XXIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование влияния температуры на скорость расширения жидкости с использованием цифровой лаборатории Архимед «Точка роста»

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Анциферов Р.Е. 1

---

1Муниципальное общеобразовательное учреждение " Школа №15 г.Черемхово"

Попова Е.С. 1

---

1Муниципальное общеобразовательное учреждение " Школа №15 г.Черемхово"

Работа в формате PDF

243.7 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность заключается в том, что исследование термического расширения жидкостей является важным аспектом в области физики и инженерии, поскольку этот процесс играет ключевую роль в различных природных и технологических явлениях.

Проблема заключается в необходимости глубокого понимания и точного предсказания изменений объема жидкостей под воздействием температуры. Это имеет прямое применение в таких областях, как химическая технология, материаловедение и теплоэнергетика, где даже незначительные изменения объема жидкости могут существенно повлиять на работу систем и процессов.

Цель работы – проанализировать влияние температуры на скорость расширения жидкостей с использованием цифровой лаборатории Архимед.

Предмет работы – характеристика и особенности процесса термического расширения жидкостей.

Объект работы – жидкости, используемые в эксперименте, проводимом с использованием цифровой лаборатории Архимед.

Для достижения поставленной цели перед исполнителем работы были определены следующие задачи:

1. Изучить теоретические основы термического расширения веществ.

2. Определить и проанализировать факторы, влияющие на скорость расширения жидкостей.

3. Описать цифровую лабораторию Архимед и используемое в ней оборудование.

4. Разработать порядок проведения эксперимента по измерению скорости расширения жидкостей при различных температурах.

5. Провести эксперимент и собрать данные.

6. Проанализировать полученные экспериментальные данные и установить зависимость скорости расширения жидкости от температуры.

Краткий обзор используемой литературы и источников показывает, что проблема термического расширения жидкостей исследовалась в многочисленных научных трудах. В литературе подробно рассмотрены как общие теоретические аспекты, так и прикладные вопросы, связанные с этим явлением. Среди ключевых источников можно выделить фундаментальные работы по термодинамике, исследования в области материаловедения и инженерные руководства по эксплуатации теплообменного оборудования.

Степень изученности данного вопроса достаточно высока, однако большинство работ сосредоточено на теоретических аспектах или конкретных применениях, что оставляет пространство для более детальных экспериментальных исследований с использованием современных цифровых технологий.

Личный вклад автора работы включает разработку методики эксперимента, настройку и калибровку оборудования цифровой лаборатории Архимед, проведение экспериментов и сбор данных, а также их последующий анализ. Автор также внёс значительный вклад в интерпретацию результатов и формулировку выводов, что способствует более глубокому пониманию процесса термического расширения жидкостей и его зависимостей от различных факторов.

1. Теоретические основы расширения жидкостей

1.1 Тепловое расширение веществ

Тепловое расширение веществ – это физическое явление, при котором вещества увеличивают свои размеры при нагревании. Это происходит из-за увеличения кинетической энергии частиц вещества, что приводит к увеличению среднего расстояния между ними.

Ниже рассмотрим основные теоретические аспекты, касаемые теплового расширения веществ:

1. Молекулярно-кинетическое объяснение – при повышении температуры молекулы и атомы вещества начинают двигаться быстрее и сильнее колебаться вокруг своих положений равновесия.

2. Виды теплового расширения:

• линейное расширение;

• объемное расширение.[2]

3. Практическое значение:

• в технике: учет расширения в конструкциях мостов, рельсов, трубопроводов;

• в измерительных приборах: принцип работы жидкостных термометров;

• в промышленности: биметаллические пластины в термостатах.

4. Формулы:

• для линейного расширения (1):

(1)

где:

ΔL – изменение длины,

L₀ – начальная длина,

ΔT – изменение температуры [3].

• для объемного расширения (2):

(2)

где:

ΔV – изменение объема,

V₀ – начальный объем.

Таким образом, понимание вышеизложенных аспектов теплового расширения, важно для многих областей науки и техники, от проектирования зданий до разработки высокоточных измерительных приборов [12].

1.2 Факторы, влияющие на скорость расширения жидкостей

Скорость расширения жидкости – это мера того, как быстро увеличивается объем жидкости при измерении температуры. Она зависит от коэффициента объемного расширения жидкости и ряда внешних факторов:

1. Температура [4].

2. Химический состав жидкости [1].

3. Давление.

4. Чистота жидкости:

5. Объем жидкости [10].

6. Скорость нагрева.

7. Форма и материал сосуда.

8. Начальная температура [6].

9. Фазовые переходы.

10. Внешние силы:

• гравитация может влиять на распределение расширяющейся жидкости;

• центробежные силы (при вращении) могут изменять характер расширения.

11. Электромагнитные поля [5].

2. Исследование влияния температуры на скорость расширения жидкости с использованием цифровой лаборатории «Архимед»

2.1 Описание цифровой лаборатории «Архимед»

Цифровая лаборатория «Архимед» в контексте исследования влияния температуры на скорость расширения жидкости представляет собой современный инструмент для проведения точных и наглядных экспериментов [9].

Программное обеспечение лаборатории Архимед:

• интуитивно понятный интерфейс для настройки эксперимента;

• функции построения графиков зависимости объема от температуры;

• инструменты для анализа полученных данных;

• возможность экспорта данных для дальнейшей обработки (рис 1) [7].

Рисунок 1 – Программное обеспечение на базе цифровой лаборатории «Архимед»

Образовательный аспект («Точка роста»):

• развитие навыков работы с современным лабораторным оборудованием;

• формирование умений анализировать и интерпретировать экспериментальные данные;

• возможность проведения исследовательских проектов на более высоком уровне;

• повышение интереса учащихся к естественным наукам через использование современных технологий [8].

2.2 Оборудование и материалы

Для проведения исследования влияния температуры на скорость расширения жидкости с использованием цифровой лаборатории Архимед, использовалось следующее оборудование и материалы:

• регистратор данных (data-logger, NOVA5000);

• датчик температуры (с диапазоном от 0°C до 100°C);

• датчик давления (при необходимости контроля давления);

• датчик объема или уровня жидкости;

• компьютер;

• электрическая плитка с регулятором мощности;

• водяная баня (для более равномерного нагрева);

• мерный цилиндр или колба с делениями (для точного измерения объема);

• термостойкий стеклянный сосуд для нагрева жидкости;

• мерные пипетки или шприцы (для точного добавления жидкости) [8].

Исследуемые жидкости:

• дистиллированная вода;

• спирт (этиловый);

• растительное масло.

Средства безопасности:

• защитные очки;

• лабораторные перчатки;

• огнетушитель (при работе с легковоспламеняющимися жидкостями).

Дополнительные материалы:

• штатив с лапками для крепления датчиков;

• термоизоляционный материал (для минимизации теплопотерь);

• магнитная мешалка (для равномерного распределения температуры в жидкости) [9].

Инструменты для калибровки:

• калибровочные растворы для датчиков;

• эталонный термометр.

Средства записи и документирования:

• лабораторный журнал на базе Архимед;

• фотоаппарат для документирования процесса.

Материалы для анализа и презентации результатов:

• программное обеспечение для обработки данных (Excel);

• материалы для создания презентации.

Дополнительно для проекта «Точка роста»:

• интерактивная доска или проектор для демонстрации результатов;

• набор для создания 3D-моделей или макетов (для наглядной презентации).

2.3 Порядок проведения эксперимента

Подробно проанализируем проведение эксперимента по исследованию влияния температуры на скорость расширения жидкости с использованием цифровой лаборатории Архимед:

1. Подготовка оборудования:

• собрать экспериментальную установку согласно схеме;

• проверить подключение всех датчиков к регистратору данных;

• включить компьютер и запустить программное обеспечение лаборатории Архимед.

2. Калибровка приборов.

3. Подготовка исследуемой жидкости:

• отмерить необходимое количество жидкости (100 мл);

• залить жидкость в термостойкий сосуд [11].

4. Настройка программного обеспечения.

5. Начало эксперимента:

• зафиксировать начальную температуру и объем жидкости;

• запустить запись данных в программе;

• включить нагревательный элемент на минимальную мощность.

6. Проведение измерений:

• постепенно повышать температуру с шагом 5-10°C;

• на каждом шаге выдерживать постоянную температуру в течение 1-2 минут для стабилизации;

• фиксировать изменения объема жидкости.

7. Завершение нагрева:

• прекратить нагрев при достижении максимальной запланированной температуры;

• продолжать запись данных во время остывания жидкости.

8. Окончание эксперимента:

• остановить запись данных;

• выключить нагревательный элемент и все приборы;

• построить график зависимости объема жидкости от температуры;

• рассчитать коэффициент объемного расширения жидкости;

• проанализировать линейность расширения в различных температурных диапазонах.

3. Результаты исследования

3.1 Полученные экспериментальные данные

В приложении 1 представили полученные экспериментальные результаты исследования влияния температуры на скорость расширения жидкости с использованием цифровой лаборатории Архимед, из которых можем сделать следующие выводы о различных видах веществ:

1. Дистиллированная вода:

• показывает наименьшее расширение среди трех жидкостей;

• расширение становится более заметным при высоких температурах;

• общее увеличение объема от 20°C до 80°C: 3,18 мл (3,18%).

2. Этиловый спирт:

• демонстрирует наибольшее расширение из трех жидкостей;

• расширение практически линейное во всем диапазоне температур;

• общее увеличение объема от 20°C до 80°C: 8,58 мл (8,58%).

3. Растительное масло:

• показывает среднее расширение между водой и спиртом;

• расширение становится более выраженным при высоких температурах;

• общее увеличение объема от 20°C до 80°C: 5,40 мл (5,40%).

Таким образом, данные показывают, что разные жидкости расширяются с разной скоростью при нагревании. Спирт расширяется наиболее заметно, что объясняется его молекулярной структурой и слабыми межмолекулярными связями. Вода, напротив, расширяется меньше всего из-за сильных водородных связей между молекулами. Растительное масло показывает промежуточное поведение.

3.2 Анализ зависимости скорости расширения жидкости от температуры

Результаты эксперимента, проведенного с использованием цифровой лаборатории Архимед, позволили построить детальные графики зависимости коэффициента объемного расширения (β) от температуры для трех различных жидкостей: дистиллированной воды, этилового спирта и растительного масла при изменении температуры на 1°C. Рассчитывали этот коэффициент для каждого интервала температур в 10°C [5].

Из формул (1) и (2), вывели формулу для настоящего расчета (3):

(3)

где:

V – начальный объем,

ΔV – изменение объема,

ΔT – изменение температуры.

Расчеты представлены в Приложении 2 [3].

Таким образом, графически представленные результаты эксперимента позволили наглядно оценить различия в поведении исследуемых жидкостей (Приложение 3). Кривые зависимости β от температуры не только качественно отражают интенсивность расширения, но и качественно характеризуют особенности молекулярного строения каждой жидкости [1,3,10].

В перспективе планируется расширить диапазон исследуемых температур и включить в анализ дополнительные типы жидкостей для создания более полной картины зависимости скорости расширения от молекулярной структуры веществ на базе лаборатории Архимед.

Заключение

Можно сделать следующие выводы о том, что в ходе проведенного исследования были всесторонне изучены теоретические основы и экспериментально проанализированы особенности теплового расширения жидкостей и использованием современного оборудования цифровой лаборатории Архимед.

Теоретический анализ позволил выявить фундаментальные закономерности теплового расширения веществ и определить ключевые факторы, влияющие скорость расширения жидкостей. Особое внимание уделено молекулярно-кинетическим аспектам данного явления, что обеспечило глубокое понимание природы наблюдаемых процессов.

Применение цифровой лаборатории Архимед существенно повысило точность и информативность экспериментальных исследований. Детальное описание оборудования и материалов, а также тщательно разработанный порядок проведения эксперимента обеспечили высокую степень достоверности полученных результатов и их воспроизводимость.

Графическое представление результатов наглядно продемонстрировало различия в поведении исследуемых жидкостей при нагревании, что имеет важное значение для понимания их термодинамических свойств. Проведенное исследование не только расширило знания о тепловом расширении жидкостей, но и показало эффективность использования современного лабораторного оборудования в образовательном процессе. Опыт, полученный в рамках проекта «Точка роста», способствует развитию у учащихся навыков проведения научных исследований и аналитического мышления.

Следовательно, проведенное исследование вносит значительный вклад в понимание физических процессов, связанных с тепловым расширением жидкостей, и открывает новые возможности для дальнейших научных изысканий в этой области.

Списка использованных источников и литературы

1. Антибас И. Р., Дьяченко А. Г., Имад Саед Бакир Влияние температуры жидкости на скорость распространения гидравлической ударной волны в полиэтиленовых трубах // Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don). 2021. №4. [Электронный ресурс]. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-temperatury-zhidkosti-na-skorost-rasprostraneniya-gidravlicheskoy-udarnoy-volny-v-polietilenovyh-trubah (дата обращения: 17.07.2024).

2. Влияние температуры на динамику течения жидкости в технических системах с жиклерами [Электронный ресурс]. – URL: http://proc.uimech.org/2016/pdf/uim2016.1.001.pdf (дата обращения: 10.07.2024)

3. Влияние температуры на расширение жидкой фазы [Электронный ресурс]. – URL: https://www.chem21.info/info/1262666/ (дата обращения: 15.07.2024)

4. Использование оборудования Центра «Точка роста» на учебных занятиях по предметам естественнонаучной направленности [Электронный ресурс]. – URL: https://tochkarosta.68edu.ru/wp-content/uploads/2022/12/5_Использование_оборудования_Центра__Точка_роста__на.pdf (дата обращения: 01.07.2024)

5. Исследование влияния температуры и скорости течения на вязкость нефтяных эмульсий / И. Ш. Мингулов, М. Д. Валеев, В. В. Мухаметшин [и др.] // Известия Томского политехнического университета [Известия ТПУ]. Инжиниринг георесурсов. – 2021. – Т. 332, № 10. – С. 69-76

6. Ровенских, А. С. Исследование влияния температуры на вязкостные характеристики смазочных материалов / А. С. Ровенских, Е. Г. Шубенкова, В. А. Игуминова, А. Е. Карючина. – Текст: непосредственный // Молодой ученый. – 2019. – № 49 (287). – С. 202-206.

7. Теплофизика высоких температур, 2022. – T. 60. – № 2. – С. 280-318

8. Цифровая лаборатория Архимед - Регистратор данных NOVA5000 [Электронный ресурс]. – URL: https://sh-tugutujskaya-r138.gosweb.gosuslugi.ru/netcat_files/18/2985/Oborudovanie_Arhimed_Tochka_rosta.pdf (дата обращения: 05.07.2024)

9. Цифровая лаборатория Архимед. Физика – Oftsist [Электронный ресурс]. – URL: https://oftsist.pro/product/cifrovaja-laboratorija-arhimed-fizika/ (дата обращения: 07.07.2024)

10. Buekens, A. Recycling of WEEE plastics: a review / Alfons Buekens, Jie Yang // Journal of material Cycle and Waste Management. – 2024. – Vol. 16. – P. 415-434.

11. Sharifulin V.A., Lyubimova T.P. Supercritical Convection of Water in an Elongated Cavity at a Given Vertical Heat Flux // Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics. – 2021. – Vol. 14. – P. 186-194.

12. Zhang L. et al. Rayleigh-Bénard convection of a gas-vapor mixture with abnormal dependence of thermal expansion coefficient on temperature // International Communications in Heat and Mass Transfer. – 2021. – Vol. 124. – P. 125

Приложения

Приложение 1

Полученные экспериментальные результаты исследования влияния температуры на скорость расширения жидкости с использованием цифровой лаборатории Архимед

Приложение 2

Расчеты для анализа скорости расширения жидкостей

Приложение 3

Сравнение зависимостей скорости расширения жидкости от температуры