XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование влияния формы, размера и цвета сосуда на скорость остывания воды

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Милованова М.Ф. 1

---

1МБОУ "СОШ №11" ИМОСК

Газимагомедова К.А. 1

---

1МБОУ "СОШ №11" ИМОСК

Работа в формате PDF

857.7 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Мы замечаем, что иногда нальешь себе чай, сядешь перед телевизором или компьютером, отвлечешься на минуту, а чай уже остыл. На дополнительных уроках физики в центре «Точки роста» мы проходили различные способы теплопередачи, и мне стало интересно, будут ли зависеть эти потери от различных факторов, и можно ли подобрать идеальную кружку для чая?

Актуальность проекта: бывает увлёкся работой или уроками и забыл на столе чашку чая. Потом замечаешь, что чай-то остыл. Так происходило и у нашего учителя. На перемене одни дети еще не ушли с урока и задают вопросы, другие уже пришли и готовятся к уроку. К концу урока дети знали о физике больше, но чай в чашке учителя безнадёжно остыл. Что можно было сделать, чтобы сохранить тепло чашки как можно дольше? Почему наш учитель накрывает кружку? Что можно было сделать, чтобы сохранить тепло чашки как можно дольше?

Всем вам известно, что если на долгое время жидкость, например, воду, оставить в открытом сосуде, то со временем её количество уменьшится. Почему так происходит?

Теория теплообмена – наука о законах переноса теплоты в пространстве и времени. Процессы переноса теплоты встречаются повсюду: в теплоэнергетике, на любом производстве, в быту. Можно выделить два направления применения процессов переноса теплоты. Первая область применения переноса теплоты связана с превращением теплоты в работу в тепловых двигателях. Этим занимается техническая термодинамика – наука о взаимопревращениях одной формы энергии в другую. Однако, определяя условия перехода теплоты в работу, техническая термодинамика использует идеализированные представления, которые позволяют исключить из рассмотрения факторы времени и пространства. Вторая область применения переноса теплоты связана с направленным изменением физических свойств веществ. Тепловые процессы являются наиболее медленными процессами по сравнению с процессами, например, выравнивания давления и оказывают решающее воздействие на работу теплообменного аппарата (1).

Цель: исследовать зависимость скорости остывания воды от различных факторов.

Задачи:

1. изучить литературу по теме исследования;

2. выяснить возможные способы потери тепла в жидкости;

3. исследовать зависимость скорости остывания воды от размера сосуда;

4. исследовать зависимость скорости остывания воды от формы сосуда;

5. исследовать зависимость скорости остывания воды от цвета сосуда;

6. сделать вывод о том, в каком из сосудов вода будет дольше сохранять тепло.

7. разработать и написать раздаточный материал для учащихся 8 классов

Гипотеза: Я предполагаю, что время остывания горячих напитков зависит от формы, размера и цвета чашки.

Объект исследования: зависимость скорости остывания чая от различных факторов

Предмет исследования: зависимость времени остывания от размеров, формы и цвета сосуда

Методы исследования: теоретический, общенаучный и математический

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. 1. Температура

Понятие температуры тела представляется на первый взгляд простым и понятным. Из повседневной жизни каждый знает, что бывают тела горячие и холодные. Еще с детства нам знакомы выражения «температура на улице» и «температура при заболевании» и т. п.

Опыты и наблюдения показывают, что при контакте двух тел, из которых одно мы воспринимаем как горячее, а другое как холодное, происходят изменения физических параметров как первого, так и второго тела. «Физическая величина, измеряемая термометром и одинаковая у всех тел или частей тела, находящихся в термодинамическом равновесии друг с другом, называется температурой». Когда термометр приводят в контакт с изучаемым телом, мы видим разного рода изменения: движется "столбик" жидкости, меняется объем газа и т.п. Но вскоре между термометром и телом обязательно наступает термодинамическое равновесие – состояние, при котором остаются постоянными все величины, характеризующие эти тела: их массы, объемы, давления и так далее. С этого момента термометр показывает не только свою температуру, но и температуру изучаемого тела. В повседневной жизни наиболее распространен способ измерения температуры с помощью жидкостного термометра. Здесь для измерения температуры используется свойство жидкостей при нагревании расширяться. Для измерения температуры тела термометр приводят с ним в контакт, между телом и термометром осуществляется процесс теплопередачи до установления теплового равновесия. Мы же для своей работы использовали датчики температуры. Эти датчики позволяют не только фиксировать температуру, но и выстроить график изменения температуры с течением времени.

1. 2. Теплообмен

Все явления внешнего мира, которые происходят вокруг нас и различные изменения в человеческом организме сопровождаются изменением температуры. Явления теплообмена сопровождают нас в повседневной жизни. Во время болезни врачи рекомендуют измерять температуру не менее 7-10 минут. Почему? Ведь много раз приходилось убеждаться в том, что, если температура тела высокая, достаточно держать термометр 2-3 минуты, что бы его показания установились и больше не менялись.

Работая с дополнительной литературой, я прочла, что в конце 17 века известный английский физик Исаак Ньютон высказал гипотезу: «скорость теплообмена между двумя телами тем больше, чем сильнее отличаются их температуры (под скоростью теплообмена понимаем изменение температуры в единицу времени.) Теплообмен всегда происходит в определённом направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой». В этом нас убеждают многочисленные наблюдения, даже на бытовом уровне (ложка в стакане с чаем нагревается, чай остывает; кастрюля с горячей водой отдаёт тепло воздуху и остывает, воздух вокруг неё нагревается и т.д.)

Когда температура тел выравнивается, процесс теплообмена прекращается, т.е. говорят, что наступает тепловое равновесие.

Простое и понятное утверждение о том, что самостоятельно теплота переходит только от тел с более высокой температурой к телам с меньшей температурой, а не наоборот, является одним из основополагающих законов в физике, и называются II законом термодинамики, этот закон был сформулирован в XVIII веке немецким учёным Рудольфом Клаузиусом.

На основе исследований Ньютона и Рихмана, был сформулирован закон, который во всей современной научно-технической литературе отечественной, англоязычной и международной - называется законом охлаждения Ньютона-Рихмана.

Но этот закон несколько отличается от выводов Ньютона и Рихмана. Рихман, так же, как и Ньютон, сделали вывод, что нагретое тело отдает свою температуру окружающей среде.

1.3. Способы теплопередачи

Для того, чтобы понять, каким образом теряет тепло жидкость в открытом сосуде, необходимо рассмотреть все возможные способы тепловых потерь. Внутренняя энергия жидкости может быть изменена путем совершения работы при переходе в другое агрегатное состояние или теплопередачей, которая может совершаться посредством теплопроводности, конвекции и излучения. В случае с остыванием жидкости в открытом сосуде происходит процесс перехода в газообразное состояние – испарение, а также различные виды теплопередачи.

Теплопроводность — способность материальных тел проводить тепловую энергию от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела путём хаотического движения частиц тела (атомов, молекул, электронов и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества. Теплопроводность – процесс переноса теплоты, протекающий на молекулярном уровне при столкновении и соударении микрочастиц, имеющих различную температуру. Осуществляется в твердых телах.

Следующий способ передачи тепла — это конвекция. Конвекция — вид теплообмена (теплопередачи), при котором внутренняя энергия передаётся струями и потоками самого вещества. Существует так называемая естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова. При некоторых условиях процесс перемешивания самоорганизуется в структуру отдельных вихрей и получается более или менее правильная решётка из конвекционных ячеек. Конвекция – процесс переноса теплоты, обусловленный перемещением массы жидкости или газа из области пространства с одной температурой в область с другой температурой. Конвекция возможна только в жидкой среде, так как перенос теплоты неразрывно связан с движением самой среды. Основное изменение температуры в жидкости происходит в тонком слое, прилегающем к стенке, который был назван пограничным слоем (введен немецким ученым Л. Прандтлем). За пределами этого слоя температура меняется мало.

Самым интересным, на мой взгляд, видом теплопередачи является излучение. Излучением называется процесс теплопередачи при помощи электромагнитных волн. Эти волны возбуждаются электрическими зарядами, которые движутся с ускорением. На микроскопическом уровне при увеличении температуры объектов, частицы, из которых состоят эти объекты, начинают колебаться все сильнее и сильнее, вызывая все большее ускорение электрических зарядов. Все тела излучают энергию, которая поглощается или отражается другими телами, находящимися вокруг.

Окружающие нас тела поглощают излучение по-разному. Тела черного цвета поглощают все электромагнитные волны, попадающие на поверхность, а тела белого цвета, наоборот, отражают эти волны. Это показывает, что тела с темной поверхностью лучше поглощают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность.

Не могу не рассказать об испарении. Да, это не способ теплопередачи, но это тепло потеря, а для наших исследований это важно.

Испарением называется процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий с поверхности вещества. Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое). При испарении с поверхности жидкости или твёрдого тела вылетают (отрываются) частицы (молекулы, атомы), при этом их кинетическая энергия должна быть достаточна для совершения работы, необходимой для преодоления сил притяжения со стороны других молекул жидкости. Энергию эти частиц берут у самого тела или жидкости. В результате испарения общая кинетическая энергия молекул жидкости снижается, из-за чего понижается температура жидкости. Испарение зависит от рода жидкости, от её температуры, от площади поверхности и от некоторых внешних факторов.

ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для исследования зависимости скорости остывания воды от различных факторов были использованы ёмкости различной формы, объема и цвета (см.Приложение. Фото1). В каждую из ёмкостей была налита вода температурой примерно 80 ⁰С (только что вскипевший чайник). Объем горячей воды во всех исследованиях одинаковый. При помощи датчика температуры, измерительного блока и специальной программы-лаборатории L-Micro были записаны данные о температуре воды за 10 минут с промежутком в 0,1 секунды (см.Приложение. Фото 2). Данные для каждого из исследований в виде графиков и таблиц представлены ниже, а также в приложении.

2.1. Исследование зависимости скорости остывания от размера сосуда

Для исследования зависимости скорости остывания воды от размера сосуда были использованы два сосуда из одинакового материала, в данном случае из стекла (см.Приложение. Фото 3). Колбы отличались размером, но не отличались формой, материалом и площадью поверхности.

В таблице 1 приведены значения максимальной температуры воды, температуры, до которой вода охладилась и время, за которое произошел данный процесс. Была посчитана разница начальной и конечной температур, а также найдена средняя скорость остывания воды.

Таблица 1. Зависимость скорости остывания воды от размера сосуда

Для наглядности был построен график зависимости температуры от времени для двух сосудов (см.Приложение. График 1,2).

Вывод: в данном случае основным процессом теплопередачи является теплопроводность, а также большую роль играет испарение. Тогда, скорость остывания будет больше в том случае, когда меньше отношение массы воды к площади поверхности теплопередачи и испарения. Сосуды были выбраны таким образом, чтобы они были подобными фигурами, значит, отношение массы к площади будет пропорционально линейному размеру сосуда. Следовательно, быстрее остынет вода в малом сосуде, что подтвердилось на практике (0,037 > 0,032).

2.2 Исследование зависимости скорости остывания от формы сосуда.

Для исследования зависимости скорости остывания воды от формы сосуда были использованы два сосуда одинакового цвета и материала, но разной формы (см.Приложение. Фото 4). Сосуды были из одинакового материала (стекло), но отличались формой и площадью поверхности.

В таблице 2 приведены значения максимальной температуры воды, температуры, до которой вода охладилась и время, за которое произошел данный процесс. Была посчитана разница начальной и конечной температур, а также найдена средняя скорость остывания воды.

Таблица 2. Зависимость скорости остывания воды от формы сосуда

Для наглядности был построен график зависимости температуры от времени для двух сосудов (см.Приложение. График 3,4).

Вывод: для данных сосудов главную роль при тепловых потерях играет испарение. Скорость испарения больше в том случае, когда больше площадь поверхности испарения, что наглядно показал опыт – скорости испарения отличаются почти в полтора раза (0,054 > 0,037).

2.3 Исследование зависимости скорости остывания воды от цвета сосуда

Для исследования зависимости скорости остывания воды от цвета сосуда были использованы два сосуда одинаковой формы и размера, но разного цвета (см.Приложение. Фото 5).

В таблице 3 приведены значения максимальной температуры воды, температуры, до которой вода охладилась и время, за которое произошел данный процесс. Была посчитана разница начальной и конечной температур, а также найдена средняя скорость остывания воды.

Таблица 3. Зависимость скорости остывания воды от цвета сосуда

Для наглядности был построен график зависимости температуры от времени для двух сосудов (Приложение 3).

Вывод: для данных сосудов большую роль при тепловых потерях играет испарение, но так как площади испарения и площади телопроводности практически одинаковы, скорость остывания воды будет зависеть от потери тепла при конвекции. При конвекции темные тела поглощают тепло, а светлые – отражают его, что подтвердилось на опыте (0,031 > 0,028).

Заключение

В ходе проведения данной работы были изучены такие способы потери тепла жидкостью как теплопроводность, конвекция, излучение и испарение. Уменьшить теплопроводность можно только при использовании материалов с низким коэффициентом теплопроводности, либо при использовании прослойки в виде такого материала (например, в термосе или термокружке). Уменьшить конвекцию и испарение можно уменьшив площадь поверхности жидкости. Излучение можно уменьшить с помощью светлых или зеркальных материалов. Получается, идеальная кружка для чая должна быть белой, а также иметь минимальную площадь испарения.

Выводы:

1. Получены линейные зависимости скорости остывания от температуры, которые согласуются с теорией.

2. Определены средние значения скорости остывания воды за всё время наблюдений.

3. Обнаружено, что по сравнению с обычным стаканом, полным воды, увеличение площади открытой поверхности в несколько раз приводит к увеличению роли конвекции и испарения в процессе остывания воды до 100%. Увеличить скорость остывания на 19% можно изменением цвета стенок на чёрный. Это увеличит потери тепла излучением. Если накрыть стакан крышкой и уменьшить конвекцию и испарение, то скорость остывания уменьшается на 19%. Теплоизоляция стенок и дна чашки снижает теплопроводность и уменьшает потери на 30%. Термокружка помогла уменьшить скорость остывания на 88%.

4. Обнаружено, что скорость остывания увеличивается при уменьшении объёма воды и увеличивается при увеличении площади её открытой поверхности.

5. В ряде случаев необходимо снизить тепловой поток в процессе теплопередачи. Наиболее просто это можно осуществить увеличением термического сопротивления стенки, разделяющей теплоносители, путем нанесения на нее материала с малым значением коэффициента теплопроводности.

Наша гипотеза подтвердилась: скорость остывания горячего напитка зависит от различных факторов.

На основании результатов исследования можно сделать вывод, что для сохранения чая горячим максимально долго необходимо использовать кружку с толстыми стенками и светлой блестящей внутренней поверхностью, а также минимальной площадью открытой поверхности или крышкой. При этом чашка должна иметь максимальный объём, но минимальную площадь внешней поверхности (т.е. закругленная к верху кружка, шар). Стенки чашки должны обладать малой теплопроводностью, укрыты теплоизолирующим материалом или у чашки должны быть двойные стенки с воздушным (вакуумным) зазором между ними. Идеальный вариант - термокружка, но и она остывает за время урока примерно на 6 градусов.

Список использованных источников

1. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплопроводности жидкостей и газов: Энергоатомиздат, 2018 г., 2 части

2. Дьяконов В.Г. Основы теплопередачи и массообмена: уч.пособие- Казань: КНИТУ, 2015 г.- 244 с.

3. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена.— М.: Издательство МГУ, 1999 г.- 416 с.

4. Лабунцов Д.А. Физические основы энергетики. Избранные труды по теплообмену, гидродинамике, термодинамике. — М.: Издательство МЭИ, 2015. — 388 с

5. Перышкин А. В. Физика. 8 кл. : учебник – 6-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2018. – 238 с.

6. Телеснин В.Р. Молекулярная физика- М.: Лань, 2021 г.- 368 с.

7. Шитик Т.В. Техническая термодинамика и теплопередача- М.:Инфра-Инженерия, 2022 г.- 184 с.

8. Интернет-источник: https://ru.wikipedia.org/wiki

9. Интернет-источник: https://yourtutor.info

10. Теплопроводность. Что такое теплопроводность? [Электронный ресурс] URL: http://www.igksi.ru/page/262942/ (дата обращения: 06.04.2024)

11. Почему чёрные (тёмные) предметы поглощают больше энергии? [Электронный ресурс] URL: https://otvet.mail.ru/question/61883828 (дата обращения: 06.04.2024)

12. Закон охлаждения Ньютона- Рихмана. [Электронный ресурс] URL: http://www.math24.ru/newtons-law-of-cooling.html (дата обращения: 06.04.2024)

13. Теплофизические свойства, теплопроводность сахарных растворов. [Электронный ресурс] URL: http://thermalinfo.ru/publ/pishhevye_produkty/kulinarija_i_khleb/teplofizicheskie_sv ojstva_teploprovodnost_sakharnykh_rastvorov/11-1-0-436 (дата обращения: 06.04.2024)

ПРИЛОЖЕНИЕ

Фото 1

Фото 2

Фото 3

Таблица 1. Исследование зависимости скорости остывания от размеров сосуда

График 1. Исследование зависимости скорости остывания в большом сосуде

График 2. Исследование зависимости скорости остывания в малом сосуде

Фото 4

Таблица 2. Исследование зависимости скорости остывания от площадади поверхности.

График 3. Исследование зависимости скорости остывания с большей площадью поверхности

График 4. Исследование зависимости скорости остывания с меньшей площадью поверхности

Фото 5

Таблица 3. Исследование зависимости скорости остывания воды от цвета сосуда

График 5. Исследование зависимости скорости остывания воды в темном сосуде

График 6. Исследование зависимости скорости остывания воды в светлом сосуде