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
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
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 ⁰С |
70 |
69 |
68 |
67 |
66 |
65 |
64 |
63 |
62 |
|
t воды-t окружающей среды, ⁰С |
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 ⁰С |
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 ⁰С |
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 ⁰С |
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 ⁰С |
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.