Исследование зависимости мощности тепловых потерь воды в открытом калориметре от разницы температур воды и окружающей среды

VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Исследование зависимости мощности тепловых потерь воды в открытом калориметре от разницы температур воды и окружающей среды

Стоноженко  В.Л. 1
1МОУ СОШ №4 г. Фрязино с УИОП
Пещеркина  В.В. 1
1МОУ СОШ №4 г. Фрязино с УИОП
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение.

При выполнении лабораторной работы №1 «Сравнение количеств теплоты при смешивании воды разной температуры» я получил, что кол-во теплоты, отданное горячей водой, превосходит кол-во теплоты, полученное холодной водой. Очевидно, что часть энергии за счёт теплопередачи и при испарении ушла в окружающую среду.

Вода, нагретая до определенной температуры, излучает тепловую энергию в инфракрасном диапазоне спектра электромагнитных волн и передаёт эту энергию посредством лучистого теплообмена окружающим телам. Передача энергии происходит от воды и калориметра с более высокой температурой к телам с более низкой температурой. Часть энергии уходит за счёт теплопроводности при непосредственном контакте молекул воды с молекулами воздуха и при испарении.

Автор экспериментально исследовал зависимость мощности тепловых потерь воды в открытом калориметре от разницы температур воды и окружающей среды и предложил метод расчёта поправки в виде Q отданного в окружающую среду, что позволяет с большей точностью проверить закон сохранения для калориметров любых видов.

2. Основная часть.

2.1 Описание методики и технологии исследования.

Оборудование: сосуд с водой, кипятильник, калориметр, термометр, электронный секундомер.

Цель работы:

получить зависимость мощности тепловых потерь от разницы температур воды и окружающей среды с целью использования этих данных в лабораторной работе №1 в 8 классе по теме «Сравнение кол-во теплоты при смешивание воды разной температуры».

1. В калориметр, состоящий из двух стаканов (алюминиевого и пластмассового), налили 200 граммов воды, нагретой с помощью кипятильника до 75⁰С.
2. В калориметр поместили термометр, подождали некоторое время.
3. При показании термометром температуры 70⁰С включили секундомер.
4. Измерили температуру окружающей среды ť=26⁰С.
5. Показания термометра записывали каждый раз при уменьшении температуры воды на 1⁰С.
6. Показания термометра и секундомера внесли в таблицу.

7. При остывании воды на 1⁰С в окружающую среду уходит количество теплоты ΔQ = cm Δt = 4200 ДЖ/кг⁰С *0,2 кг*1⁰С =840 Дж. По мере остывания воды увеличиваются временные интервалы, за которые происходит передача количества теплоты ΔQ в окружающую среду. По мере остывания воды , то есть с уменьшением разности температур воды и окружающей среды , уменьшается мощность тепловых потерь Р в окружающую среду , то есть количество теплоты , теряемое водой ежесекундно P= ΔQ / Δ τ , где Δ τ- временной интервал , за который вода остывает на 1⁰С. Р1 =840Дж /(3-0)c =280 Вт.P2=840Дж /(58-3)c.

2.2 Представление результатов исследования в виде таблицы.

Время в

секундах, τ с

0

20

60

115

160

210

263

315

369

t воды С

70

69

68

67

66

65

64

63

62

t воды-t окружающей среды, С

44

43

42

41

40

39

38

37

36

Δ τ, с

 

20

40

55

45

50

53

52

54

Р, мощность тепловых потерь, Вт

 

42

21

15,3

18,7

16,8

15,8

16,2

15,6

Время в

секундах, τ с

425

479

540

607

675

748

820

900

980

t воды

61

60

59

58

57

56

55

54

53

t воды-t окружающей среды С

35

34

33

32

31

29

28

27

26

Δ τ, с

56

54

61

67

68

73

72

80

80

Р, мощность тепловых потерь, Вт

15

15,6

13,8

12,5

12,4

11,5

11,7

10,5

10,5

Время в секундах, τ с

1062

1150

1240

1338

1440

1550

1675

1800

1940

t воды

52

51

50

49

48

47

46

45

44

t воды-t окружающей среды С

25

24

23

22

21

19

18

17

16

Δ τ, с

82

88

90

98

102

110

125

125

140

Р, мощность тепловых потерь, Вт

10,2

9,55

9,33

8,57

8,24

7,64

6,72

6,72

6

Время в

секундах, τ с

2090

2245

2415

2600

2850

3120

3450

3850

4350

t воды

43

42

41

40

39

38

37

36

35

t воды-t окружающей среды С

15

14

13

12

10

9

8

7

6

Δ τ, с

150

155

170

185

250

270

330

400

500

Р, мощность тепловых потерь, Вт

5,6

5,42

4,94

4,54

3,36

3,11

2,55

2,1

1,68

Время в

секундах, τ с

4850

5500

6400

t воды

34

33

32

t воды-t окружающей среды С

5

4

3

Δ τ, с

500

650

900

Р, мощность тепловых потерь, Вт

1,68

1,29

0,93

2.3 Представление результатов исследования в виде графиков.

График №1 зависимости разницы температур воды и окружающей среды(t воды – t окружающей среды) от времени τ

График №2 зависимости мощности тепловых потерь воды от разности температур воды и окружающей среды.

График свидетельствует о том, что по мере остывания воды, то есть с уменьшением разности температур воды и окружающей среды, уменьшается мощность тепловых потерь Р в окружающую среду.

2.4 Практическое применение результатов экспериментальных исследований.

Полученные экспериментальные данные являются универсальными, их можно использовать учащимися 8 –х классов при выполнении лабораторной работы №1 «Сравнение количеств теплоты при смешивании воды разной температуры» при различных комнатных температурах для внесения поправки при проверке закона сохранения энергии.

Покажу на примере своей работы. Я смешивал массу m=100 г горячей воды при температуре tг=68⁰С и m=100 г холодной воды при температуре tх=20⁰С.

Состояние теплового равновесия наступило через время Δ τ = 60 сек. Температура смеси в состоянии теплового равновесия tр=43⁰С, tокружающей среды = 11⁰С.

tр – tокр = 43 – 11 = 32⁰С.

Лабораторную работу проводили в лаборантской комнате, предварительно проветрив её и охладив до tокр=11⁰С.

По графику найдём Р=14 Вт мощность тепловых потерь, соответствующую данной разнице температур.

Qотданное горячей водой = cm(tг – tр )= 4200ДЖ/кг⁰С*0,1кг*25⁰С=10500 ДЖ

Qпринятое холодной водой = cm(tр - tх)= 4200ДЖ/кг⁰С*0,1кг*23⁰С= 9660 ДЖ

Qотданное в окружающую среду = Р* Δ τ = 14Вт*60 сек = 840Дж

Qотданное горячей водой / (Qпринятое холодной водой + Qотданное в окружающую среду) = 10500Дж / (9660Дж+840Дж) = 1

Для подтверждения универсальности графика я повторно выполнил лабораторную работу в кабинете, по-прежнему смешав массу m=100 г горячей воды при температуре tг=65⁰С и m=100 г холодной воды при температуре tх=20⁰С.

Состояние теплового равновесия наступило через время Δ τ = 60 сек. Температура смеси в состоянии теплового равновесия tр=42⁰С, tокружающей среды = 25 ⁰С.

tр – tокр = 42 ⁰С– 25 ⁰С = 17⁰С.

По графику найдём Р= 7 Вт мощность тепловых потерь, соответствующую данной разнице температур.

Qотданное горячей водой = cm(tг – tр )= 4200ДЖ/кг⁰С*0,1кг*23⁰С=9660 ДЖ

Qпринятое холодной водой = cm(tр - tх)= 4200ДЖ/кг⁰С*0,1кг*22⁰С= 9240 ДЖ

Q отданное в окружающую среду = Р* Δ τ =
7 Вт*60 сек = 420 Дж

Qотданное горячей водой / (Qпринятое холодной водой + Qотданное в окружающую среду) = 9660 Дж / (9240Дж+420Дж) = 1

Таким образом, внесённая поправка в виде Q отданное в окружающую среду позволила с большей точностью проверить закон сохранения энергии при смешивании воды разной температуры.

Пренебрегая малым сдвигом по оси абсцисс, будем считать, что полученная зависимость представлена графиком функции

P тепловых потерь = K × (t воды в калориметре – t окр. среды)

K= (P тепловых потерь): (t воды в калориметре – t окр. среды) = tan α = 10Вт/25ºC= 0,4 Вт/ ºC

Для открытого школьного калориметра с 200 г воды K=0,4 Вт/ ºC

Вода, нагретая до определенной температуры, излучает тепловую энергию в инфракрасном диапазоне спектра электромагнитных волн и передаёт эту энергию посредством лучистого теплообмена окружающим телам. Передача энергии происходит от воды и калориметра с более высокой температурой к телам с более низкой температурой. Часть энергии уходит за счёт теплопроводности при непосредственном контакте молекул воды с молекулами воздуха и при испарении. Для различных калориметров коэффициенты пропорциональности К, равные отношению мощности тепловых потерь к разнице температур воды и окружающей среды, различны.

3. Заключение.

3.1В научно - исследовательской работе автор исследовал зависимость мощности тепловых потерь воды в открытом калориметре от разницы температур воды и окружающей среды.

3.2 Автор предложил метод расчёта поправки в виде Q отданного в окружающую среду, что позволяет с большей точностью проверить закон сохранения энергии при смешивании воды разной температуры.

Q отданное в окружающую среду = Р* Δ τ

Δ τ = 60 с ( время установления теплового баланса)

P тепловых потерь = K × (t воды в калориметре – t окр. среды)

Для открытого школьного калориметра с 200 г воды K=0,4 Вт/ ºC

3.3 Разработанная методика позволит рассчитать коэффициенты для калориметров любых видов и рассчитать мощность тепловых потерь при выполнении лабораторных работ.

4. Список использованных источников и литературы.

1. Г.Я.Мякишев, А.З.Синяков Физика.10 класс. Молекулярная физика.Термодинамика
Учебник для углублённого изучения физики, Москва, Дрофа 2004 – 352стр.

2. А.В.Пёрышкин Физика.8кл.: Учебник для общеобразовательных учреждений, Москва, Дрофа 2004 – 192стр. 

Просмотров работы: 43