XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Теплопроводность в фокусе: от теории к практике

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Хатунцева М.А. 1Хатунцева Е.А. 1

---

1МОУ Раменская СОШ № 9

Афанасьева Е.С. 1

---

1МОУ Раменская СОШ № 9

Работа в формате PDF

1.8 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

На одном из уроков физики мы проходили тему «Теплопроводность». Это фундаментальное физическое явление, определяющее, как тепло передается от более нагретых тел к менее нагретым при их непосредственном контакте. От утренней чашки горячего чая, согревающей руки, до сложных систем охлаждения в мощных компьютерах — теплопроводность незаметно, но постоянно присутствует в нашей жизни. Нас заинтересовало это явление, и мы решили его исследовать. Человеку важно знать, из какого материала состоит тот или иной предмет, понимать, от чего зависит его способность быстро или медленно проводить тепло, чтобы знать, как его использовать в разных температурных условиях. Например, какие материалы следует применить для грамотного проектирования зданий и сооружений, ведь от этого зависит, насколько хорошо здание будет сохранять тепло зимой и не перегреваться летом. Или какую посуду можно использовать для более быстрого приготовления пищи. Или вот: теплопроводность кожи в основном зависит от величины подкожно-жировой клетчатки: чем она более развита, тем хуже теплопроводность. Значит, человек с избыточным весом не так быстро замерзает.

Данный проект направлен на изучение и исследование явления теплопроводности, его проявления в окружающем мире и практического применения.

Актуальность. Изучение теплопроводности необходимо для разработки энергоэффективных технологий и материалов, что актуально в контексте глобальных экологических проблем. Понимание свойств теплопроводности позволяет создавать более комфортные условия жизни, разрабатывать новые теплоизоляционные материалы и оптимизировать процессы теплообмена в различных устройствах.

Объект исследования: явление теплопроводности.

Предмет исследования: различные вещества и материалы.

Цель работы: исследование явления теплопроводности.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1) изучить информацию о теплопроводности; 2) исследовать теплопроводность различных веществ и материалов; 3) объяснить наблюдаемые явления, основываясь на физических законах; 4) представить свои примеры теплопроводности; 5) описать роль теплопроводности в повседневной жизни и в различных отраслях промышленности.

Основные методы исследования:

эксперимент, наблюдение, сравнение, измерение, анализ, обобщение.

ГЛАВА 1.

Что такое теплопроводность?

Теплопроводность - это способность материала передавать тепло от одной точки к другой (рис.1). Это происходит благодаря движению атомов и молекул в материале, которые взаимодействуют друг с другом и передают энергию. Представим бильярдный стол. Белые шары — это молекулы горячего объекта, они стремительно движутся и сталкиваются друг с другом. Цветные шары — молекулы холодного объекта, их движение более медленное и спокойное. Когда белые шары ударяются о цветные, они передают им часть своей кинетической энергии. Цветные шары начинают двигаться быстрее (объект нагревается), а белые замедляются (объект остывает). Этот непрерывный обмен энергией на микроскопическом уровне и есть суть теплопроводности. Процесс продолжается до тех пор, пока скорости всех шаров, а значит, и температуры обоих объектов, не выровняются.

Оказывается, есть так называемый коэффициент теплопроводности – мерило тепловых талантов. Разные материалы обладают разной способностью проводить тепло (рис.2). Чугунная сковорода нагревается гораздо быстрее, чем деревянная ложка, а металлическая ручка у той же сковороды может обжечь руку, в то время как деревянная остается прохладной. Эта способность материала проводить тепло количественно выражается коэффициентом теплопроводности (λ), измеряемым в ваттах на метр-кельвин [Вт/(м*К)].

Коэффициент теплопроводности не имеет общей формулы. Однако есть приближённая формула для расчёта коэффициента теплопроводности, которая учитывает количество тепла, толщину материала, площадь поперечного сечения и разность температур: λ = (Q × d) / (S × t × ΔT), где: Q — количество проходящего через материал тепла в джоулях (Дж); d — толщина материала в метрах (м); S — площадь поперечного сечения в квадратных метрах (м²); t — длительность процесса в секундах (с); ΔT — разность температур в градусах (К). Формула основана на законе теплопроводности Фурье, который описывает поток тепла через материалы в соответствии с их температурным градиентом и теплопроводностью: теплота передаётся в направлении уменьшения температуры.

Чем выше коэффициент, тем эффективнее материал передает тепло. Например, у меди λ = 400 Вт/(м*К), а у дерева λ = 0,15 Вт/(м*К). Это означает, что медь проводит тепло почти в 4000 раз лучше, чем дерево. Медь — чемпион по теплопроводности среди распространенных материалов, поэтому ее часто используют в теплообменниках и системах охлаждения. Медь используется в электрических проводах, теплообменниках и других устройствах, где требуется высокая теплопроводность. Еще одним материалом с высокой теплопроводностью является алюминий. Его коэффициент теплопроводности составляет около 207 Вт/м*К, что делает его хорошим для радиаторов отопления и теплообменников. Однако, не все материалы имеют высокую теплопроводность. Например, воздух имеет очень низкую теплопроводность, что делает его плохим проводником тепла (рис.3).

Понимание этих взаимосвязей позволяет нам не только объяснять наблюдаемые явления, например, почему металлическая ложка нагревается быстрее деревянной, но и целенаправленно выбирать материалы с нужными тепловыми свойствами для решения конкретных инженерных задач, будь то создание эффективной теплоизоляции или разработка систем охлаждения для высокотехнологичных устройств.

Что влияет на эффективность передачи тепла?

1. Структура материала. В кристаллических материалах, таких как металлы, атомы расположены в упорядоченной решетке. Кроме того, металлы обладают «морем» свободных электронов, которые активно участвуют в переносе тепла, обеспечивая высокую теплопроводность. В аморфных материалах, таких как стекло, пластик или дерево, структура менее упорядочена, и эффективность передачи энергии снижается.

2. Температура. В большинстве случаев, с повышением температуры коэффициент теплопроводности также немного увеличивается, хотя для некоторых материалов эта зависимость может быть более сложной. Мы прекрасно знаем, что металл кажется холоднее дерева из-за его высокой теплопроводности. Когда прикасаемся к металлической поверхности, она быстро забирает тепло от кожи, снижая её температуру, что и создаёт ощущение прохлады. Дерево, напротив, обладает низкой теплопроводностью и медленно передаёт тепло, что делает его на ощупь более тёплым при одинаковой температуре. При какой температуре металл и дерево будут казаться одинаково нагретыми? Чтобы металл и дерево на ощупь казались одинаково теплыми, температура должна компенсировать разницу в теплопроводности. Это возможно, если дерево нагрето примерно на 10–15 градусов выше температуры металла. Например, если металл находится при комнатной температуре, около 20–25 градусов, то дерево потребуется подогреть до 30–35 градусов.

3. Плотность. Как правило, более плотные материалы обладают более высокой теплопроводностью, так как большая концентрация молекул способствует более частым столкновениям и более интенсивному обмену энергией.

4. Влажность. Наличие влаги в пористых материалах, таких как дерево или кирпич, значительно увеличивает их теплопроводность. Вода сама по себе хорошо проводит тепло, а заполняя поры, она создает дополнительные «мостики» для передачи тепла.

ГЛАВА 2.

Теплопроводность в действии: от кухни до космоса

Теплопроводность играет важную роль в самых разнообразных сферах нашей жизни: от кухонной утвари до космических технологий. Правильный выбор материалов с учетом их теплопроводности позволяет нам готовить вкусную еду, создавать комфортный микроклимат в домах, обеспечивать надежную работу электроники и даже осваивать космос.

ГЛАВА 3.

Теплопроводность в задачах: качественное изучение.

Подробной изучение темы «Теплопроводность» позволяет грамотно решать качественные задачи.

1. Из какой кружки — металлической или керамической — легче пить горячий чай, не обжигая губы?

Ответ: из керамической, поскольку теплопроводность металла намного больше теплопроводности керамики, кружка из керамики будет нагреваться гораздо медленнее и медленнее будет отдавать тепло губам.

2. Почему нагретые детали в воде охлаждаются быстрее, чем на воздухе?

Ответ: нагретые детали охлаждаются в воде быстрее, чем на воздухе, потому что теплопроводность воды намного больше.

3. Зачем водопроводные и канализационные трубы зарывают в землю на значительную глубину? От каких факторов зависит значительность этой глубины?

Ответ: водопроводные и канализационные трубы врывают глубоко и землю, чтобы, используя низкую теплопроводность грунта, не допустить замерзания в них воды.

4. Если температура в комнате 16°C, то нам не холодно, но если войти в воду, температура которой 20°C, то мы ощущаем довольно сильный холод. Почему?

Ответ: температура тела человека выше 20°C. Теплообмен между человеком и водой намного интенсивнее, так как теплопроводность воды больше теплопроводности воздуха. Поэтому в воде с температурой 20°C холоднее, чем на воздухе с температурой 16°C.

5. Почему металл не трескается при резких колебаниях температуры воздуха, а камень трескается?

Ответ: металл обладает большей теплопроводностью, чем камень. При колебаниях температуры в металле не возникают такие напряжения, которые способны привести к трещинам.

6. Какой кирпич – сплошной или пористый – лучше обеспечивают теплоизоляцию здания?

Ответ: все пористые строительные материалы содержат воздух, который благодаря плохой теплопроводности придаёт им хорошие теплоизоляционные свойства.

7. Оболочки космических кораблей и ракет делают из особых сплавов или из керамических материалов. Каким свойством должны обладать эти материалы?

Ответ: материалы, из которых делаются ракеты и космические корабли должны обладать следующими свойствами: плохая теплопроводность, чтобы защищать от перепадов температур. Важны также лёгкость и прочность, и высокая температура плавления.

8. При строительстве для целей теплоизоляции широко применяют пористые материалы: древесина, пеноблоки, минеральная вата,войлок. Какое физическое свойство этих материалов позволяет эффективно применять их для указанных целей?

Ответ: низкая теплопроводность: в порах указанных материалов содержится воздух, обладающий очень малой теплопроводностью, поэтому пористые материалы обеспечивают хорошую теплоизоляцию.

9. Влажная почва прогревается быстрее, чем сухая. Благодаря какому физическому свойству воды так происходит?

Ответ: вода обладает большой теплопроводностью по сравнению с воздухом; в порах влажной почвы содержится вода, а в порах сухой почвы  — воздух, поэтому влажная почва имеет большую теплопроводность и прогреется быстрее.

10. Почему железные печи быстрее нагревают комнату, чем кирпичные? Почему железные печи после окончания топки быстрее остывают? Массы печей одинаковые.

Ответ: железо обладает большей теплопроводностью, чем кирпич, поэтому железная печь быстрее прогревается и начинает отдавать энергию воздуху комнаты; удельная теплоёмкость кирпича больше, чем у железа, поэтому кирпичная печь запасает большее количество энергии и дольше остывает.

11. Если зимой на улице прикоснуться к металлическим предметам мокрыми пальцами, то они примёрзнут к металлу. Однако к деревянным поверхностям той же температуры мокрые пальцы не примерзают. Благодаря какому физическому свойству металла и дерева это наблюдается?

Ответ: явление наблюдается благодаря тому, что теплопроводность металла больше, чем у древесины. Из-за этого металл настолько быстро отводит энергию от тонкой плёнки воды на пальцах, что вода охлаждается ниже температуры отвердевания и замерзает.

12. Какой материал лучше выбрать для зимней одежды: шерсть или синтетика?

Ответ: шерсть лучше сохраняет тепло, так как имеет низкую теплопроводность и удерживает воздух, что создает изоляцию.

13. Что в холодное время года лучше носить перчатки или варежки? Ответ: лучше носить варежки, они сохраняют тепло лучше, так как пальцы находятся в близком контакте друг с другом, уменьшая теплопроводность.

14. Какой вид окон лучше установить в доме: однокамерные или двухкамерные стеклопакеты?

Ответ: двухкамерные стеклопакеты имеют лучшую теплоизоляцию благодаря воздушным прослойкам между стеклами, что снижает теплопроводность.

15. В каких домах с деревянными полами или плиточными теплее? Ответ: дерево имеет более низкую теплопроводность по сравнению с плиткой, что делает его лучшим изолятором и сохраняет тепло.

16. Какую посуду лучше использовать для готовки на плите: алюминиевую или чугунную?

Ответ: чугунная посуда имеет меньшую теплопроводность и лучше удерживает тепло, что позволяет готовить более равномерно.

17. Почему важно утеплять трубы в холодное время года?

Ответ: утепление труб снижает теплопроводность и предотвращает замерзание воды внутри труб, что может привести к их повреждению.

18. Какой вид стеновых материалов лучше выбрать для строительства дома в холодном климате?

Ответ: лучше выбирать материалы с низкой теплопроводностью, такие как кирпич с утеплителем или газобетон, чтобы сохранить тепло внутри дома.

19. Почему ручки кранов и баков с горячей водой делают деревянными или пластмассовыми?

Ответ: дерево и пластмасса обладают плохой теплопроводностью, что позволяет не обжигаться.

20. Какой кирпич лучше использовать сплошной или пористый?

Ответ: пористый кирпич в своих порах содержит воздух, который обладает плохой теплопроводностью, поэтому он обеспечивает лучшую теплоизоляцию здания, чем сплошной кирпич.

21. В какой обуви  — тесной или просторной  — будут больше мерзнуть ноги зимой?

Ответ: в тесной обуви ноги будут мерзнуть больше, так как в просторной обуви между ногой и сапогом будет находиться воздух, который обладает плохой теплопроводностью; поэтому воздух будет препятствовать теплообмену между ногой и окружающей средой.

22. Для того чтобы стеклянный стакан не треснул, какую ложку (деревянную или металлическую) следует в него опустить, прежде чем налить кипяток?

Ответ: металлическую, металл обладает хорошей теплопроводностью по сравнению с деревом, поэтому металлическая ложка заберет больше энергии и предотвратит раскол стакана. 

23. В жаркий день туристы налили холодную воду из колодца в две одинаковые пластиковые бутылки. Одну из них они несли в полиэтиленовом пакете, а другую  — в рюкзаке, завернутую в толстый шерстяной свитер. Вода в какой бутылке нагреется быстрее?

Ответ: вода нагреется быстрее в полиэтиленовом пакете, шерсть обладает худшей теплопроводностью, чем полиэтилен, потому что между волокнами присутствует воздух; поэтому теплообмен с окружающей средой будет происходить меньше в шерстяном свитере.

24. Какое физическое явление используют при применении снегозадержания?

Ответ: теплопроводность снежного покрова в 8 -10 раз меньше теплопроводности почвы, поэтому снег предохраняет зимующие растения от вымерзания. Снегозадержание способствует сохранению температуры почвы, а также медленному таянию снега, что увеличивает запас влаги в земле.

25. Почему птицы в холодную погоду распушают свои перья?

Ответ: между перьями находится воздух, а воздух плохой проводник тепла.

26. Зачем ручки паяльников, утюгов, сковородок, кастрюль делают из дерева или пластмассы?

Ответ: дерево и пластмасса обладают плохой теплопроводностью, поэтому при нагревании металлических предметов мы, держась за деревянную или пластмассовую ручку, не будем обжигать руки.

27. Зачем кусты теплолюбивых растений и кустов на зиму укрывают опилками?

Ответ: опилки являются плохими проводниками тепла; поэтому растения укрывают опилками, чтобы они не замёрзли.

ГЛАВА 4.

Теплопроводность в лаборатории: реальные эксперименты

Опыт 1. Теплопроводность разных веществ (рис.4).

Оборудование: стакан, кипяток, ложки (алюминиевая, деревянная и стальная).

Наливаем кипяток в стакан и опускаем разные ложки. К ложкам прикрепили кусочки масла сливочного.

Вывод: теплопроводность материалов разная, масло тает за разное время.

Опыт 2. Проведём эксперимент по теплопроводности разных веществ с уточнением времени. Для начала мы возьмём три стержня стальной, алюминиевый и медный одинакового сечения. Прикрепим к ним равные кусочки масла и поместим в кружку с кипятком (рис.4).

Вывод: теплопроводность стали хуже, чем у алюминия и меди.

Опыт 3. Охлаждение алюминиевой банки.

Оборудование: алюминиевая банка с жидкостью (3 штуки); ёмкость с солёной водой, ёмкость со льдом; часы, датчик температуры.

Результаты измерений занесём в таблицу. Время наблюдения – 10 минут (рис.5)

Вывод: наименьшую температуру имеет жидкость в банке помещённая в воду со льдом и солью, а наибольшую температуру имеет жидкость из морозилки. Это связано с тем, что морозилке находится только холодный воздух, а он имеет плохую теплопроводность, у льда теплопроводность лучше, поэтому он справился с задачей лучше, но он не везде соприкасался с банкой, поэтому уступил воде с солью и льдом; вода полностью обволакивает банку, солёная вода имеет более низкую температуру замерзания, что так же помогло при охлаждении.

Опыт 4. Эксперимент по теплопроводности воды.

Оборудование: вода, кусочки льда, пробирка, спиртовка, спички (рис.6).

Ha дне пробирки с водой находятся кубики льда. Верхний слой воды нагреваем на спиртовке. При этом верхний слой воды закипает, а лед не тает. При таком способе нагревания теплые слои воды имеют меньшую плотность, чем холодные, и не опускаются вниз, т. е. конвекция не происходит. Вода внизу пробирки прогревается преимущественно за счет теплопроводности, что происходит довольно долго.

Вывод: теплопроводность воды плохая.

Опыт 5. Эксперимент по теплопроводности воздуха (рис.7).

Оборудование: пустая пробирка, спиртовка, спички.

Берем пробирку за верхний край, переворачиваем и начинаем нагревать нижнюю ее часть. В таком состоянии можно держать пробирку достаточно долго, т.к. она долго не будет нагреваться.

Вывод: воздух - плохой проводник тепла.

Описание опытов по теплопроводности.

Опыт 6. Эксперимент по теплопроводности металла (рис.8).

Оборудование: кусочек дерева, монета, бумага, свеча, зажигалка.

Приложим к кусочку дерева монету и обернём их бумагой. Поднесём всё это на короткое время к пламени свечи так, чтобы пламя только коснулась места, где над бумагой находится монета. Видим, что бумага обуглилась вокруг монеты. А где была монета, остался не тронутый огнём белый кружок.

Вывод: металл, из которого сделана монета - хороший теплопроводник, взял на себя тепло пламени и сохранил бумагу.

Опыт 6. Эксперимент по теплопроводности воды (рис.9).

Оборудование: два воздушных шарика, вода, свеча.

Шарик без воды сразу лопается, а шарик с водой – нет, значительно позже.

Вывод: это происходит из-за того, что теплопроводность воды во много раз больше, чем у воздуха. Резина не становится слишком горячей. Шарик не лопается, пока вода сама не нагреется.

Опыт 7. Эксперимент по исследованию теплопроводности разных тканей (рис.10).

Оборудование: пять пластиковых стаканов, флисовая, хлопковая, джинсовая, махровая, синтетическая ткань, горячая вода, датчик температуры.

В стаканы, обёрнутые разными тканями, наливаем горячую воду и оставляем на пять минут. Далее измеряем температуру и оставляем ещё на пять минут.

Результаты измерений занесём в таблицу.

Вывод: самая плохая теплопроводность у флиса. Не случайно из флиса делают носки, перчатки, шапки, шарфы, кофты, брюки и термобельё. Он используется как подкладка для штормовых брюк и курток, из него изготавливают вкладыши в спальники.

Опыт 8. Теплопроводность снега (рис.10 а).

Оборудование: два контейнера с сухим и влажным снегом, датчик температуры, стаканчики с горячей водой.

Наполним оба контейнера одинаковым количеством снега (один с сухим снегом, второй с влажным). Нальём равное количество горячей воды в стаканчики и поставим их в контейнеры. Будем измерять температуру воды сразу после добавления в снег и записывать изменения температуры каждые 5 минут до полного таяния снега.

Вывод: температура воды быстрее снижается в стакане с влажным снегом. Это связано с большей теплопроводностью влажного снега, поскольку вода является лучшим проводником тепла, чем воздух, содержащийся в сухом снеге.

Опыт 9. Снежная защита (рис.10 б).

Оборудование: две баночки с холодной водой.

В две баночки налили холодной воды. Вынесли их на улицу. Одну баночку оставили на воздухе, вторую закрыли крышкой и закопали в снег. Через некоторое время проверили их и увидели, что вода в баночке стоящей на улице замёрзла, а та, что была зарыта в снег, даже не покрылась льдом.

Вывод: снег не дал замерзнуть воде, значит, он защищает растения и землю от мороза, хоть сам и холодный. Снег защищает растения и землю от мороза.

ГЛАВА 5.

Теплопроводность - путь к энергоэффективности?

Знания о теплопроводности важны для выбора материалов при строительстве зданий, так как от этого показателя зависит, насколько хорошо здание будет сохранять тепло зимой и не перегреваться летом. Здание должно сохранять комфортную температуру при минимальных затратах энергии. Материалы с низкой теплопроводностью медленно накапливают и долго сохраняют тепло. Кроме того, низкий показатель теплопроводности позволяет снизить расходы на отопление и охлаждение. А правильный подбор материалов помогает избежать образования конденсата и промерзания конструкций.

На теплопроводность материалов влияют разные факторы, например плотность, влажность, температура, движение воздуха внутри структуры. Если значение коэффициента теплопроводности велико, тепло будет быстро утекать наружу, и потребуется более толстый слой для надёжной теплоизоляции. Чем меньше коэффициент, тем тоньше можно сделать утепление и всё равно сохранить высокую защиту от холода.

Рассмотри некоторые примеры материалов с разной степенью теплопроводности и их влияние на энергоэффективность:

Минеральная вата — теплопроводность обычно колеблется от 0,035 до 0,042 Вт/(м·К).

Пенополистирол (ППС) — коэффициент теплопроводности — примерно 0,030–0,038 Вт/(м·К).

Экструдированный пенополистирол (XPS) — теплопроводность — обычно от 0,028 до 0,035 Вт/(м·К).

Пенополиуретан (PUR и PIR) — коэффициент теплопроводности — от 0,020 до 0,030 Вт/(м·К).

Посредством теплопроводности происходит передача теплоты через стенку дома в зимнее время. Регулирование теплообмена является одной из основных задач строительной техники. В холодное время года теплота теряется помещением в силу теплопроводности стен и просачивания через них воздуха, уходит вместе с нагретым воздухом через вентиляционные каналы и щели. Чтобы температура в жилых и производственных помещениях соответствовала нормальным условиям жизни и деятельности человека, необходимо уменьшить эти потери. С этой целью стены домов делают из материалов с малой теплопроводностью — естественных (дерева, камыша, различных видов торфа, пемзы, пробки) или искусственных (кирпича, бетона, пенопласта и др.). Теплоизолирующие свойства этих материалов различны.

Широкое распространение в настоящее время получили каркасные здания (рис.11), на постройку которых требуется гораздо меньше материалов, чем для зданий других типов. Основу каркасного здания составляет металлический или железобетонный каркас, играющий в здании ту же роль, которую выполняет скелет в организме животных: воспринимает нагрузку. На каркасе укрепляют стены из теплоизолирующих пористых материалов. Поры таких материалов заполнены воздухом, поэтому они имеют сравнительно небольшой вес и плохо проводят тепло, так как теплопроводность воздуха очень мала, а конвекция воздуха в пористых материалах невозможна.

При изготовлении теплоизоляционных материалов в заготовленную массу вводят пузырьки воздуха. Для этого ее взбивают или добавляют специальную пену либо вещества, которые, вступая в химическую реакцию с заготовленной смесью, выделяют пузырьки газа. Некоторые пористые теплоизоляционные строительные материалы изготавливает термическим способом. Например, при производстве пеностекла (рис.10) стеклянный порошок смешивают с небольшим количеством размельченного известняка, засыпают в металлические формы и нагревают. При температуре 550—600°С стеклянный порошок расплавляется, образуя сплошную массу. Когда температура достигает 750—780°С, начинается разложение известняка, из которого выделяются газы. Вспучивая расплавленную массу, они придают ей пористость. После застывания образуется материал, сохраняющий все свойства обычного стекла: негорючесть, стойкость по отношению к влаге и кислотам и т. д. В то же время этот материал обладает новыми замечательными качествами: он прочен, легко поддается обработке - пилится, строгается, не трескается, когда в него забивают гвозди. Использование теплоизоляционных материалов и примышленном и гражданском строительстве не только удешевляет, но и увеличивает полезную площадь помещений, повышает их огнестойкость и звуконепроницаемость.

Кровля, стены и окна называются наружными ограждающими конструкциями здания из-за того, что они ограждают жилище от разного рода атмосферных воздействий пониженных температур, солнечной радиации, влаги, ветра. Теплозащитные свойства стены будут зависеть от ее толщины и коэффициента теплопроводности материала, из которого она построена. В случае, если стена состоит из нескольких слоев (допустим, кирпич—утеплитель—кирпич), ее термическое сопротивление будет зависеть от толщины и коэффициента теплопроводности материала каждого из слоев. Теплозащитные свойства ограждающих конструкций в большой степени зависят от влажности материала. Почти все строительные материалы содержат мельчайшие поры, которые в сухом состоянии заполняются воздухом. С повышением влажности поры заполняются влагой, коэффициент теплопроводности которой по сравнению с воздухом в 20 раз больше, а это приводит к резкому снижению теплоизоляционных характеристик, как материалов, так и конструкций. Разумеется, строить лучше всего из материалов, которые обладают достаточно высокими теплоизоляционными свойствами.

В последние несколько лет все большую популярность приобретают «каменные», а если быть более точным — базальтовые ваты (рис.12). Такая вата представляет собой несгораемый экологически чистый материал, отличающийся высокими водоотталкивающими свойствами, но при этом паропроницаемый. Коэффициент их теплопроводности, в зависимости от плотности, колеблется от 0,034 до 0,042 Вт/(м*К).

Современные материалы и знание их физических характеристик позволяют строить дома, которые берегут тепло (рис.13).

При проведении строительных работ используют прибор МИТ-1 (измеритель теплопроводности) — это специализированное устройство, предназначенное для измерения коэффициента теплопроводности различных материалов.

МИТ-1 (рис.14) работает на основе метода стационарного теплового потока. Он позволяет точно определять, как быстро тепло проходит через образец материала, что дает возможность получить данные о его теплоизоляционных характеристиках.

Прибор включает в себя электронный блок с дисплеем и клавиатурой, к которому подключается измерительный зонд. Зонд состоит из нагревательного элемента и температурного датчика, помещённых в тонкостенную металлическую трубку.

На передней панели электронного блока расположены клавиатура и графический дисплей. В верхней части корпуса находится разъём для подключения зонда и USB-порт для связи с компьютером для обработки данных. На задней панели, в нижней части, расположена крышка батарейного отсека. С левой стороны корпуса имеется кистевой ремешок.

В научных лабораториях МИТ-1 применяется для исследований новых материалов с улучшенными теплофизическими характеристиками. В производстве прибор служит для контроля качества продукции, позволяя гарантировать ее соответствие установленным нормам.

Экспериментальное дополнение.

Материал этой главы настолько впечатлил, что мы решили изготовить часть стены, которая хорошо бы держала тепло, используя сведения о различных материалах. Такая стена (рис.15) состоит из внешний отделки, ветрозащитной мембраны, пеноплекса (минеральной ваты), пароизоляционной мембраны, листа гипсокартона, чистовой отделки и каркаса. В изготовлении такой стены нам помогал папа. Он работает на стройке. Если мы сравним эту стену с кирпичной, то получится, что 2,5 метра кирпича равны по теплоизоляционным свойствам 0,2 метрам минеральной ваты. Из этого следует что стена, сделанная из таких материалов, очень хорошо сохраняет тепло.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Работая над исследованием теплопроводности, мы пришли к выводу, что теплопроводность является одним из видов теплопередачи, в процессе которого частицы тела взаимодействуют друг с другом, стремясь сделать температуру тела одинаковой. Теплопроводность различных материалов широко используется в строительстве, быту и часто встречается в повседневной жизни человека. Изучение теплопроводности имеет большое значение для здоровья и комфорта человека, а также играет бoльшую рoль в создании материалов, полeзных для человека. Создание и открытие веществ, обладающих теплоизоляционными свойствами, - имеет важное значение для людей. Изучение теплопроводности доказывает, что теплопроводность вещества зависит от его агрегатного состояния. У твердых тел теплопроводность будет больше, чем у жидкостей или газов.

Проведённые эксперименты дали возможность проверить достоверность теоретических заключений, объяснить известные явления природы и научные данные. Все эксперименты можно посмотреть в подготовленном видеоролике (https://disk.yandex.ru/i/-GK-Pu-kgPs-Wg).

Таким образом, нам удалось достичь цели работы - исследовать явление теплопроводности. Задачи в процессе работы над проектом успешно решены.

Полученные результаты в ходе исследований пополнили наш багаж знаний. Проведённые эксперименты можно использовать на внеурочных занятиях по физике для повышения заинтересованности этим учебным предметом.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ

1. Блудов М.И. Беседы по физике, часть 1. – М.: Просвещение, 1984.

2. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – М.: Энергоиздат, 1981. Осипова В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. – М.: Энергия, 2001г.

3. Филиппов Л.П. Исследование теплопроводности строительных материалов. – М.: Изд-во МГУ, 2000г.

4.https://sites.google.com/site/opatpofizike/teoria/teoria-8-klass/sposoby-izmenenia-vnutrennej-energii

5. https://obustroeno.com/stroitelstvo/postrojki/dom/60161-uteplitel-dlya-doma

6. http://class-fizika.narod.ru/8_3.htm

7. http://elementy.ru/trefil/21095

8. http://www.fizika.ru/kniga/index.ph

9. http://class-fizika.spb.ru/index.php/opit/726-op-teplpr

10.https://multiurok.ru/files/issledovatelskaia-rabota-teploprovodnost-razlichny.html

11.https://multiurok.ru/files/issledovatelskaia-rabota-teploprovodnost-razlichny.html

12. https://urok.1sept.ru/publication/162482

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рис. 1 Передача тепла в твёрдом теле

Рис.2 Таблица «Коэффициент теплопроводности различных материалов»

Рис.3 Теплопроводность веществ в сравнении

Рис.4 Теплопроводность разных веществ.

Рис. 5 Охлаждение алюминиевой банки

Рис.6 Теплопроводность воды.

Рис.7 Теплопроводность воздуха.

Рис.8 Теплопроводность металла (с монетой).

Рис.9 Теплопроводность воды (с шариками)

Рис.10 Теплопроводность разных тканей.

Рис.10а Теплопроводность снега.

Рис.10б Снежная защита

Рис.10 Производство пеностекла

Рис.11 Каркасные здания

Рис.12 Базальтовая плита и использование её в каркасе здания.

Рис.13 Дом, который бережёт тепло.

Рис.14 Прибор МИТ -1.

Рис.15 Макет стены, которая хорошо сохраняет тепло.