XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование понижения температуры воды в различных термосах

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Лунина М.А. 1

---

1МБОУ г. Иркутска СОШ № 19, 3Б класс

Бурцева Э.В. 1

---

1МБОУ г. Иркутска СОШ № 19

Работа в формате PDF

1.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В последнее время в нашей стране стал развиваться такой вид отдыха, как туризм. Он набирает всё больше и больше популярности, а для длительных походов нужно иметь ряд полезных вещей, одна из которых – термос. Но как разобраться, какой термос лучше сохраняет тепло? Ведь это особенно важно в нашем Сибирском регионе. И я решила провести своё исследование.

Предыдущие исследования показали, что термосы со стеклянной колбой лучше всех держат тепло и не вступают во взаимодействие с другими веществами [2]. После использования прибора для хранения разных продуктов, они не перенимают друг от друга запахи. Но все же стеклянные колбы могут легко разбиться в отличие от металлических, поэтому они не подойдут для суровых походов, где возможно жесткое механическое воздействие на изделие или перепады температур. В связи с этим для настоящего исследования были выбраны термосы с металлической колбой.

Металлические термосы также хорошо сохраняют температуру, но они не такие хрупкие. Металл не впитывает посторонние запахи и не вступает в реакцию с другими веществами, если он качественный. Однако теплосберегающие свойства сильно зависят от качества вакуумной изоляции внутренней колбы, объема и формы горловины [2].  Если она узкая, то тепло сохраняется дольше при прочих равных условиях.

Существуют различные рейтинги лучших фирм-производителей термосов, но в настоящей работе я провожу независимое исследование, а выбранные термосы обозначены «Образец № 1» и т.д.

Цель работы – изучить особенности понижения температуры в различных термосах и разработать рекомендации по их выбору для применения во время зимних прогулок и длительных походов.

Задачи:

1. Узнать, как работает термос.

2. Подобрать термосы для сравнения.

3. Провести эксперимент с наблюдением падения температуры воды в термосах по часам.

4. Выяснить, зависит ли длительность сохранения температуры от объёма термоса.

5. Построить графики зависимости температуры от времени и выявить, какой термос сохраняет тепло дольше всего.

Методы исследования. Эксперимент как метод познания, при помощи которого в контролируемых и управляемых условиях исследуется явление сохранения тепла в термосах.

Личный вклад. Автор провела эксперимент, измеряя температуру и записывая ее в таблицу, работала с литературой, строила графики и проводила анализ полученных результатов.

Практическое значение. Полученные результаты будут полезны всем заинтересованным путешественникам при выборе и использовании термосов для походов в прохладное время года.

Основная часть

Глава 1. Устройство термоса

Термос – это вид бытовой теплоизоляционной посуды для продолжительного сохранения более высокой или низкой температуры напитков ли пищевых продуктов по сравнению с температурой окружающей среды (рис. 1).

Устройство термоса имеет сложную в плане изготовления конструкцию. В его основе лежит колба с двойными стенками, между которыми находится вакуум (рис. 2). Внутренняя часть колбы окрашена серебристой краской и имеет зеркальный эффект [2]. Сверху она окружена защитным корпусом, а между ними заложен слой утеплителя. На колбу накручивается плотная крышка. В некоторых моделях используется дополнительная крышка на внешнем корпусе.

Считается, что из-за того, что колба состоит из двух стенок, а между ними находится вакуум, передача температуры между стенками не происходит. Единственным слабым местом термоса, сквозь которое проходят теплопотери, является крышка. Чем больше ее площадь, тем скорее произойдет уравнивание температуры продуктов внутри термоса с наружной средой.

Глава 2. Экспериментальная работа

2.1. Выбор термосов и инструмент для измерения температуры

Для исследования понижения температуры в термосах было взято 7 доступных термосов (рис. 3), из которых 6 имели объем 0,5 литра. Два термоса одной фирмы имели объем 0,5 и 0,75 литра. Такой выбор был обусловлен следующими факторами. При сравнении разных термосов необходимо было иметь одинаковые объемы емкостей и при этом затратить наименьшее количество воды. Два термоса разных объемов, но одного производителя использованы, чтобы выяснить, как объем заполненной емкости влияет на потерю температуры.

Рис. 3. Термосы, имеющиеся в наличии для эксперимента, и их номера

Для каждого термоса были напечатаны и вырезаны номера образцов и далее наклеены скотчем на внешнюю колбу.

В качестве измерительного прибора использовался электронный кулинарный термометр ТР-101 с щупом с температурным диапозоном датчика от -50 до +300С (рис. 4). Термощуп точно контролирует температуру жидкостей до долей градуса.

Рис. 4. Электронный кулинарный термометр ТР-101

2.2. Ход эксперимента

После подготовки всех термосов, в них залили кипяток, и я сразу измерила температуру (рис. 5). После я тщательно закрыла крышки и выставила термосы на балкон (рис. 6). Температура воздуха на балконе была -2,9С. Спустя час термосы занесли домой, и я в каждом измерила температуру воды. Всего было сделано пять таких процедур. Температура воды в сосудах была измерена: в 9:05, 10:05, 11:07, 12:30, 13:40, 14:50. Каждый раз также измерялась температура воздуха на балконе. Записи фиксировались в разработанной заранее таблице (рис. 7). Результаты всех измерений приведены ниже (табл. 1).

В целом эксперимент длился почти 6 часов. Каждый раз мне было интересно узнать, как понизилась температура в каждом термосе. Интересен факт, что при первом измерении после 1 часа, температура в термосе № 2, названном «умным» из-за того, что он на крышке показывал температуру, упала даже больше, чем на термосе № 1 с широкой крышкой (рис. 8, слева). Температура в нем понизилась с 87,9С до 50С (табл. 1). На первый взгляд это может означать, что стенки «умного» термоса изготовлены менее качественно, так как больше всего тепла уходит через крышку, и чем она шире, тем больше утекает тепла. А здесь наблюдалась обратная картина.

Таблица 1. Результаты измерений эксперимента

Глава 3. Анализ результатов эксперимента

По результатам эксперимента согласно таблице 1 мною были построены графики изменения температуры воды в зависимости от прошедшего времени. Сначала я сравнила термосы объемом 0,5 литра. Рисунок 9 наглядно показывает, что графики двух таких образцов № 1 и № 2 расположены значительно ниже по оси ординат, чем графики для остальных сосудов. Среди других первое место занял образец № 5. Второе место принадлежит образцу № 6, третье место занял образец № 4, четвертое – образец № 3.

Рис. 9. Изменение температуры воды в термосах с течением времени

Два термоса у меня были разного объема – 0,5 и 0,75 литра, но одной фирмы. Эксперимент показал, что термос большего объема остывает медленнее. Это происходит потому, что образец № 7 с водой объемом 0,75 литров тяжелее, а чем больше масса тела, тем дольше оно сохраняет тепло.

Я решила разобраться, почему же «умный» термос № 2 остыл быстрее, чем тот у которого крышка шире (образец № 1). Все ли дело в качестве изготовления? Я выяснила, что сосуд с водой черного цвета, например чайник, остывает быстрее, чем белый. Это происходит от того, что от черного сосуда тепловое излучение идет интенсивнее [1]. Среди наших образцов единственный черный термос. Значит, самая быстрая потеря температуры в термосе № 2 может быть связана с черным цветом его внешних стенок, а не с качеством самого материала.

Кроме того, я построила график изменения температуры воздуха на балконе (рис. 10). Сначала температура была ниже нуля и поднималась медленно до 11 часов 07 минут, затем быстро до 12 часов 30 минут, после снова медленно. В 15 часов 50 минут разница температур воздуха и воды в термосах стала наименьшей.

Рис. 10. Изменение температуры воздуха на балконе с течением времени

Сравнивая графики на рисунках 9 и 10, мы видим, что сначала, когда в окружающей среде температура воздуха была ниже, а в термосах выше, вода в них остывала быстрее. Это видно по наклону графиков температуры воды (рис. 9). Затем скорость остывания жидкости замедлилась. Это связано с тем, что сильно нагретое тело отдает тепло более интенсивно. По мере остывания и выравнивания температур окружающей среды и воды, скорость теплообмена снижается. Объяснение этому физический закон, который свидетельствует, что при высокой температуре молекулы двигаются быстрее и, следовательно, быстрее отдают энергию. С понижением температуры движение замедляется, и энергия отдается медленнее.

Заключение

В результате проведения исследовательской работы мною были получены следующие выводы:

1. Из всех термосов объемом 0,5 литра, принимавших участие в эксперименте, наилучшим по сохранению тепла оказался образец № 5.

2. Термосы большего объема дольше держат тепло, что объясняется физическим законом – чем больше масса тела, тем дольше оно сохраняет тепло.

3. Термоса черного цвета остывают быстрее, чем светлые при прочих равных условиях.

4. Чем больше разница температур жидкости в сосуде и окружающей среде, тем быстрее эта жидкость остывает.

5. Чем больше диаметр крышки термоса, тем быстрее он остывает, но если термос с узким горлышком черный, то вода в нем может остыть даже быстрее, чем в более светлом термосе с широкой крышкой.

Проведенное исследование позволяет дать рекомендации по выбору и использованию термосов при зимних прогулках и походах:

- не покупайте термосы черного цвета;

- если компания более 3 человек, лучше взять 1 термос большей вместимости на всех, чем каждому человеку меньшего объема;

- старайтесь размещать термос в глубине рюкзака, сумки, чтобы он не остывал быстро.

Список использованных источников и литературы

1. Солодухин А.А. Исследование отражательной способности поверхностей с помощью датчика света. URL: https://school-science.ru/7/23/39304 (последний доступ: 09.05.2024 г.).

2. Технические приборы. URL: https://tehpribory.ru/glavnaia/bytovaia-tekhnika/termos.html (последний доступ: 09.05.2024 г.).