III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ РАЗНЫХ ТЕЛ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Сегодня очень остро стоит вопрос рационального использования тепловых и энергетических ресурсов. Непрерывно прорабатываются пути экономии тепла и энергии с целью обеспечения энергетической безопасности развития экономики, как страны, так и каждой отдельной семьи.
Дом теряет тепло через ограждающие конструкции (стены, окна, крыша, фундамент), вентиляцию и канализацию. Основные потери тепла идут через ограждающие конструкции — 60–90% от всех теплопотерь.
Расчет теплопотерь дома нужен, как минимум, чтобы правильно подобрать котёл. Также можно прикинуть, сколько денег будет уходить на отопление в планируемом доме. Также можно благодаря расчётам провести анализ финансовой эффективности утепления, т.е. понять окупятся ли затраты на монтаж утепления экономией топлива за срок службы утеплителя.
Понятие теплопроводности материалов изучается в школе в 8 классе. Теплопроводность — это процесс переноса энергии от теплой части материала к холодной частицами этого материала (т.е. молекулами).
Мы решили исследовать теплопроводность различных веществ и материалов, а также определить какие современные утеплители являются наиболее эффективными.
Таким образом, мы определили тему нашей работы.
Тема: Исследование теплопроводности различных веществ.
Цель исследования:
Определить коэффициент температуропроводности разных веществ, и выявить из современных строительных утеплителей лучшие изоляторы тепла.
Методы исследования:
-
-
Теоретические (изучение литературы, Интернет сайтов, Указов президента РФ и т.д.).
-
Эмпирические ( измерение температуры, времени).
-
Математические (вычисление коэффициента, определение цен утеплителей)
-
Объект исследования: Различные вещества и строительные теплоизолирующие материалы.
Предмет исследования: Теплопроводность веществ.
Гипотеза:
-
Если температура вещества за определённый промежуток времени меняется незначительно, то данное вещество обладает плохой теплопроводностью, т.е. хорошо удерживает тепло.
-
Эффективные изоляторы тепла имеют низкий коэффициент температуропроводности.
2.Основная часть.
В современных условиях повышения цен на топливо изменились и подходы к тепловой защите зданий, возросли требования к строительным материалам. Любой дом нуждается в утеплении и системе отопления. Поэтому при теплотехническом расчёте ограждающих конструкций важен расчёт показателя теплопроводности.
Теплопроводность – это такое физическое свойство материала, при которой тепловая энергия внутри тела переходит от самой горячей его части к более холодной. Значение показателя теплопроводности показывает степень потери тепла жилыми помещениями.
Коэффициент теплопроводности - является физическим параметром вещества и в общем случае зависит от температуры, давления и рода вещества. В большинстве случаев коэффициент теплопроводности для различных материалов определяется экспериментально с помощью различных методов. Большинство из них основано на измерении теплового потока и изменения температур в исследуемом веществе.
В школьных условиях сложно определить энергию, проходящую через поверхность. Поэтому в своей работе мы решили определить не энергию, а изменение температуры за единицу времени. Этот коэффициент называется коэффициентом температуропроводности .
Коэффициент температуропроводности ( а) - служит мерой скорости, с которой пористая среда передает изменение температуры с одной точки в другую за единицу времени.
Для определения коэффициента мы собрали простую установку, штатив, держатель и термометр, держатель для образцов, лампа накаливания на 100 Вт, как источник нагрева.
2.1. Исследование теплопроводности газов.
Цель: Определение коэффициента температуропроводности газов.
Как известно, газы - плохие проводники тепла. Из-за большого расстояния между молекулами, энергия долго переходит от молекулы к молекуле, т.е время изменения температуры будет большим.
Условия эксперимента: мы взяли пробирку, снизу нагревали воздух в пробирке лампой накаливания, а термометром измерили температуру в пробирке. Начальная t термометра 20°C.
Температура около лампы 65°C.
|
Вещество |
t- время |
Изменение температуры ∆ t |
Коэффициент температуро проводности °C/ мин. |
|
Воздух |
5 мин |
3 °C |
0,6 |
|
10 мин |
10°C |
1 Среднее значение 0,8 |
Вывод: Воздух плохо проводит тепло, это доказывает вычисленный коэффициент температуропроводности = 0,8 °C/ мин.
Если мы оставляем небольшие промежутки воздуха между отделочными материалами стен, пола и т.д., то мы уменьшаем потери энергии.
2.2.Исследование теплопроводности жидкости.
Цель: Исследование теплопроводности различных жидкостей и определение их коэффициента температуропроводности.
Условия эксперимента: мы наливали воду, подсолнечное масло и спирт в пробирку, снизу нагревали лампой накаливания, а термометром измерили температуру в пробирке.
Внешние факторы, влияющие на данные эксперимента: температура окружающей среды.
Начальная t термометра 16°C, t около лампы 65°C.
|
Жидкости |
t-температура |
Изменение температуры |
t- время |
коэффициент температуро проводности °C/ мин. |
|
Вода |
30 °C 40 °C |
14 24 |
5 мин 10 мин |
2,8 2,4 Среднее 2,6 |
|
Спирт |
36°C 50°C |
20 34 |
5 мин 10 мин |
4 3,4 Среднее 3,7 |
|
Масло |
44°C 62°C |
28 46 |
5 мин 10 мин |
5,6 4,6 Среднее 5,1 |
Вывод: Вода обладает самой большой теплоёмкостью из данных жидкостей, т.е. затрачивает большую энергию при нагревании. Это объясняет результаты опыта: вода нагревается медленнее масла и спирта, поэтому её средний коэффициент температуропроводности наименьший и равен 2,6°C/ мин , у масла 3,7°C/ мин, у спирта 5,1°C/ мин.
Самым хорошим проводником тепла является спирт, имеющий наибольший коэффициент температуропроводности.
Вода является самым хорошим изолятором тепла.
-
-
Исследование теплопроводности твёрдых тел.
-
Воздух и вода плохо пропускают тепло, т.е. это хорошая теплозащита. Мы знаем примеры: озимые хлеба под снегом, шуба, многокамерные стеклопакеты окон и т.д. Но для теплоизоляции дома, квартиры используют твёрдые тела.
Именно твёрдые вещества – утеплители помогают сохранить тепло в доме.
2.3.1. Определение коэффициента температуропроводности различных видов стекла и других материалов.
Мы исследовали теплопроводность материалов, которые наиболее часто используются в строительстве.
|
Название |
Изменение температуры ∆ t |
Коэффициент температуро- проводности E=∆ t/ t (°C /мин) |
|||
|
5 мин |
10 мин |
Среднее значение |
|||
|
Простое стекло |
9 |
10 |
1,5 1 |
1,25 |
|
|
Оргстекло |
13 |
17 |
2,6 1,7 |
2,15 |
|
|
Оргстекло (зелёное) |
9 |
13 |
1,5 1,3 |
1,4 |
|
|
Оцинкованное железо |
5 |
10 |
1 1 |
1 |
|
|
Гипсокартон |
8 |
12 |
1,6 1,2 |
1,4 |
|
|
Ламинат |
7 |
10 |
1,4 1 |
1,2 |
|
Вывод: Самым низким коэффициентом температуропроводности из трёх видов стекла обладает, по нашим данным, простое стекло. Именно простое стекло используют в стеклопакетах для окон с целью теплоизоляции.
Популярные строительные материалы для отделки стен и пола – гипсокартон и ламинат имеют низкий коэффициент температуропроводности 1,4 °C/ мин и 1,2 °C/ мин, поэтому они неслучайно являются лидерами по теплоизоляции из всех исследуемых твёрдых материалов.
Оцинкованное железо , имеет коэффициентом температуропроводности = 1,0 , это говорит о том, что при покрытии крыш этим материалом мы значительно можем уменьшить потери тепла из дома.
2.3.2.Определение коэффициента температуропроводности различных строительных материалов.
Для выполнения этого исследования, мы отправились в магазин стройматериалов «Алекс-строй». Нам любезно предоставили образцы современных теплоизоляционных материалов: минеральная вата, стекловата, джутовое волокно, изолон, пеноплекс и джермафлекс.
Мы решили определить лучший изолятор тепла, соединяя эти образцы с гипсокартоном, который используют для выравнивания стен помещений. Соединяя гипсокартон с утеплителем можно получить эффективную теплозащиту своего дома.
Начальная t термометра=16°C, t около лампы =65°C.
|
Название |
Изменение температуры ∆ t |
Коэффициент температуро- проводности E=∆ t/ t (°C /мин) |
|||
|
5 мин |
10 мин |
Среднее значение |
|||
|
Гипсокартон |
8 °C |
12°C |
1,6 1,2 |
1,4 |
|
|
Гипсокартон + минеральная вата |
6 °C |
8°C |
1,2 0,8 |
1 |
|
|
Гипсокартон +стекловата |
7 °C |
8 |
1,4 0,8 |
1,1 |
|
|
Гипсокартон +джутовое полотно |
8 °C |
10 °C |
1,6 1 |
1,3 |
|
|
Гипсокартон + пеноплекс |
7 °C |
8 °C |
1,4 0,8 |
1,1 |
|
|
Гипсокартон + изолон |
7 °C |
9 °C |
1,4 0,9 |
1,15 |
|
|
Гипсокартон + джермафлекс |
7 °C |
10 °C |
1,4 1 |
1,2 |
|
Вывод: Из данных таблицы видно, что строительные утеплители существенно уменьшают коэффициент температуропроводности. Самый малый коэффициент температуропроводности 1,0 °C/ мин имеет сочетание гипсокартона с минеральной ватой или пеноплексом 1,1°C/ мин. Таким образом, самая эффективная теплозащита стен помещений будет изоляция с помощью мин.ваты или пеноплекса.
2.3.3.Определение наиболее выгодного теплоизолятора по цене за 1 кв.м.
|
Теплоизолятор |
Цена за 1 кв.м. |
Приемлемость цены |
|
Мин.вата |
||
|
Стекловата |
||
|
Джутовое волокно |
||
|
Пеноплекс |
||
|
Изолон |
||
|
Джермафлекс |
Вывод: Наиболее выгодным по цене является теплоизолятор - …., но с учётом эффективности теплоизоляции лучше выбирать …
:
3.Заключение.
Теплопроводность различных веществ – эта тема, которую мы изучаем в 8 классе, имеет важное практическое применение.
При огромных ценах на отопление каждый человек начинает задумываться о том, как сохранить тепло в доме.
Чтобы оценить уровень теплоизоляции материалов мы ввели новую величину - коэффициент температуропроводности, который вычисляли, измеряя время и температуру, секундомером и термометром.
Вычислив, коэффициент температуропроводности мы определили, что самые хорошие изоляторы тепла – это воздух и вода. Но для утепления домов используют твёрдые материалы. Современное производство предлагает многообразие утеплителей. Мы выбрали только частовстречающиеся теплоизоляторы в магазине стройматериалов «Алекс-строй». Из них мы определили , что самым лучшим изолятором тепла является гипсокартон и ламинат, и ещё лучше в сочетании с минеральной ватой, изолоном или пеноплексом.
Наша гипотеза о том, что лучшие теплоизоляторы имеют низкий коэффициент температуропроводности, подтвердилась.
Таким образом, актуальность темы сохранения тепла в доме привела нас к важным выводам, которые мы можем использовать в жизни . Мы убедились, что затраты на утеплители к строительным материалам окупаются в короткое время теплом и уютом в наших домах.
4.Список литературы.
-
https://ru.wikipedia.org/wiki/
-
www.rg.ru/2010/12/31/deti-inform-dok.htm
-
https://ru.wikipedia.org/wiki