная вата, стекловатные изделия), ячеистые (пенополистирол, пенокерамика, пеностекло, пенобетон), зернистые (перлит, вермикулит) и другие материалы [5] (Приложение 2).

1.6. Виды теплоизоляционных материалов

Современная теплоизоляция различается по форме и внешнему виду: штучные материалы и сыпучие. К штучным относятся различные изделия, плоские, фасонные и шнуровые материалы. К сыпучим материалам можно отнести порошкообразные, волокнистые и зернистые материалы. Применение в строительных работах штучных материалов значительно повышает теплоизоляцию помещений и уменьшает затраты труда рабочих. Наиболее популярными теплоизоляционными материалами в строительстве стали именно штучные материалы. Теплоизоляционными материалами можно утеплять конструкции зданий и сооружений различного назначения, устраивать теплоизоляцию промышленного оборудования и различных трубопроводов, утеплять фасады и кровлю, делать теплоизоляцию полов и подвалов. Применение теплоизоляции в строительстве значительно снижает массу конструкций, уменьшает количество строительных материалов и т.д. Так же использование теплоизоляционных материалов сокращает расходы электроэнергии и разных видов топлива для отопления здания. И всё это начиналось когда-то давно, в истории строительства, с простых законов физики, которые доказывали способность различных материалов к теплопроводности (Приложение 3).

Глава 2. Эксперименты по изучению теплопроводности воздуха

Прежде, чем приступить к данной работе я проконсультировался с папой, мастером стройки С. Перхуровым и учителем школы А.С. Мирзоевым. Сергей и Андрей Сергеевич очень подробно и доступно объяснили каким образом проводились работы по строительству, а затем и по утеплению стен, потолков и полов спортзала и перехода. Воспользовавшись их советами, я решил на опытах проверить теплопроводность шубы, которая по сути и является нашим спортзалом (Приложение 4).

Эксперимент № 1. Мы решили проверить, изменится ли температура воздуха под шубой. Для этого взяли два термометра и измерили температуру воздуха в комнате. +22*С. Затем один термометр закутали в шубу, а второй положили рядом и включили в комнате обогреватель. Через три часа достали термометр и вновь зафиксировали его показания. На термометре в комнате было + 25*С, а на термометре под шубой + 22*С. Показания не изменились!

Вывод: Под шубой наблюдается только теплопроводность воздуха, так как шуба представляет собой пористое тело, состоящее из волокон, между которыми находится воздух. А воздух, как известно, что обладает плохой теплопроводностью. Поэтому шуба является преградой и отгораживает, в данном случае, термометр от теплого воздуха комнаты (Приложение 5).

Эксперимент № 2 был проведен с комочками снега, температура которых составляла - 8*С.Мы взяли 2 одинаковых (по массе и температуре) комочка снега, поместили их в пластиковые стаканчики. Один оставили при комнатной температуре (+18*С), второй при этой же температуре поместили под шубу. Вместе со снегом под шубу положили второй термометр, который при комнатной температуре показывал +18*С. Через 2 часа снег, находящийся в комнате, частично растаял до состояния снега и жидкости. Снег, который был под шубой, находился в твердом состоянии. При этом температура внутри шубы оказалась ниже комнатной и была равна +11*С. Проверив содержимое стаканчиков через сутки я увидел, что снег находящийся в комнате растаял полностью, а под шубой, снег находился практически в жидком состоянии, но в жидкости находился и еще не совсем растаявший снег. При этом: температура в комнате была 20*С, а под шубой +1*С (таблица 1). Таблица 1

Этапы исследования

Состояние воды

Температура, 0С

Начало исследования

В комнате

твердое

– 10

Под шубой

твердое

– 10

через 2 час

В комнате

жидкое

+21

Под шубой

Частично твердое, частично жидкое

+ 11

Через сутки

В комнате

жидкое

+21

Под шубой

Жидкость с небольшим количеством снега

+ 11

Для чистоты эксперимента мы провели эксперимент, с мороженым. Одно мороженое мы оставили открытым, второе закутали в шубу.

Через 2 часа мороженое, находящееся без шубы, полностью растаяло до жидкого состояния. Достав же мороженое из-под шубы, мы увидели, что оно находится целиком в твердом состоянии, нисколько не растаяв. Результаты эксперимента представлены в таблице 2. Таблица 2

Этапы исследования

Состояние вещества

Температура, *С

Начало исследования

На столе

твердое

-17

Под шубой

твердое

-17

через 2 часа

На столе

жидкое

+8

Под шубой

твердое

+1

Вывод: Проведенные эксперименты подтверждают гипотезу о том, что скорость теплопередачи будет зависеть от разности температур окружающей среды и тела, а также позволяют сделать вывод о том, что шуба не греет, а лишь сохраняет тепло. В случае со снегом и мороженым, она не пропускала тепло извне (Приложение 6).

Эксперимент № 3. Мы взяли две баночки. В обе баночки налили горячую воду при температуре 78 *С. Одну баночку поместили под шубу, другую оставили на столе в комнате. Через 3 часа вода в баночке на столе остыла до температуры 33 *С, а вода в бутылке под шубой осталась такой же горячей.

Вывод: воздух обладает плохой теплопроводностью. Значит шуба является преградой и отгораживает, в данном случае, термометр от более холодного воздуха комнаты и не выпускает теплый воздух наружу (Приложение 7).

Осенью, когда наступают заморозки, мама всегда укрывает цветочные и плодовые кусты сухой травой (сеном), а после когда выпадает снег, то и снегом. Я поинтересовался, зачем она это делает. Мама ответила, чтобы цветы и кусты не замерзли зимой их нужно укрывать или одевать в шубку, как это делаем мы, когда нам холодно.

Поэтому следующий эксперимент мы проводили на улице, изучая теплопроводность снега. Для этого в течение трех недель при разной температуре воздуха мы измеряли температуру почвы в зависимости от толщины снега.

Проводились измерения при температуре воздуха от -2*С до -22*С. Результаты эксперимента № 4 представлены в таблице 3. Таблица 3

№ опыта

Толщина снежного покрова,

см

Температура, *С

Разность температур, *С

На поверхности снега, *С

На поверхности почвы под снегом, *С

1

20

-2

-2

0

40

-2

0

2

60

-2

+1

3

2

20

-15

-8

7

40

-15

-7

8

60

-15

-4

11

3

20

-22

-17

5

40

-22

-13

9

60

-22

-10

12

Несмотря на некоторые погрешности результатов, учитывая достаточно большое количество измерений, мы выявили ряд закономерностей.

  1. С глубиной снега температура повышается. Чем глубже снег, тем больше разность температур на поверхности снега и на поверхности почвы под снегом. Соответственно, чем меньше слой снега, тем меньше разность температур.

  2. Чем ниже температура воздуха на улице, тем больше разность температур на поверхности снега и на поверхности почвы.

  3. С ростом температуры воздуха, температура на поверхности почвы на небольшой глубине (до 20 см.) растет, а на большой глубине (60 см.) практически не меняется.

Таким образом, снег, как и шуба, обладает теплозащитными свойствами. Плохая теплопроводность снега объясняется тем, что его кристаллы неплотно прилегают друг к другу, между ними оказываются промежутки, заполненные воздухом. Чем рыхлее снег, тем больше он содержит воздуха. Но теплопроводность воздуха, как известно, мала. Поэтому теплопроводность рыхлого снега значительно меньше, чем плотного. Изучение этих свойства снега имеет большое значение в сельском хозяйстве (Приложение 8).

Заключение

Экспериментальное изучение теплопроводности позволяет утверждать, что шубы действительно не греют, если под словом «греть» подразумевать сообщение энер­гии. Огонь греет, человеческое тело греет, лампа греет так как все эти предметы являются источником энергии. Но шуба в этом смысле нисколько не греет. Она только мешает теплоте нашего тела уходить от него. Вот почему теплокровное животное, тело которого само является источником теплоты, будет чувство­вать себя в шубе теплее, чем без нее. Но термометр не является таким источником, и его температура не изменится оттого, что мы закутаем его в шубу. Лед, обернутый в шубу, дольше сохра­няет свою низкую температуру, потому, что шуба замедляет доступ к нему теплоты извне, от комнатного воздуха.

В таком же смысле, как шуба, снег греет землю: обладая, как все пористые тела, малой теплопроводностью, он мешает энергии уходить из почвы. В почве, защищенной слоем снега, термометр показывает нередко градусов на десять больше, чем в почве, не покрытой снегом.

Итак, на вопрос, греет ли шуба, надо ответить, что шуба только помогает нам греть самих себя. Вернее было бы говорить, что мы греем шубу, а не она нас.

Список литературы

  1. Все обо всем. Популярная энциклопедия для детей: Компания «Ключ – С», художественное оформление, 1993; Филологическое общество «СЛОВО», перевод, составление, иллюстрации, 1993

  2. Л.Э.Генденштейн. Физика, 8 класс. В 2 ч. Ч.1. Учебник для общеобразовательных учреждений/ Л.Э.Генденштейн, А.Б. Кайдалов, В.Б. Кожевников; под ред. В.А. Орлова, И.И. Ройзена.-4-е изд., стер. – М.: Мнемозина, 2012. – 271 с.: с ил.

  3. Кириллова И. Г. Книга для чтения по физике: Учебное пособие для учащихся 6—7 кл. сред. шк. /Сост. И. Г. Кириллова.— 2-е изд., перераб.— М.: Просвещение, 1978.— 160 с, ил.

  4. Сёмке А.И. Физика и живая природа: Занимательный материал к уроку. 7-9 классы-М.: Чистые пруды, 2008.-32с.

  5. http://www.1tv.ru/prj/zdorovo/vypusk/5662

Приложения

Приложение 1

Приложение 2

Утепление стен спортзала утепление потолка

Внешняя и внутренняя часть готового спортзала

Переход, соединяющий спортзал и школу

Приложение 3

Приложение 4

консультация с Мирзоевым А.С.

Приложение 5

Эксперимент с термометрами: один под шубой, второй рядом на столе.

Приложение 6

Эксперимент со снегом

Стаканчик со снегом помещаем под шубу стаканчик со снегом под шубой и

на столе

Эксперимент с мороженым

Мороженое в начале эксперимента через 2 часа: слева – мороженое из-

под шубы; справа – со стола

Приложение 7

Опыты с горячей водой

Начало эксперимента эксперимент: одна баночка под шубой,

(температура воды в баночках 78 *С) другая - рядом

Приложение 8

Эксперименты по измерению температуры воздуха на разных снежных глубинах

17

Просмотров работы: 1173