XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Аннотация

Актуальность работы: Мы зимой очень часто ездим в бор на природу, каждый раз мама берет с собой термос с чаем. Наливая чай из термоса в чашку, я подумала, почему он остывает быстро, а в термосе может очень долгое время быть горячим без подогрева, что позволяет брать его в дорогу. Появилось желание иметь у себя самодельный термос.

Изучив литературу создания термоса, теплоизоляционные материалы, мы решили создать три термоса из подручных материалов и провести опыты.

Цель исследования: исследовать устройство термоса и создать модель термосов из подручных материалов. Сравнить какой термос держит тепло и холод лучше: термос из пенопласта №1 ,термос из минеральной ваты №2 и термос из фольгированного пенофола №3.

Данная работа носит исследовательский характер. В своей работе мы изучили историю и строение термоса, создали термосы из подручных материалов и провели 2 опыта. Исследование доказало, что изготовить термос из подручных материалов вполне реально.

В результате проведённого эксперимента, мы не только изготовили термосы, но и доказали, что благодаря подобным самодельным устройствам можно сохранять температуру веществ, помещённых в самодельный термос.

В результате эксперимента было выявлено, что усовершенствованный самодельный термос из фольгированного пенофола под №3 лучше держит тепло.

Работа проводилась в 2 этапа:

Первый этап – теоретический, был посвящен определению методологической основы и теоретической базы, ее обоснованию, изучению и анализу литературы по исследуемой проблеме. В этот период были сформулированы проблема, цель, гипотеза исследования, разрабатывались задачи исследования.

Второй этап - практический, был направлен на создание термосов из подручных материалов, проведение опыта.

Ключевые слова: сосуд, термос, минеральная вата, пенопласт, теплоизоляция, полимер, изоляционный материал, фольгированный пенофол.

План исследования.

Объект исследования - термос.

Предмет исследования- свойства материалов для корпуса термоса.

Цель исследования: исследовать устройство термоса и создать модель термосов из подручных материалов. Сравнить, какой термос держит тепло и холод лучше: термос из пенопласта №1,термос из минеральной ваты №2 и термос из фольгированного пенофола (тип А) №3.

Поставленная цель предполагает необходимость решения следующих задач:

1. Изучить историю создания термоса.

2. Изучить строение термоса.

3. Изучить информацию, от чего зависит способность термоса сохранять температуру.

4. Создать термосы из подручных материалов.

5. Провести опыт.

Методы исследования:

Теоретические: изучение литературы по заявленной теме исследования,

классификация собранных материалов, обобщение материалов.

Эмпирические: наблюдения за протеканием физических явлений при изготовлении термосов в домашних условиях.

Математические: определение температурных значений жидкости в испытуемых моделей.

Гипотеза: сравнивая теплопроводность фольгированного пенофола (тип А) 0,04 Вт/(м*К), пенопласта 0,05 Вт/(м*К), минеральной ваты 0,07 Вт/(м*К) предположим, что термос из пенофола сохраняет дольше тепло и холод чем термосы из пенопласта и минеральной ваты.

Введение

В исследовательской работе по физике о свойствах термоса подробно изучается теоретический материал, раскрывающий понятие термос, принципы работы термоса, его физические свойства, проводится обобщение наблюдений, объясняющее условия остывания жидкости в термосе. Также автор определяет, какие материалы необходимы для создания термоса в домашних условиях, и осуществляет работу по созданию термоса из подручных средств.

Глава 1. Теоретическая часть.

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

История изобретения термоса.

История изобретения термоса — это довольно интересная тема для обсуждения. Сегодня термос – абсолютно обычный предмет, которым пользуются в повседневной жизни миллионы людей по всей планете. Он сохраняет температуру горячих напитков зимой, холодных – летом, удобен в использовании и позволяет наслаждаться вкусом и полезными свойствами жидкости в любое время года.

Все началось, еще в 19 веке Шотландский химик и физик Джеймс Дьюар в 1892 году стал изобретателем колбы с узкой горловиной и двойными стенками. Таким образом, он усовершенствовал контейнер для сжиженных газов, изобретение другого великого физика – Адольфа Фердинанда Вейнхольда.

Благодаря своей конструкции приспособление помогало получать и сохранять твердый и жидкий водород. Ноу-хау шотландца вдохновило его ученика Рейнгольда Бургера на создание прообраза современного термоса: тот решил, что колбу можно с пользой применять и в бытовой жизни, а не только в лабораторных экспериментах.

Но кто изобрел термос? Рейнгольд Бургер занимался стеклом. Точнее – изделиями из стекла. Ученик решил усовершенствовать изобретение учителя и добавил к колбе для водорода несколько изящных и немаловажных для использования в быту штрихов – металлический корпус, пробку и крышку, которую можно использовать как стакан. Между стенками Бургер выкачал воздух, а саму колбу покрыл слоем серебра, что сильно уменьшило теплопроводность со внешней средой.30 сентября 1907 года, в день, когда Рейнгольд подал заявку на немецкий патент, первый в мире термос увидел свет!

Строение термоса.

Сосуд Дьюара – сосуд, предназначенный для длительного хранения веществ, при повышенной или пониженной температуре. Перед помещением в сосуд Дьюара вещество необходимо нагреть или охладить. Постоянная температура поддерживается за счет хорошей теплоизоляции. Термос снаружи может быть сделан из разного материала. Может быть пластмассовым, а может и металлическим. Но внутри него обязательно должна быть блестящая, зеркальная колба, которая состоит из двойных стенок. Между этими стенками нет даже воздуха. Его откачали и создали внутри двойной колбы вакуум, который лучше всего сохраняет все тепло горячего чая. Ведь пустота, или по-научному вакуум самый плохой проводник тепла. Но и это еще не все. Внутренние стенки колбы обязательно должны быть зеркальными. Почему? Потому что зеркало отражает все на свете, в том числи и тепловую энергию. Тепловая энергия или попросту тепло, находится в стеклянной колбе, словно в ловушке и очень долго не может покинуть термос. Вот такое вот сложное устройство имеет, такой, с первого взгляда, простой прибор, как термос.

Теплоизоляция

Теплоизоляция (тепловая изоляция)- элементы конструкции, уменьшающие процесс теплопередачи и выполняющие роль значимого термического сопротивления.

Теплоизоляция используется для уменьшения теплопередачи везде, где необходимо поддерживать данную температуру, например:

В строительстве теплоизоляция применяется для внутреннего и внешнего изолирования стен зданий, полов и так далее.

В производстве одежды и обуви. Благодаря теплоизоляции человек может в движении находиться на свежем воздухе в холодную погоду.

Трубопроводы теплотрасс обматывают теплоизоляцией для уменьшения охлаждения или нагрева.

Основные виды теплоизоляции.

Органические – получаемые с использованием органических веществ. Это, различные полимеры (пенополистирол, вспененный полиэтилен и так далее). Главное свойство органических теплоизоляционных материалов – это их способность образовывать воздушные прослойки, которые замедляют передачу тепла.

Типами органической теплоизоляции относятся : пенопласт, фольгированный пенофол.

Пенопласт - это современный строительный материал, который применяется для теплоизоляции зданий и сооружений.

Пенопласт представляет собой плиты различной толщины, состоящие из вспененного материала-полимера. Теплопроводность пенопласта обеспечивается воздухом, из которого он состоит на 95-98 %, т.е. газа, который не пропускает тепло.

Фольгированный пенофол – это современный практичный утеплитель, связывающий свойства тепло-, звуко-, паро- и гидроизоляции. Изобретенный в США для утепления скафандров космонавтов, сегодня он широко применяется, когда требуется утепление зданий, коммуникаций, систем отопления и кондиционирования воздуха.

Пенофол состоит из двух или трех составляющих. Основной слой – вспененный полиэтилен, в структуру которого входят закрытые поры, на 90 процентов наполненные воздухом – лучшим теплоизолятором в природе. В зависимости от того, каков тип утеплителя, размер полиэтиленовой прослойки изменяется от 3 до 10 мм.

Поверх полиэтилена располагается фольга из алюминия с содержанием не более 0,6 % примесей в 10-35 мкм – с одной или с обеих сторон. Ее задача – отражать тепловые волны. Фольгированная прослойка прикрепляется к полиэтиленовой при помощи тепловой сварки.

Пенофол фольгированный бывает нескольких типов.

Тип А – с покрытием алюминием только с одной стороны. Применяется в комбинации с другими теплоизоляторами – минеральной ватой, стекловатой.

В – с двусторонним покрытием металлом, что дает максимальный эффект. Может использоваться самостоятельно, когда ведется утепление зданий – несущих конструкций кровли и чердаков, при выполнении гидроизоляции подвалов, полов, стеновых конструкций. Эффективно изолирует помещение от летней жары.

С (самоклеящийся) – с покрытием из металла с одной стороны и липким слоем контактного клея – с другой. Не требует использования дополнительного клея при монтаже. Может укладываться практически на любые разновидности оснований. Отличается синим цветом основы.

Неорганические теплоизоляционные материалы и изделия изготовляют на основе минерального сырья ( горных пород, шлака, стекла, асбеста) минеральная вата и изделия из неё ( минераловатные плиты), монолитный пенобетон, пеностекло и др.

Смешанные — используемые в качестве монтажных, изготовляют на основе асбеста (асбестовый картон, асбестовая бумага, асбестовый войлок), смесей асбеста и минеральных вяжущих веществ и на основе вспученных горных пород

(вермикулита, перлита).

Глава 2.

Практическая часть

Создание термосов из подручных материалов.

Для изготовления термосов из подручных материалов использовали средства, которые есть в каждом доме. Для опыта сделали три термоса. Для изготовления модели термоса №1, использовали органический тип теплоизоляционного материала – пенопласт. Для модели термоса №2 использовали неорганический тип теплоизоляционного материала – минеральную вату. Для модели термоса №3 органический тип теплоизоляционного материала – фольгированный пенофол ( тип А). Провели эксперимент с горячей водой и снегом.

Для модели термоса №1 потребовались следующие материалы и инструменты:

стекленная банка

пластиковая бутылка

фольга

утеплитель, (пенопласт с теплопроводностью 0,05 Вт/(м*К)

клеевой пистолет

скотч

канцелярский нож.

В ходе работы нам нужно было изготовить колбу и корпус термоса.

Взяли стеклянную банку. Обернули ее фольгой, для отражения тепла, зафиксировали всё скотчем. Нарезали пенопласт на ровные заготовки, сделали в них отверстия по диаметру банки, за исключением нижней. На нижнюю заготовку поставили банку и стопкой собрали остальные заготовки с отверстиями на банку. Проклеили их между собой (суперклей не подойдет, т.к. разъедает пенопласт). Придали форму термосу и обрезали лишний пенопласт. Обернули фольгой и закрепили скотчем. Крышку сделали таким же образом. Вырезали отверстие на пенопласте для крышки и склеили. Обернули фольгой и закрепили скотчем. Термос готов к опыту. (Приложение№1.)

Для модели термоса №2 потребовались следующие материалы и инструменты:

1.стеклянная банка

2.минеральная вата с теплопроводностью 0,07 Вт/(м*К)

3.фольга

4.клей (герметик)

5.канцелярский нож

6.линейка

7.карандаш

8.циркуль

9.скотч

В ходе работы нам нужно было изготовить колбу и корпус термоса.

Взяли стеклянную банку. Обернули ее фольгой, для отражения тепла, зафиксировали всё скотчем. Далее обернули утеплителем для сохранения температуры. Снова обернули фольгой, зафиксировали скотчем.

Взяли пластиковую бутылку, разрезали пополам и вставили стеклянную обёрнутую банку в бутылку. Закрепили горячим клеем. Термос готов. Далее сделали крышку для термоса. Горлышко пластиковой бутылки обернули фольгой, утеплителем и снова фольгой. Зафиксировали всё скотчем. Наш термос готов к опыту. (Приложение№2)

Для модели термоса №3 потребовались следующие материалы и инструменты:

1. стеклянная банка

2. фольгированный пенофол (тип А) теплопроводностью 0,04Вт/(м*К)

3. фольга

4. клей (герметик)

5. канцелярский нож

6. линейка

7. карандаш

8. циркуль

9. скотч

В ходе работы нам нужно было изготовить колбу и корпус термоса.

Взяли стеклянную банку. Обернули ее фольгой, для отражения тепла, зафиксировали всё скотчем. Далее обернули фольгированным пенофолом (тип А) для сохранения температуры. Зафиксировали скотчем.

Взяли пластиковую бутылку, разрезали пополам и вставили стеклянную обёрнутую банку в бутылку. Закрепили горячим клеем.

Термос готов. Далее сделали крышку для термоса. Зафиксировали всё скотчем. Наш термос готов к опыту. (Приложение№3)

Проведение опытов

Опыт №1.

Для проведения опыта взяли горячую (90°C) воду и залили одинаковое количество в термосы. Предварительно измерив температуру воды. Каждый час измеряли температуру воды с помощью электронного прибора. Термосы находились на столе при комнатной температуре +23°C. В первый час эксперимента вода в термосах была +90°С. В течении 9 часов вода во втором термосе остыла до комнатной температуры, в первом термосе через 10 часов, в термосе №3 через 11 часов ( Диаграмма №1). Эти данные позволили сделать вывод о том, что термос № 3 действительно некоторое время сохраняет температуру вещества, помещенного в него.

Вывод:

Из проведённого эксперимента можно сделать следующий вывод: усовершенствованная модель термоса из фольгированного пенофола (тип А) сохраняет дольше тепло, чем термос из пенопласта и минеральной ваты.

Опыт №2

Для того, чтобы доказать, что термосы могут сохранять и охлажденные вещества, провели второй опыт.

Взяли термосы. Положили снег и оставили на столе при комнатной температуре. Через 2 часа в термосах снег еще сохранился.

Через 3 часа в термосе №2 появились капли воды, а в термосах №1 №3 сохранился.

Через 4 часа в термосах №1, №3 снег (капли воды), в термосе №2 снег (мало воды). Через 5 часов в термосах №1, №3 снег (капли воды), в термосе № 2 снег (больше воды).

Через 6 часов в термосах №1, №3 больше снега (меньше воды), в термосе №2 мало снега (больше воды).

Через 7 часов в термосе №1 снег с водой, в термосе №2 вода, в термосе №3 больше снега (есть вода).

Через 8 часов в термосах №1,№2 вода, а в термосе №3 снег с водой.

Через 9 часов в термосе №3 вода. ( Приложение №3).

Вывод

Из проведённого эксперимента можно сделать следующий вывод: усовершенствованный термос из фольгированного пенофола ( тип А) сохраняет дольше холод, чем термос из пенопласта и минеральной ваты.

В результате проведённого эксперимента, мы не только изготовили термосы, но и доказали, что ,усовершенствованный термос изготовленный из фольгированного пенофола с теплопроводностью 0,04 Вт/(м*К), сохраняет температуру веществ дольше, чем термос, изготовленный из пенопласта с теплопроводностью 0,05 Вт/(м*К) и термос из минеральной ваты с теплопроводностью 0,07 Вт/(м*К).

Наша экспериментальная работа по изготовлению моделей термосов и исследования температурных значений воды и снега доказала, что усовершенствовать термос из подручных материалов вполне реально.

У самодельных термосов есть свои преимущества:

Это использование подручных материалов.

Это низкая себестоимость такого изделия по сравнению с купленным термосом.

Это небольшой вес изделия.

Это технологическая простота в изготовлении.

Это достаточная прочность изделия.

Но есть и недостатки:

Внешний вид изделия не совсем привлекателен.

В результате исследования, мы выяснили, что термос из фольгированного пенофола ( тип А) дольше сохраняет тепло и холод чем термос из пенопласта и минеральной ваты.

Заключение

Мир физических явлений чрезвычайно разнообразен. Исследовательская работа заинтересовала меня. В ходе своей работы изучили историю появления термоса, теплоизоляционные свойства и выяснили, как устроено изделие. Это позволило сконструировать модели термоса из подручных материалов.

В результате проведённого эксперимента, мы не только изготовили термосы, но и доказали, что благодаря подобным самодельным устройствам можно сохранять температуру веществ, помещённых в самодельный термос.

В ходе эксперимента выяснили, что усовершенствованный термос №3

из фольгированного пенофола (типА) с теплопроводностью 0,04 Вт/(м*К),сохраняет дольше температуру как горячих, так и холодных веществ, чем термос из пенопласта с теплопроводностью 0,05 Вт/(м*К) и термос из минеральной ваты с теплопроводностью 0,07 Вт/(м*К) .

Из подручных материалов изготовление термоса возможно, выполнимо, бюджетно, не затратно и практично. Создание усовершенствованного самодельного термоса можно считать удачным.

Список литературы.

1. «Большая книга вопросов и ответов»/Пер. с итальянского О.А.Литвиновой,Е.В.Широниной. М.: ЗАО «РОСМЕН-ПРЕСС», 2007. – 232с.

2. «Безумная наука. Опыты, игры, изобретения» / Пер. с английского Н.Л. Конча. - М.: ООО «РОСМЭН», 2019. – 127с.

3. «Занимательные опыты и эксперименты /[Ф. Ола и др.]. – М.: Айрис- пресс, 2006. – 128с.

4. Перышкин А. В. «Физика 8 класс». М: «Дрофа», 2018

5. «Я познаю мир»: Дет. энциклопедия: Физика/Сост. Художник А.А.Леонович; Под общ. ред. О.Г. Хинн – М: ТКО «АСТ»,1995. – 480с.

6. http://vibormoi.ru/dom/1428-termos-kak-vibrat-vidi.html

7. https://sbxshop.ru/podrobnaya-istoriya-izobreteniya-termosa

8. https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/20339

9. https://ru.wikipedia.org/wiki/

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

Приложение №1

Приложение №2 Приложение №3

Диаграмма №1

Приложение №4

Охлаждённые вещества