II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ, ВЛАГОПРОНИЦАЕМОСТИ И ЭЛЕКТРИЗАЦИИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ТКАНЕЙ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В курсе физики вопрос о физических явлениях - тепловых и электрических, вызвал особый интерес. В результате выполнения данной работы мы хотели углубить и закрепить имеющиеся знания по этому вопросу физики.
Объектом исследования являются различные образцы тканей.
Гипотеза исследования: теплопроводность, влагопроницаемость, способность электризоваться зависят от вида тканей.
Актуальность работы: вусловиях холодного климата возникает проблема соответствующей одежды, которая должна быть комфортной, не электризоваться и хорошо сохранять тепло, для этого она должна обладать малой теплопроводностью. А в редкие жаркие дни не привести к перегреву тела. И, поэтому мы решили исследовать некоторые виды тканей на теплопроводность, электризацию и влагопроницаемость.
Цель работы: исследовать теплопроводность, электризацию и влагопроницаемость различных видов тканей в условиях школьного физического кабинета.
Задачи:
-изучить теоретическую основу понятия теплопроводности и влажности тканей; -экспериментально исследовать теплопроводность, электризацию и влагопроницаемость различных видов тканей.
Данные задачи решались с помощью нескольких методов:
- теоретические (изучение, анализ литературы); - эмпирические (наблюдения, измерения); - интерпретационные (количественная и качественная обработка результатов).
Практическая значимость: эксперименты внесут определенный вклад в понимание физических процессов, происходящих в нашей повседневной жизни, позволят рассмотреть их более наглядно.
Оборудование:
- калориметр с водой; - экспериментальный материал (образцы тканей); - цифровая лаборатория «Архимед» с датчиками температуры и влажности; - электронные весы; - секундомер; - электроскоп, эбонитовая, стеклянная палочки.
Основная часть
Одежда помогает нам защищаться от излишнего охлаждения или перегревания, содействует поддержанию температуры тела. Подбирая соответствующее белье, платье, можно замедлить или ускорить отдачу телом тепла и тем самым облегчить организму возможность регулировать свой тепловой баланс при различных метеорологических условиях.
На обширной территории нашей страны существуют большие различия в климате, погоде. И это во многом определяет одежду населения. Так, она наиболее разнообразна у жителей умеренного климата с ярко выраженными сезонами года: зимним, летним, весенне-осенним (большая часть европейской части России, южные районы азиатской части, Северный Казахстан, где суровая зима чередуется с жарким летом, а также приморские влажные районы Прибалтики, Белоруссии с их пасмурным летом и прохладной сырой зимой). По-особому одеваются жители Арктики, Заполярья и Севера, где преобладает в основном холодная погода с очень сильными морозами и ветрами, а лето прохладное и часто сырое. Есть свои закономерности в одежде для самых жарких (Средней Азии), жарких и влажных (Черноморское побережье), а также высокогорных районов страны (Памир, Тянь-Шань, Кавказ, Алтай). Прежде всего, ткани должны создавать наиболее благоприятный режим для сохранения теплового равновесия организма и обеспечивать необходимый обмен влаги между телом и окружающей средой, меньше накапливать электростатические заряды.
Свойства тканей должны соответствовать конкретным условиям жизни и деятельности человека.
Исследовательская часть
Опыт №1 «Измерение температуры остывающей воды при наличии одного слоя тканевого мешочка»
Оборудование: цифровая лаборатория Архимед, датчик температуры, стакан калориметра, образцы тканей, сосуд с горячей водой.
В ходе выполнении исследовательской работы были проведены эксперименты с различными видами тканей. Для выполнения эксперимента мы помещали стакан калориметра, наполненный горячей водой, в тканевый мешочек. Через равные промежутки времени (3 минуты) измеряли датчиком температуру под тканью, записывали показания в таблицу, рассчитывали скорость изменения температуры и строили диаграмму (Фото 1).
Фото 1 «Измерение температуры»
Таблица №1
|
Температура |
|||||||
|
t,с |
Лён |
Шерсть |
Шёлк |
Хлопок |
Синтепон |
Трикотажная шерсть |
Капрон |
|
t1 |
78,52 |
80,41 |
77,71 |
82,76 |
79,24 |
80,71 |
70,57 |
|
t2 |
74,72 |
76,90 |
75,49 |
79,77 |
76,70 |
74,40 |
67,95 |
|
t3 |
71,37 |
73,71 |
71,90 |
79,20 |
76,13 |
69,27 |
65,69 |
|
t4 |
68,38 |
70,65 |
68,94 |
73,39 |
75,23 |
65,19 |
63,45 |
|
t5 |
65,78 |
68,18 |
66,47 |
70,36 |
69,25 |
61,35 |
61,31 |
|
Δt |
12,74 |
12,23 |
11,24 |
12,4 |
9,99 |
19,36 |
9,26 |
|
Скорость изменения температуры, °С/мин |
|||||||
|
№ |
Лён |
Шерсть |
Шёлк |
Хлопок |
Синтепон |
Трикотажная шерсть |
Капрон |
|
1 |
1,06 |
1,02 |
0,94 |
1,03 |
0,83 |
1,6 |
0,77 |
Диаграмма 1 «Скорость изменения температуры, °С/мин»
Вывод: сравнив изменения температуры всех образцов тканей и построив диаграмму, мы увидели, что натуральные ткани: лён, шерсть, хлопок, трикотажная шерсть хорошо проводили тепло (ткани хорошо «дышат»), а синтетические ткани: капрон, шёлк, синтепон - плохо.
Опыт №2 «Измерение температуры остывающей воды при наличии двухслойного тканевого мешочка»
Оборудование: цифровая лаборатория Архимед, датчик температуры, стакан калориметра, образцы тканей, сосуд с горячей водой.
Для выполнения эксперимента мы помещали стакан калориметра, наполненный горячей водой, в двухслойный тканевый мешочек. Внутрь мешочка помещали датчик температуры цифровой лаборатории Архимед. Через равные промежутки времени (3 минуты) измеряли датчиком температуру под тканью, записывали показания в таблицу, сравнивали изменение температуры и строили диаграммы.
Таблица №2
|
t,с |
Шерсть- Шёлк |
Синтепон- Капрон |
Хлопок- Синтепон |
|
t1 |
79,81 |
82,25 |
81,48 |
|
t2 |
77,06 |
80,51 |
79,85 |
|
t3 |
74,48 |
77,75 |
76,3 |
|
t4 |
72,02 |
75,69 |
73,71 |
|
t5 |
70,36 |
73,79 |
72,36 |
|
Δt |
9,45 |
8,46 |
9,12 |
Диаграмма 2 «Сравнение изменения температуры однослойных и двухслойных тканей шерсть, шёлк»
Диаграмма 3 «Сравнение изменения температуры однослойных и двухслойных тканей синтепон, капрон»
Диаграмма 4 «Сравнение изменения температуры однослойных и двухслойных тканей хлопок, синтепон»
Вывод: сравнив изменения температуры пар образцов тканей: шерсть-шёлк, синтепон - капрон, хлопок – синтепон, и построив диаграммы, мы увидели, что многослойная «одежда» для стакана калориметра лучше сохраняла тепло, чем в том случае, когда «одежда» для стакана была однослойной.
Опыт №3 «Измерение массы воды, впитавшейся в ткань при испарении»
Оборудование: электронные весы, стакан калориметра, образцы тканей, сосуд с горячей водой.
При выполнении экспериментов мы заметили, что тканевые мешочки намокали при испарении воды. Мы решили изучить степень намокаемости ткани. Для выполнения исследования мы измеряли массу сначала однослойного тканевого мешочка (а затем двухслойного) до эксперимента и после него, записывали показания в таблицу, рассчитывали изменение массы и строили график.
Таблица №3
|
Масса, г |
|||||||
|
m |
Лён |
Шерсть |
Шёлк |
Хлопок |
Синтепон |
Трикотажная шерсть |
Капрон |
|
m1 |
9,39 |
9,97 |
6,10 |
6,58 |
13,20 |
26,91 |
3,67 |
|
m2 |
15,28 |
12,13 |
8,48 |
7,29 |
15,47 |
49,24 |
3,78 |
|
Δ m |
5,89 |
2,16 |
2,38 |
0,71 |
2,27 |
22,33 |
0,11 |
График 1 «Намокаемость образцов тканей»
Таблица №4
|
m |
Шерсть- Шёлк |
Синтепон- Капрон |
Хлопок- синтепон |
|
m1 |
11,11 |
12,98 |
14.47 |
|
m2 |
11,95 |
13,38 |
17.5 |
|
Δ m |
0,84 |
0,4 |
3,03 |
Диаграмма 5 «Намокаемость многослойных образцов тканей»
Опыт №4 «Измерение влажности исследуемых образцов тканей»
Способность тканей проводить влагу из среды с повышенной влажностью в среду с пониженной влажностью является их важным гигиеническим свойством. Мы помещали стакан калориметра поочерёдно в мешочки из разных тканей и всё это помещали в целлофановый пакет, внутрь которого вводили датчик влажности (Фото 2).
Фото 2 «Экспериментальная установка для измерения влажности»
Таблица 5
|
Влажность, % |
||||||
|
Лён |
Шерсть |
Шёлк |
Хлопок |
Синтепон |
Трикотажная шерсть |
Капрон |
|
83,29 |
86,04 |
77,12 |
75,63 |
78,69 |
77,72 |
75,27 |
Диаграмма 6 «Сравнение влажности исследуемых образцов»
Вывод: эксперимент показал, что в одежде из шерсти, льна, трикотажной шерсти, синтепона, тело будет испытывать повышенную влажность, а в одежде из хлопка, шёлка, капрона – будет более комфортно.
Опыт №5 «Изучение электризации исследуемых образцов тканей»
Для комфортного ношения одежды важен ещё один фактор – способность тел накапливать электрический заряд при трении (электризоваться). Для проведения эксперимента берём электроскоп, с прикреплённым к нему транспортиром, эбонитовую и стеклянную палочки, образцы тканей.
Фото 3 «Экспериментальная установка для изучения электризации тканей»
Таблица 6
|
Угол отклонения стрелки электроскопа,° |
||||||
|
Лён |
Шерсть |
Шёлк |
Хлопок |
Синтепон |
Трикотажная шерсть |
Капрон |
|
20 |
65 |
55 |
15 |
60 |
50 |
10 |
Диаграмма 7 «Изучение электризации исследуемых образцов тканей»
Заключение
Проведя все эксперименты, мы убедились, что в условиях школьного кабинета физики можно провести сравнительный анализ теплопроводности тканей, которые идут на изготовление нашей одежды, и их свойства впитывать или пропускать влагу, а также электризоваться (Приложение I).
Мы исследовали только несколько видов тканей, как натуральные, так и искусственные. Гипотеза о том, чтотеплопроводность и влагопроницаемость, способность электризоваться зависят от вида тканей, подтвердилась. Причём, свойства тканей, заявленные в таблице (Приложение II), полностью подтвердились. Шерсть действительно обладает малой теплопроводностью и хорошо электризуются, преимущества синтепона заключаются в хороших теплозащитных свойствах, но зато он хорошо электризуется, лён имеет высокую способность впитывать влагу при большой теплопроницаемости, зато электризуется мало, капроновые волокна плохо впитывают влагу и у них невелика теплостойкость и способность электризоваться.
На теплозащитные свойства одежды существенное влияние оказывает число слоев материала в одежде. С увеличением числа слоев материала суммарное тепловое сопротивление возрастает.
Современная промышленность чаще использует ткани, изготовленные из синтетических волокон. Преимущество таких тканей заключаются в их плохой теплопроводности, следовательно, они хорошо сохраняют наше тепло.
Практическое значение
Теплопроводность, электризация и влагопроницаемость тканей играет важную роль в одежде человека, а, следовательно, в его жизнедеятельности. Человек всегда должен одеваться по погоде, чтобы сохранить свое физическое здоровье.
Литература
1. http://studopedia.su/9_79827_vlagopronitsaemost.html
2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Шёлк
3. http://tkanchik.ru/tkani/tkan-xlopok/
4. http://vidy-tkanej.ru/material/33-len.html
5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Капрон
6. http://www.moda-dic.ru/html/6/6lektrizuemost5-tekstil5n3h-materialov.html
Приложение I
Словарь терминов
Теплопроводность,один из видов переноса теплоты (энергии теплового движения микрочастиц) от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящий к выравниванию температуры. При теплопроводности перенос энергии в теле осуществляется в результате непосредственной передачи энергии от частиц вещества, обладающих большей энергией, частицам с меньшей энергией. Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.
Влагопроницаемость - способность тканей проводить влагу из среды с повышенной влажностью в среду с пониженной влажностью; является их важным гигиеническим свойством. Благодаря этому свойству обеспечивается вывод излишков парообразной и капельно-жидкостной влаги из пододежного слоя или изоляция тела человека от воздействия внешней влаги. Процесс прохождения влаги через ткани складывается из диффузии влаги через поры в структуре материала [1].
Электризуемость - способность материалов в определенных условиях генерировать и накапливать на поверхности статическое электричество. Она непосредственно связана с природой материалов, их строением, влажностью. Электрическое поле, возникающее на коже человека под действием большинства синтетических волокон, может нарушать обмен веществ, изменять артериальное давление, повышать утомляемость и способствовать ощущению дискомфорта [6].
Приложение II
Образцы тканей [4]
|
Шерсть - волосяной покров овец, коз, верблюдов и других животных. Она обладает малой теплопроводностью, что делает ее незаменимой при выработке пальтовых, костюмно-плательных тканей и трикотажных изделий зимнего ассортимента. |
|
|
Синтепон— лёгкий, объёмный, нетканый материал, в котором волокна скрепляются иглопробивным, клеевым или термическим способом. Синтепон чаще всего изготавливают из вторичного сырья: переплавленных пластиковых отходов (бутылок, пакетов, одноразовой посуды и т. п.). Преимущества синтепона заключаются в лёгкости, хороших теплозащитных свойствах и малом весе, а также в относительной безвредности для человека. |
|
|
Лён - это ткань с гладкой поверхностью и матовым блеском. Имеет высокую прочность и способность впитывать влагу при сравнительно большой воздухо- и теплопроницаемости, а также стойкость против гниения. |
|
|
Хлопок - самая экологичная ткань. Она дышащая, гипоаллергенная, приятная на ощупь, комфортная к телу, довольно теплая, хорошо впитывает влагу, не электризуется [3]. |
|
|
Шёлк - отличается высокой гигроскопичностью (впитывает влагу, равную по количеству половине собственного веса и очень быстро сохнет), обладает средней теплостойкостью и хорошими гигиеническими свойствами [2]. |
|
|
Капрон - синтетическое волокно, получаемое из нефти. Капроновые волокна не впитывают влагу, поэтому не теряют прочности во влажном состоянии. Но у капронового волокна невелика теплостойкость [5]. |
17