VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Автоматическая форточка для теплицы
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В настоящее время в Самарской области жители всё чаще устанавливают на своих приусадебных участках теплицы. Теплицы защищают растения от холода ранней весной и обеспечивают благоприятные условия для роста растений. Однако дачники очень часто сталкиваются с проблемой перегрева в теплице.
Для предотвращения перегрева в теплицах устанавливают форточки, которые позволяют проветрить теплицу и снизить температуру воздуха [2]. За форточкой необходимо постоянно следить. Закрывать на ночь, чтобы не уходило тепло и открывать днем, когда ярко светит солнце. Но не у всех дачников есть возможность находиться около теплицы. Поэтому люди ищут способ автоматического управления форточкой.
В продаже существуют автоматические приводы для теплиц, которые могут открывать форточку при повышении температуры до определенного значения. Некоторые из них основаны на свойствах жидкости расширяться при нагревании, другие используют электромоторы для привода форточки в движение. Однако главным минусом этих приводов является их цена. Минимальная стоимость таких устройств от 2 000 рублей.
В данной работе мы рассмотрим устройство для автоматического открывания форточки теплицы, которое можно сделать из подручных материалов, создадим его модель и изучим принцип действия.
Цель работы: изучить явление расширения газов при нагревании и его практическое применение.
Задачи:
- изучить литературу на тему теплового расширения,
- создать модель теплицы для демонстрации работы устройства автоматического открывания форточки,
- проверить работоспособность устройства.
Объект исследования: автоматическая форточка для теплицы.
Предмет исследования: свойство газов расширяться при нагревании.
Рабочая гипотеза: выталкивание воды из одной емкости в другую расширяющимся воздухом может обеспечить открывание форточки.
Глава 1. Расширение газов при нагревании
История открытия явления
Тепловым расширениемназывается увеличение линейных размеров тела и его объема, происходящие при повышении температуры.
Рисунок 1 – Состояние молекул газа при низкой и высокой температуре [9].
Тепловое расширение газов сопровождается расширением их объема в пространстве (Рисунок 1). Данное явление было замечено учеными много столетий назад, но произвести математические расчеты получилось только у современных физиков.
Многие ученые в древности пытались измерить расширение воздуха, так как считали это несложной задачей, и получали совершенно разные результаты. А некоторые даже пришли к выводу, что расширение газов не зависит от изменения температуры.
Рисунок 2 – Демонстрация расширения газа при нагревании [9].
И только Джон Дальтон и Гей-Люссак [8], практически в одно и то же время независимо друг от друга смогли получить одинаковые результаты измерений.
Гей-Люссак изучил опыты получения большого количества разных результатов и пришел к выводу, что часто причиной этому была вода в используемых приборах. При нагревании вода превращалась в пар, что изменяло количество и состав исследуемых газов и приводило к большой погрешности измерений. При проведении своих экспериментов Гей-Люссак начал использовать тщательно высушенные инструменты, благодаря этому опыты получились более достоверные [5].
Джон Дальтон также высушивал воздух, используя для этого пары серной кислоты, а потом нагревал его. В результате многочисленных экспериментов Дальтон пришел к выводу, что все газы и пар расширяются на коэффициент 0,376. У Гей-Люссака коэффициент оказался равным 0,375, что стало официальным результатом исследования [3].
Некоторые ученые занимались исследованием зависимости теплового расширения газов от упругости, то есть способности газов возвращаться в исходный объем. В середине восемнадцатого века немецкий ученый Карл Циглер попытался выявить данную закономерность, но его попытки оказались безуспешными.
Более достоверные цифры получил шотландский инженер Джеймс Уатт, который использовал для высоких температур котел Папена, а для низких – барометр.
В конце 18 века французский физик Гаспар де Прони [4] попробовал вывести единую формулу, которая бы описывала упругость газов, но она получилась слишком громоздкой и сложной.
Джон Дальтон с помощью сифонного барометра перепроверил все расчеты предыдущих ученых и получил точные результаты измерений, которые ученый опубликовал в своем учебнике по физике в виде таблицы.
Закон Гей-Люссака о нагревании тел
Постепенно нагревая газ в колбе, можно установить, что при постоянном давлении изменение объёма данной массы газа прямо пропорционально изменению температуры [7]. Поэтому тепловое расширение газа так же, как и других тел, можно охарактеризовать при помощи коэффициента объёмного расширения.
Зависимость объема газа от температуры впервые была сформулирована в виде закона ученым по имени Жозеф Луи Гей-Люссак [8].
Французский учёный Гей-Люссак, исследуя на опыте тепловое расширение газов, открыл, что коэффициент объёмного расширения у всех газов при постоянном давлении одинаков и численно равен 1/273 град-1.
В этом отношении расширение газов при нагревании отличается от расширения твёрдых и жидких тел, где, коэффициент объёмного расширения зависит от химического состава тел.
Первый закон Гей-Люссака гласит: При постоянном давлении объем газа пропорционален абсолютной температуре газа [1].
Это можно представить в виде формулы: Vt=V0(1+βT1), где
Vt– объём газа при температуре t, м3
V0 – объём газа при температуре 0°С
t – температура, °С
β – коэффициент объемного расширения газа, 1/K.
Скалярная величина, измеряемая изменением единицы объема вещества, взятого при 0°С, от изменения его температуры на 1° С, называется коэффициентом объемного расширения β.
Глава 2. Конструирование автоматической форточки для теплицы
Принцип действия
Принцип действия устройства основан на свойстве газов расширяться при нагревании. Как и все тела, газы расширяются при нагревании, причем гораздо сильнее, чем твердые материалы и жидкости.
Рисунок 3 – Принципиальная схема автоматической форточки [6].
Закон Гей-Люссака о тепловом расширении тел лежит в основе принципа работы нашего устройства. Принципиальная схема была предложена на одном из форумов на просторах интернета [6]. Схема представлена на Рисунке 3.
Рассмотрим принцип действия. При повышении температуры воздуха в теплице также нагревается воздух в банке 9. Воздух расширяется и выталкивает воду со дна банки через трубку 8 в маленькую банку 2. Под действием силы тяжести воды, которая переливается в маленькую банку, форточка начинает открываться. При охлаждении воздуха в теплице вечером происходит обратный процесс. Вода из маленькой банки переливается в большую, и форточка закрывается.
Подробнее рассмотрим процесс вымещения воды из стеклянной банки под действием расширяющегося воздуха. Схематично этот процесс представлен на Рисунке 4.
Рисунок 4 – Процесс выталкивания воды из банки при нагревании.
Для проверки работы предложенной конструкции я решил собрать его уменьшенную модель, изображение которой представлено на Рисунке 5.
Рисунок 5 - Модель теплицы с автоматической форточкой.
Каркас сделан из деревянной рейки сечением 10х10 мм. В качестве трубки использующейся для соединения емкостей применена трубка от медицинской системы, а в качестве емкостей используются обычные пластиковые бутылки. Форточка вращается на оси из двух гвоздиков.
Описание процесса настройки элементов конструкции для открывания при определенной температуре.
В процессе сборки конструкции выяснилось, что небольшой размер форточки не позволяет разместить маленькую бутылку на ней, так как показано на Рисунке 3. Поэтому было решено передавать усилие от бутылки на форточку через толстую нитку, пропущенную через ролик. В качестве ролика использовано колесо от игрушечной машины.
Форточка начинает открываться при определенном уровне воды в маленькой бутылке. А уровень воды, в свою очередь, зависит от температуры в теплице. Чтобы настроить систему на открытие форточки при достижении комнатной температуры (около 25°С), я сначала налил минимальное количество воды в маленькую бутылку, а большую бутылку наполнил на четверть. Затем нагрел большую бутылку, чтобы трубка полностью заполнилась водой. После того, как все элементы снова остынут до комнатной температуры, необходимо добавить в маленькую бутылку воды до того уровня, при которой форточка начнет открываться. Настройка завершена.
Таким образом, добавляя воду в маленькую бутылку, мы понижаем температуру открывания форточки, а отливая воду – увеличиваем. Это позволяет без труда настроить систему на любую необходимую температуру.
Заключение
Собранная модель работает и способна открывать форточку при определенной температуре.
Существует возможность настройки температуры, при которой открывается форточка. Это позволит обеспечить оптимальный температурный режим для любого растения.
Себестоимость устройства крайне мала и не превышает 100 рублей, что в десятки раз меньше продающихся аналогов. Это позволяет любому дачнику организовать автоматическое регулирование температуры в теплице и значительно увеличить урожайность выращиваемых культур.
Одним из недостатков устройства является его зависимость от ветра. При использовании устройства в реальных условиях необходимо предусмотреть меры защиты форточки от воздействия ветра.
В дальнейшем планируется изучить способы управления другими важными параметрами микроклимата теплицы для создания оптимальных условий выращивания. К таким параметрам можно отнести освещенность, влажность воздуха, периодичность и интенсивность полива.
Цель работы достигнута. Рабочая гипотеза подтвердилась.
Список литературы
Араго Ф. Биографии знаменитых астрономов, физиков и геометров. / Пер. с франц. — Т. 2. — СПб., 1860.
Белоконь Н.И. Основные принципы термодинамики. – Недра, 1968.
Качур Е. Увлекательная физика, Манн, Иванов и Фербер, 2013
Курдюмов Н.И. Умная теплица, – Рипол Классик, 2013.
Храмов Ю. А. Гей-Люссак Жозеф Луи (Gay-Lussac Joseph Louis) // Физики: Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера. — Изд. 2-е, испр. и дополн. — М.: Наука, 1983.
https://parnik-teplitsa.ru/avtomaticheskoe-otkryvanie-fortochek-v-teplice-170
https://ru.wikipedia.org/wiki/Закон_Гей-Люссака
https://ru.wikipedia.org/wiki/Гей-Люссак,_Жозеф_Луи
http://fb.ru/article/301848/teplovoe-rasshirenie-tverdyih-tel-i-jidkostey