Проектная работа "Исследование зависимости скорости остывания жидкости от формы, размера и цвета сосуда"

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

«Верхне-Матигорская средняя школа»

Школьные Ломоносовские чтения

Исследовательская работа на тему

«Исследование влияния формы, размера и цвета сосуда на скорость остывания воды»

Подготовила ученица 8Б класса

Прокопьева Юлия

Руководитель: учитель физики

Короткая Ксения Алексеевна

2020 год

Оглавление

Введение…………………………………………………………………….3

1 Способы тепловой потери………………….……………………………4

1.1 Теплопроводность……………………………………………….4

1.2 Конвекция………………………………………………………..4

1.3 Излучение………………………………………………………...5

1.4 Испарение………………………………………………………...5

2 Исследование зависимости скорости остывания воды………………...7

2.1 Исследование зависимости скорости остывания воды от размера сосуда……………………………………………………………...8

2.2 Исследование зависимости скорости остывания воды от формы сосуда……………………………………………………………….9

2.3 Исследование зависимости скорости остывания воды от цвета сосуда………………….…………………………………………………...10

Заключение………………………………………………………………..12

Список использованных источников……………………………………13

Приложение 1……………………………………………………………..14

Приложение 2……………………………………………………………..15

Приложение 3……………………………………………………………..16

Введение

Бывают такие случаи, когда нальешь себе чай, сядешь за компьютер, отвлечешься на минуту, а чай уже остыл. На уроках физики мы проходили различные способы тепловых потерь, и мне стало интересно, будут ли зависеть эти потери от различных факторов, и можно ли подобрать идеальную кружку для чая?

Цель: Исследовать зависимость скорости остывания воды от различных факторов.

Задачи:

1. Изучить возможные способы тепловых потерь в жидкости.

2. Исследовать зависимость скорости остывания воды от размера сосуда.

3. Исследовать зависимость скорости остывания воды от формы сосуда.

4. Исследовать зависимость скорости остывания воды от цвета сосуда.

5. Сделать вывод о том, в каком из сосудов вода будет дольше сохранять тепло.

1 Способы тепловой потери

Для того, чтобы понять, каким образом теряет тепло жидкость в открытом сосуде, необходимо рассмотреть все возможные способы тепловых потерь. Внутренняя энергия жидкости может быть изменена путем совершения работы при переходе в другое агрегатное состояние или теплопередачей, которая может совершаться посредством теплопроводности, конвекции и излучения. В случае с остыванием жидкости в открытом сосуде происходит процесс перехода в газообразное состояние – испарение, а также различные виды теплопередачи.

1.1 Теплопроводность

Теплопроводностью называется способность материальных тел проводить энергию (теплоту) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела путём хаотического движения частиц тела (атомов, молекул, электронов и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.

Теплопроводностью называется также явление передачи тепла от одного тела к другому при их непосредственном контакте.

Различные вещества имеют разную теплопроводность. Количественно способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности. Эта характеристика равна количеству теплоты, проходящему через однородный образец материала единичной длины и единичной площади за единицу времени при единичной разнице температур.

1.2 Конвекция

Конвекцией называется вид теплопередачи, при котором внутренняя энергия передается струями и потоками самого вещества. Существует так называемая естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова.

Конвекция в жидкостях или газах может происходить не только при нагреве вещества снизу. При неравномерном остывании жидкости в сосуде более теплые слои стремятся наверх, перемешиваясь с более холодными слоями, что также способствует потере тепла жидкостью.

1.3 Излучение

Излучением называется процесс теплопередачи при помощи электромагнитных волн. Эти волны возбуждаются электрическими зарядами, которые движутся с ускорением. На микроскопическом уровне при увеличении температуры объектов, частицы, из которых состоят эти объекты, начинают колебаться все сильнее и сильнее, вызывая все большее ускорение электрических зарядов. Все тела излучают энергию, которая поглощается или отражается другими телами, находящимися вокруг.

Окружающие нас тела поглощают излучение по-разному. Тела черного цвета поглощают все электромагнитные волны, попадающие на поверхность, а тела белого цвета наоборот, отражают эти волны. Это показывает, что тела с темной поверхностью лучше поглощают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность.

1.4 Испарение

Испарением называется процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий на поверхности вещества. Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое). При испарении с поверхности жидкости или твёрдого тела вылетают (отрываются) частицы (молекулы, атомы), при этом их кинетическая энергия должна быть достаточна для совершения работы, необходимой для преодоления сил притяжения со стороны других молекул жидкости. В результате испарения общая кинетическая энергия молекул жидкости снижается, из-за чего понижается температура жидкости. Испарение зависит от рода жидкости, от её температуры, от площади поверхности и от некоторых внешних факторов.

2 Исследование зависимости скорости остывания воды

Для исследования зависимости скорости остывания воды от различных факторов были использованы ёмкости различной формы, объема и цвета (Рисунок 1). В каждую из ёмкостей была налита вода температурой примерно 100 ⁰С (только что вскипевший чайник). При помощи датчика температуры, измерительного блока и специальной программы-лаборатории L-Micro были записаны данные о температуре воды за 5 минут с промежутком в 0,1 секунды (Рисунок 2). Данные для каждого из исследований в виде графиков и таблиц представлены ниже.

Рисунок 1 – Ёмкости, используемые в исследовании

Рисунок 2 – Работа с датчиком температуры

2.1 Исследование зависимости скорости остывания воды от размера сосуда

Для исследования зависимости скорости остывания воды от размера сосуда были использованы два сосуда из одинакового материала, в данном случае из стекла (Рисунок 3).

Рисунок 3 – Два сосуда разного размера

В таблице 1 приведены значения максимальной температуры воды, температуры, до которой вода охладилась и время, за которое произошел данный процесс. Была посчитана разница начальной и конечной температур, а также найдена средняя скорость остывания воды.

Таблица 1 – Зависимость скорости остывания воды от размера сосуда

Для наглядности был построен график зависимости температуры от времени для двух сосудов (Приложение 1). В данном случае основным процессом теплопередачи является теплопроводность, а также большую роль играет испарение. Тогда, скорость остывания будет больше в том случае, когда меньше отношение массы воды к площади поверхности теплопередачи и испарения. Сосуды были выбраны таким образом, чтобы они были подобными фигурами, значит, отношение массы к площади будет пропорционально линейному размеру сосуда. Следовательно, быстрее остынет вода в малом сосуде, что подтвердилось на практике (0,052 0,044).

2.2 Исследование зависимости скорости остывания воды от формы сосуда

Для исследования зависимости скорости остывания воды от формы сосуда были использованы два сосуда одинакового цвета и материала, но разной формы (Рисунок 4).

Рисунок 4 – Два сосуда разной формы

В таблице 2 приведены значения максимальной температуры воды, температуры, до которой вода охладилась и время, за которое произошел данный процесс. Была посчитана разница начальной и конечной температур, а также найдена средняя скорость остывания воды.

Таблица 2 – Зависимость скорости остывания воды от формы сосуда

Для наглядности был построен график зависимости температуры от времени для двух сосудов (Приложение 2). Для данных сосудов главную роль при тепловых потерях играет испарение. Скорость испарения больше в том случае, когда больше площадь поверхности испарения, что наглядно показано на опыте – скорости испарения отличаются почти в два раза (0,055 0,028).

2.3 Исследование зависимости скорости остывания воды от цвета сосуда

Для исследования зависимости скорости остывания воды от формы сосуда были использованы два сосуда одинаковой формы и размера, но разного цвета (Рисунок 5).

Рисунок 5 – Два сосуда разного цвета

В таблице 3 приведены значения максимальной температуры воды, температуры, до которой вода охладилась и время, за которое произошел данный процесс. Была посчитана разница начальной и конечной температур, а также найдена средняя скорость остывания воды.

Таблица 3 – Зависимость скорости остывания воды от формы сосуда

Для наглядности был построен график зависимости температуры от времени для двух сосудов (Приложение 3). Для данных сосудов большую роль при тепловых потерях играет испарение, но так как площади испарения и площади телопроводности практически одинаковы, скорость остывания воды будет зависеть от потери тепла при конвекции. При конвекции темные тела поглощают тепло, а светлые – отражают его, что подтвердилось на опыте (0,031 0,028).

Заключение

В ходе проведения данной работы были изучены такие способы потери тепла жидкостью как теплопроводность, конвекция, излучение и испарение. Уменьшить теплопроводность можно только при использовании материалов с низким коэффициентом теплопроводности, либо при использовании прослойки в виде такого материала (например, в термосе или термокружке). Уменьшить конвекцию и испарение можно уменьшив площадь поверхности жидкости. Излучение можно уменьшить с помощью светлых или зеркальных материалов. Получается, идеальная кружка для чая должна быть белой, а также иметь минимальную площадь испарения.

Список использованных источников

1. Перышкин А. В. Физика. 8 кл. : учебник – 6-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2018. – 238 с.

2. Интернет-источник: https://ru.wikipedia.org/wiki

3. Интернет-источник: https://yourtutor.info