Физическая тайна кольца настроения

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Бабушкина Д.А. 1

---

1муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Гимназия № 127 имени академика Е.Н. Аврорина» (МБОУ «Гимназия № 127»)

Капралов А.И. 1

---

1муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Гимназия № 127 имени академика Е.Н. Аврорина» (МБОУ «Гимназия № 127»)

Работа в формате PDF

8.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Во время экскурсии по городу Пенза, после выступления на конференции, в сувенирном магазинчике я купила, так называемое, «кольцо настроения» или кольцо-хамелеон. Меня заинтересовало, правда ли цвет кольца является показателем настроения, как утверждает реклама.

Мне захотелось узнать - в чём заключается секрет удивительного кольца? Можно ли объяснить цветовое изменение с точки зрения науки или верно утверждение, что цвет кольца зависит от настроения?

Цель работы:

Исследовать связь изменения цвета кольца от внешних факторов.

Для достижения цели, были поставлены задачи:

изучить литературу, историю и принцип действия «кольца настроения», а также современные области применения термохрома;

провести наблюдения за изменением цвета кольца при изменении температуры;

разработать свои варианты применения термохромного покрытия.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1 Что такое кольцо настроения?

Идея использовать термочувствительные элементы в украшениях впервые возникла у американского ювелира Марвина Уэрника в 1974 году после прочтения журнальной статьи о применении жидкокристаллических элементов в медицинских термометрах. Он нашёл элемент, который менял окраску от чёрного до зелёного, голубого и синего в диапазоне 32-38°C и в январе 1975 года разработал технику использования его в кулонах и кольцах (рисунок 1). Людям нравится волшебство и Уэрник назвал украшения «волшебными», и его рекламные материалы утверждали, что цвет кулона или кольца является показателем теплоты характера носителя. Вскоре появился термин moodring («кольцо настроения»). Но до конца природа т ермочувствительных (термохромных) красок не раскрыта.

Рисунок 1 – Кольца настроения

История термочувствительных красок прослеживается с XV века. Ее начало связано с именем легендарного врача и алхимика Парацельса. История гласит, что однажды он решил испробовать ремесло художника. Картина, вышедшая из-под кисти Парацельса, будто бы обладала «дьявольским» свойством: пока она висела в тёплом помещении, на ней был запечатлен летний пейзаж  деревья и луга в зеленом убранстве. Стоило же вынести пейзаж на холод, как он преображался – на смену лету приходила зима…

Существует множество цветов термохрома и температурных режимов, при которых термохром меняет цвет. При комбинации разных термохромных пигментов цвет смеси может меняться несколько раз при различных температурах, создавая цветовой эффект термометра. Термохромный пигмент – это порошок шарообразной формы, средний размер которых составляет 3-10 мкм.

Разделяют три вида красителей с различным эффектом. В одних бесцветный цвет от нагревания переходит в цветной, а затем (когда остынет) снова становится прозрачным. В других цветной порошок становится бесцветным и вновь цветным. Третий вид порошка меняет цвет на какой-либо другой.

Цвет красителя меняется в зависимости от температуры с шагом около 5°С в диапазоне от -5°С до 70°С. Основные цвета пигмента: розовый, красный, чёрный, зелёный, синий, голубой, тёмно-синий, жёлтый, оранжевый, фиолетовый. Термохромный пигмент легко растворяется в воде, прекрасно подходит для водо-основных покрытий и красок.

2 Исследование зависимости цвета кольца от настроения

Я решила проверить действительно ли кольцо меняет свой цвет в зависимости от настроения? Нам необходимы разные кольца для моих родных и близких (рисунок 2).

Рисунок 2 – Набор колец

В течение недели мои близкие ходили с кольцами и наблюдали за изменением цвета кольца в зависимости от своего настроения. Но опыт показал, что зависимости цвета от настроения не наблюдалось, например  мама огорчалась, но цвет кольца при этом оставался синим, что соответствовало хорошему настроению. Чаще всего, присутствовали оттенки сине-зелёного цвета (рисунок 3).

Рисунок 3 – Цвета колец настроения

3 Исследование зависимости цвета кольца от температуры

Я узнала, что «кольцо настроения»кольцо, которое содержит термочувствительный элемент, например жидкий кристалл. Цвет элемента меняется в зависимости от температуры пальца того, кто носит кольцо. А что такое температура? Температура – это физическая величина, для определения которой используется какое-либо термодинамическое свойство вещества, поддающееся измерению, в нашем случае, это – цвет [2].

Получается, что никакого волшебства нет и цвет меняется в зависимости от температуры. Чтобы подтвердить эту гипотезу, был проведён следующий эксперимент. Для этого мне понадобилось:

десятьпластиковых прозрачных стаканчиков;

термощупТР-101;

«кольца настроения»;

вода разной температуры.

В стаканчики наливаем воду, потом добавляем в стаканчики кипяток, опускаем кольцо, измеряем термощупом температуру и наблюдаем за цветом кольца (приложение 1). Результаты эксперимента приведены в таблице 1.

Таблица 1

Для определения реакции кольца на минусовую температуру решено было кольцо поместить на кусочек льда. Мы увидели, что кольцо стало чёрным (рисунок 4).

Рисунок 4

Когда положили кольцо на подоконник в момент, когда светило солнце  кольцо нагрелось  и начало менять цвет само по себе! Проведённые эксперименты доказали, что цвет кольца зависит от температуры.

Тайна кольца раскрыта – изменение цвета происходит не от настроения, а от температуры, но моё исследование на этом не закончилось.

4 Измерение массы колец

Была измерена масса колец (приложение 2), результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Размеры и масса колец

5 Исследование теплоёмкости

Следующий этап исследования – определение удельной теплоёмкости кольца.

Как известно теплоёмкость удельная – физическая величина, определяемая количеством теплоты, необходимым для нагревания 1 кг вещества на 1 градус

где – удельная теплоёмкость; – количество теплоты, полученное веществом при нагреве; – масса нагреваемого вещества; – разность конечной () и начальной () температур вещества [6].

Рассмотрим довольно простую методику определения удельной теплоёмкости тела при теплообмене с водой.

В соответствии с методикой нам понадобятся следующие приборы и материалы: нитка, секундомер, термос, стакан с холодной водой, термометр, электронные весы высокого класса точности, стакан с горячей водой.

Порядок выполнения работы (приложение 3):

Определяем массу кольца .

Отмеряем объём воды весом 100 г комнатной температуры.

Наливаем воду в термос и измеряем температуру воды в термосе ().

Привязываем к кольцу нитку и опускаем в стакан с горячей водой.

Вставляем в стакан с кольцом термометр. Выждав одну минуту, измеряем температуру горячей воды с кольцом ().

Переносим нагретое кольцо в термос с холодной водой.

Вставляем в термос с кольцом термометр. Дожидаемся остановки повышения температуры. Фиксируем полученное значение ().

В соответствии с законом сохранения энергии, тепло, полученное от нагретого кольца примерно равна теплу, отданному кольцом:

где – удельная теплоёмкость воды, Дж/кгК; и – начальная температура воды и кольца соответственно; и – соответственно конечная температура воды и кольца.

Из (2) получаем формулу для расчёта удельной теплоёмкости кольца

Результаты измерений сведены в таблицу 3.

Таблица 3 – Результаты измерений

Подставив значения таблицы 3 в формулу (3) получаем, что теплоемкость кольца кДж. Согласно справочнику по физике полученное значение соответствует материалу сталь [6].

6 Термохромное покрытие

Для проведения дальнейшего исследования, был приобретён термохромный пигмент. Термохром – это пигментный краситель, который меняет цвет при перемене температуры. Порошок термохрома был куплен на сайте алиэкспресс, стоимость порядка 700 рублей за 10 г порошка.

Термохромные пигменты можно смешивать с различными растворами, например, красками на масляной, резиновой или акриловой основе. Также, что особенно важно, термохромный пигмент безопасен для здоровья человека.

Для проведения эксперимента использовали термохром бирюзового цвета, он становится прозрачным при достижении температуры 31С. После смешивания с материалом-основой, которая позволит закрепить пигмент на поверхностях, мы получим термохромное покрытие.

6.1 Изготовление термохромного покрытия

Порядок выполнения работы (приложение 4):

1 Взвешиваем количество необходимых веществ на весах (4 г акриловой краски + 0,5 г термохрома).

2 В стаканчик добавляем акриловую краску жёлтого цвета.

3 Высыпаем порошок.

4 Перемешиваем деревянной лопаткой. Термохромная краска готова.

Таким образом, смешав бирюзовый пигмент с жёлтой краской, мы получили зелёный (салатовый) цвет.

Приготовленное термохромное покрытие нанесли на:

этикетку бутылочки для воды (рисунок 5);

пряди волос куклы. (рисунок 5).

При нанесении покрытия нужно соблюдать правила техники безопасности. Нанесение термохромного покрытия на поверхность ничем не отличается от покрытия обычной краской.

Проверяем действие термохрома, для этого подержим несколько секунд в руке бутылочку и прядь волос. На фотографии видно, термохромная краска становится жёлтой при температуре выше 31С. Бирюзовый пигмент при этой температуре обесцвечивается, и жёлтая краска проявляется. Но, при температуре ниже 31С, цвет снова проявляется.

Однако, водорастворимое покрытие быстро изнашивается, т.к. на него попадает вода из воздуха и другим способом.

Рисунок 5

6.2 Изготовление водостойкого термохромного покрытия

Порядок выполнения работы (приложение 5):

Попробуем изготовить водостойкое термохромное покрытие, которое будет более прочным и долговечным.

1 Взвешиваем количество необходимых веществ на весах (3,32 г эпоксидной смолы + 0,1 г отвердителя + 0,6 г термохрома).

2 Добавляем все ингредиенты в стаканчик, перемешиваем деревянной лопаткой.

Термохромное покрытие готово.

Приготовленное водостойкое термохромное покрытие нанесли на: дерево; металл; стекло (зеркало); бумага (картон); ткань; пластик (рисунок 7).

Рисунок 7

Таким способом можно исследовать теплопроводные свойства вещества и его теплоёмкость.

Проверяем действие термохрома, для этого подержим несколько секунд в тёплой воде (температура ≤30С) испытуемые образцы, на фотографиях видно, термохромное покрытие становится бесцветным (прозрачно-белым) в тех местах где тело нагрелось до температуры 31С (приложение 6).

Данный эксперимент показал, что все образцы подвержены термохромному воздействию, изменение цвета происходит на всех материалах, время перехода у всех образцов одинаково. При комнатной температуре окрашенная поверхность имеет цвет термохромного пигмента (бирюзовый).

Для получения термохромного покрытия, предлагаются следующие пропорции смешивания: 75-80% основы +20-25% пигмента, или 4 порции основы + 1 порция термохрома. Пропорции можно немного варьировать, в зависимости от цели применения, толщины слоя, и желаемой насыщенности цвета. 20 мл термохромного покрытия хватит на закраску приблизительно 0,26 квадратных метра в зависимости от концентрации смеси [5]. Получается, использование данного покрытия экономически выгодно.

7 Определение теплопроводности

Теплопроводность – это передача тепла от одной части тела к другой. Это происходит из-за того, что молекулы, обладающие большей энергией, передают часть своей энергии соседним молекулам. В результате все тело мгновенно нагревается. Одной из важных характеристик является тепловая инерционность – способность менять свою температуру под действием окружающей температуры не мгновенно, а за некоторый промежуток времени. Инерционность – свойство всех реальных физических тел [2].

Для проведения эксперимента нам понадобится (приложение 7):

металлический цилиндр диаметром 12 мм и высотой 400 мм;

источник тепла (свеча);

секундомер.

Таблица 4

Длина, см	Время
5	44 сек
10	3 мин 25 сек
15	19 мин 33 сек
20	1 ч 8 мин 20 сек

На полую стальную палочку круглого сечения нанесли риски на расстоянии 5 см друг от друга. Нагреваем один конец цилиндра и засекаем время, за которое цвет риски изменится (станет бесцветным). Результаты представлены в таблице 4.

8 Практическое применение

Уникальный и интересный материал – термохромный пигмент в рекордно короткие сроки занял первые позиции среди специальных декоративных пигментов и для измерений температуры элементов и деталей в радиоэлектронной аппаратуре. Все термометры требуют физического контакта с объектом. А как поступить, если нужно измерить температуру на расстоянии? Часто для решения многих задач нужно лишь знать, достигла температура заданного значения или нет. Например, обжигая кирпичи в печи или стерилизуя медицинские инструменты нужно убедиться, что объект прогрелся до определённой температуры [4].

Мы не один раз сталкивались с этим явлением прямо у себя дома. Самый распространённый пример – глажка одежды утюгом. Все обращали внимание, как цветная ткань меняет свой цвет, особенно хорошо это заметно, если ткань увлажнить. Когда глаженые изделия остывают, они свой первоначальный цвет восстанавливают.

Такой интересный эффект не мог остаться незамеченным химиками-колористами, которые первыми предложили использовать термохромные пигменты в самых различных сферах. Человек по своей природе существо пытливое и любопытное, ему всегда интересно все новое и необычное. Этим и объясняется популярность представленного красителя – возможность привнести в обыденную жизнь нечто оригинальное и удивительное.

8.1 Сферы применения

Современная техника требует получения возможно большей информации об условиях работы тех или иных механизмов и деталей для создания надежных и долговечных конструкций.

8.1.1 Покрытие для авто

Термохромная краска – это находка для тех, кто любит экспериментировать и подходить творчески к уходу за автомобилем. Автомобиль, для дизайна которого использовались термочувствительные краски, просто не сможет остаться незамеченным в потоке остальных машин!

Термохромный материал может быть не только изюминкой декора, но и иметь немаловажную практическую функцию: если при нагреве покрытие автомобиля станет приобретать белый цвет или другой светлый оттенок, то в жаркую погоду кузов сможет отражать солнечные лучи и поверхность автомобиля будет меньше перегреваться.

8.1.2 Одежда

В текстильной промышленности также можно применять составы, изменяющие цвет в зависимости от температуры. Так, однотонная футболка, надетая на тело, может удивить проявившимся модным принтом, а на джинсах проступит стильный узор. Или платье, которое меняет свой цвет под воздействием солнечных лучей!

8.1.3 Сувениры и элементы декора

В этой отрасли открыт необычайно широкий простор для применения термохромных материалов: ёлочные игрушки и гирлянды, прочая праздничная атрибутика, оригинальные светильники и подсвечники, брелоки для ключей, подарочные канцелярские принадлежности и прочее. Замечательно то, что множество вещей можно сделать и покрасить собственноручно, например, нарисовать картину или создать панно с «секретом».

8.1.4 Печатная продукция

Визитки, «оживающие» от прикосновения тёплых рук, рекламные буклеты или журналы, продвигающие парфюм (потрите страничку!), детские книги с картинками, открытки – всё это может производиться с использованием теплочувствительных составов.

8.1.5 Посуда

Кружки и бутылки для горячих и холодных напитков из стекла или керамики. Положив такую бутылку в холодильник, очень легко, не дотрагиваясь до нее, по цвету, определить на сколько она охладилась и готова к употреблению. А также - соломинки и мешалки для напитков, ложечки для кормления и мороженого, пластиковые стаканчики.

Детская посуда, подающая визуальный сигнал при слишком горячей каше или молоке – полезная вещь в обиходе молодых мам. В данном случае эффект изменения цвета выполняет не только декоративную, но и предупреждающую функцию.

Термохромы безопасны и соответствуют требованиям и нормам, установленным в отношении производства детских игрушек и упаковки для еды. Покрытия нетоксичны и устойчивы к воздействию моющих средств.

8.1.6 Гибкий термометр

Термометр представляет из себя полоску пленки с нанесенной шкалой в градусах Цельсия и Фаренгейта. Температура на термометреотображается за счет подсвечивания той цифры, которая соответствует температуре. Т.е. изначально, фон возле всех цифр в термометре является черным, но если термометр имеет температуру в диапазоне от 16 и до 38С, то соответствующая цифра на термометре подсвечивается. Вернее, не сама цифра, а её фон меняет цвет с черного на зеленый или голубой. Такие термометры занимают мало места, дёшевы, имеют малую массу, безопасны.

8.1.7 Окрашивание волос

Окрашивание волос – один из самых популярных способов изменения имиджа. С помощью термохромной краски для волос можно кардинально изменить цвет волос просто выйдя на улицу (солнечное тепло).

И это только очень небольшая область применения термохромных пигментов. На самом деле использовать их можно практически везде. Например, одна немецкая фирма выпускала зонтики с термохромной печатью. Во время дождя нанесённый рисунок полностью менял цвет, что приводило в восторг владельцев таких необычных атрибутов.

Термохром можно использовать при нанесении на надписи «Внимание», «Перегрев», при безопасной температуре эти надписи не видны. При повышении температуры надпись выступает, сигнализируя о неполадке и необходимости принятия соответствующих мер.

8.2 Самостоятельное изготовление

В целом, найти оригинальное применение этих необычных материалов в быту каждый может и самостоятельно, проявив фантазию и приложив немного усилий.

Например, я изготовила такие вещи:

8.2.1 Кофейная кружка

Если на поверхность кружки нанести термохромное покрытие, при попадании в нее горячего напитка мы увидим, как проступает рисунок (рисунок 8).

Рисунок 8

8.2.2Чехол для телефона

Необходимым элементом повседневной жизни любого современного человека является, конечно же, телефон. И каждый обладатель телефона старается сохранить его привлекательный вид за счёт использования различных телефонных чехлов. Я предлагаю создать чехол, который чувствителен к теплу. Всем известно, что при долгой работе телефон может сильно нагреваться, что отрицательно сказывается на его работоспособности, используя термохромный чехол можно увидеть критический нагрев телефона, что продлит срок службы любимого гаджета (рисунок 9).

Рисунок 9

8.2.3 Упаковка детского творожка

На упаковке большинства товаров – пищевых продуктов, лекарственных препаратов и т.д. – указывается температурный режим хранения. Однако, для контроля температуры этой информации недостаточно, нужен ещё и градусник. Особенно это актуально, когда мы имеем дело с продуктами, ощущение качества и вкуса которых зависит от температуры. Определить температуру в любой момент, безо всяких подручных средств поможет индикатор температуры, размещённый непосредственно на упаковке. Такой градусник не занимает дополнительного места, не влияет на массу упаковки и никогда не разобьется. Он просто «нарисован» на этикетке (рисунок 9).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Как оказалось, особой тайны в способности кольца менять цвет нет. Нехитрый секрет кроется в жидких кристаллах, применяемых при его создании. Они уже давно используются в медицинской и бытовой технике.

В данной работе проведено исследование зависимости цвета кольца от температуры. Изготовлено термохромное покрытие, предложено улучшенное водостойкое покрытие. Выбраны оптимальные пропорции приготовления смеси: 4 порции основы + 1 порция термохрома. Раскрыты области применения термохрома, предложены собственные варианты применения термохрома, проведены исследования на теплопроводность.

В результате проведённого исследования установлено, что температура перехода термочувствительного покрытия не зависит от материала, на который она наносится.

Таким образом, проведённое исследование решило поставленные задачи и достигло своей цели.Моя работа представляет большой интерес для окружающих, любой желающий может самостоятельно изготовить термохромное покрытие, это не требует больших затрат.

Я предлагаю введение массового использования термохромных покрытий: на упаковках продуктов питания, сотовых телефонов и др., т.к. максимум информации мы получаем визуально, т.е. при помощи глаз. Своё исследование я продолжу после получения необходимых знаний в области физики и химии.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

1 Википедия – свободная энциклопедия [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/

2 Б.Г. Абрамович, Термоиндикаторы и их применение [Текст] - Энергия, Москва, 1972 г. – 223 стр.

3 Б.Г. Абрамович, В.Ф. Картавцев, Цветовые индикаторы температуры [Текст] – M.: «Энергия», 1978 г. – 216 стр.

4 От термоскопа Галилея к оптоволокну или чем и как измерять температуру // Журнал «Наука и жизнь» - 2016, №5., С. 81-87.

5 Термохромная краска, [Электронный ресурс]. – Режим доступа:

http://lkmprom.ru/clauses/materialy/termokhromnaya-kraska/

6 Кухлинг Х. Справочник по физике [Текст] – М.: Мир, 1985 – 520 стр.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Зависимость цвета кольца от температуры

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Измерение массы кольца

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Теплоёмкость

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Изготовление термохромного покрытия

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

Изготовление водостойкого термохромного покрытия

ПРИЛОЖЕНИЕ 6

Проверка действия термохрома на разных материалах

Пластик прозрачный

Пластик цветной

Металл

Стекло

Дерево

Ткань

Бумага

ПРИЛОЖЕНИЕ 7

Т еплопроводность