Секреты термоса

МОУ Ветлужская СОШ

Секреты термоса

Исследовательская работа                                                                     на районную учебно-исследовательскую                    конференцию в номинации                                                            «Страна чудес – страна

                                                                                                  Работу выполнили

учащиеся 3-а класса

МОУ Ветлужской СОШ

Рыжов Илья,

Шагин Дмитрий

Руководитель:

учитель начальных классов

МОУ Ветлужской СОШ

                                                                                                         Астафьева Е.В.

Ветлуга, 2015 г.

Оглавление

Введение …………………………………………………………………3

Глава 1. Секреты термоса

1.1. Что такое термос ……………………………………………………………  5

1.2. История создания термоса ………………………………………………   5

1.3. Конструкция термоса …………………………………………………….  6

1.4. Сущность физических явлений, происходящих внутри термоса ……..  6

1.5. Виды теплопередач ………………………………………………………  7

Вывод …………………………………………………………………………. 10

Глава 2. Изготовление термоса в домашних условиях

2.1. Модель термоса №1 ……….......................................................................... 11

2.2. Модель термоса №2 ……………………………………………………….  14

Вывод ………………………………………………………………………...   17

Заключение ………………………………………………………………. ...  19

Библиографический список ………………………………………………  20

Приложения

Приложение 1 Схема «Устройство термоса»………………………………. 22

Приложение 2 Изготовление модели термоса №1 ……………………….... 23

Приложение 3 Изготовление термоса № 2…………………………………. 26

Введение

Моя семья любит отдыхать на природе. Каждый раз мама берёт с собой термос с  чаем. Иногда время пробегает очень незаметно, но даже через несколько часов чай в  термосе остаётся такой же горячий. На его температуру не влияет даже погода на улице.  Что же помогает сохранить чай горячим?  Из чего изготавливают термос?  На мои расспросы папа рассмеялся и сказал, что обо всем можно узнать, если очень захотеть. У меня появилось большое желание, понять принцип работы термоса, узнать об этом изобретении, как можно больше.

Данная работа будет посвящена рассмотрению вопроса о термосе и его устройстве, а также способам изготовления  термоса в домашних условиях.  Исследование мы будем проводить вместе со своим другом. Вдвоём работа будет идти быстрее.

Объектом нашего исследования станет термос - изобретение 19 века.

Предметом исследования станут физические свойства термоса.

Гипотеза исследования: Мы предполагаем, что изучив строение термоса и механизмы протекания в нем физических явлений, можно создать термос в домашних условиях.

Цель исследования: создание термоса в домашних условиях.

Задачи:

1. изучить теоретический материал, раскрывающий понятие “термос”, принципы работы термоса, его физические свойства;

2. обобщить наблюдения, раскрывающие условия остывания жидкости в термосе;

3. определить материалы необходимые для создания термоса в домашних условиях;  

4. создать термос в домашних условиях;

В своей работе мы будем использовать различные методы исследования.

• Теоретические: изучение литературы по заявленной теме исследования, классификация собранных материалов, обобщение материалов.
• Эмпирические: наблюдения за протеканием физических явлений при изготовлении термоса в домашних условиях.
• Математические:  определение температурных значений  жидкости в испытуемых моделях термосов.

Итогом нашей работы станет создание термоса в домашних условиях.

Глава 1. Секреты термоса

1.1. Что такое термос

Термос (в переводе с греческого) "therme" -  горячий.  Такое название сосуду дал житель Мюнхена.  

Термос – это вид кухонной посуды, предназначенной для хранения жидкости и продуктов питания при определенной температуре в течение некоторого времени^[1].

Термос может использоваться не только для хранения готовых напитков и еды, но и для их приготовления, например — различных настоев и каш.

1.2. История создания термоса

Известный шотландский химик XIX века Джеймс Дьюар совершил целый ряд открытий в области физики и химии, но, пожалуй, в народе он запомнился, благодаря своему бытовому изобретению.^[2]

В 1892 году Джеймс Дьюар разработал изолирующую колбу, которая известна в науке под названием сосуд Дьюара. Конечно, колба была изобретена для хранения химикатов, но именно она стала моделью современного термоса. В 1903 году берлинский производитель стеклянных изделий Рейнгольд Бургер усовершенствовал сосуд Дьюара. В 1904 году впервые в хозяйственных целях была выпущена первая партия термосов. Устройство настолько было совершенно и просто в применении, что не изменилось практически и по сей день.

Термос стали широко использовать в научных экспедициях многие исследователи. Он стал бортовой принадлежностью самолётов. С термосом было удобно летать даже на воздушном шаре. Простые люди также стали широко использовать термос в своей жизни.

В наше время термос – доступный, удобный и полезный предмет, который имеется в каждом доме.

1.3. Конструкция термоса

Недаром говорят, что великие изобретения свершаются, когда на пути возникает трудность, или препятствие. Трудность в сохранении сжиженного газа подтолкнула Д. Дьюара на изобретение изолирующей колбы, которая могла бы это сделать. Так он придумал сосуд со специальной "рубашкой" с двойными стенками, между которыми был вакуум.

Вакуум^[3] - пространство свободное от вещества, т. е. пространство которое практически ничем не заполнено, очень сильно разреженный газ.

Изобретение стало успешным. Дьюард добился того, что газы в такой колбе сохранялись очень хорошо. Это стало поводом, чтобы использовать колбу (сосуд Дьюарда) в термосе.

Основной элемент термоса — колба (см. рисунок 1), которая сделана из стекла или нержавеющей стали с двойными стенками, между которыми выкачан воздух (создан вакуум).  Кроме этого есть пробка, которая закрывает отверстие колбы и крышка, закрывающая весь сосуд.

1.4. Сущность физических явлений, происходящих внутри термоса

Чтобы понять принцип работы термоса, следует более подробно остановиться на сущности тех физических явлений, которые происходят внутри него.

Задача термоса - сохранять жидкость как можно дольше горячей, т. е. сохранять тепловую энергию жидкости, не дать ей остывать. В физике процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному называется теплопередачей^[4].

Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии или теплопередача от одного тела к другому до наступления равновесия. Тепло всегда передаётся от более горячих тел более холодным. Это значит, что если не защищать горячий чай в термосе, то он очень скоро станет холодным, так как тепловая энергия чая будет передаваться воздуху. Чай постепенно остынет.

1.5. Виды теплопередачи

Что требуется учитывать в устройстве термосе, чтобы остановить процесс теплопередачи. Требуется разобраться с видами теплопередачи, чтобы понять, как правильно должен работать термос.

Различают три вида теплопередачи:

1. Теплопроводность^[5]. Это способ передачи тепла (энергии) от более нагретых участков тела к менее нагретым участкам, или от более горячих тел к менее нагретым при непосредственном соприкосновении.

Например, если холодную ложку опустить в кипяток, то ложка нагреется.  Ложке сообщается некоторое количество теплоты, а вода  - охладится, т.е. она теплоту отдает ложке.

Хорошие проводники тепла – металлы, хуже проводят тепло жидкости. Очень плохо проводят тепло воздух, пластмасса, дерево, поролон, пенопласт, строительная пена и т.д.

Данный вид теплопередачи широко используется в устройстве термоса. Между стенками колбы нет воздуха, там вакуум. Вакуум обладает самой низкой теплопроводностью, поэтому остывание жидкости в термосе происходит очень медленно.

2. Конвекция^[6]. Это способ передачи тепла (энергии) струями  жидкости или газа.

Например, от горячей батареи нагревается воздух около нее, он становится легче и поднимается наверх, а холодный воздух опускается вниз. Следующая партия воздуха нагревается и поднимается вверх, а более холодный воздух опускается вниз. Так постепенно происходит передача тепла от батареи ко всему воздуху в комнате. Если чайник с водой поставить на плиту, то внизу вода нагреется, станет легче и теплая вода поднимется наверх, а холодная вода опуститься вниз, т.к. она более тяжелая.  

Данное физическое явление могло бы наблюдаться в термосе, если бы горло колбы не закрывалось специальной пробкой, которая препятствует передаче тепла от жидкости в воздух.

3. Излучение^[7]. Это способ передачи тепла (энергии) в виде невидимых лучей. Все тела, нагретые до любой температуры, излучают невидимые лучи, передающие тепло. Чем выше температура тела, тем больше излучается энергии.

Если поднести руку сначала к слабо нагретому утюгу, а потом к сильно нагретому, то рука во втором случае почувствует больше тепла. Это объясняется тем, что горячий утюг излучает энергии больше.

Температура на поверхности Солнца 6000оС, оно излучает огромное количество энергии, за счет которой прогревается Земля и поэтому на Земле существует жизнь.

Учёные выяснили, что светлые блестящие поверхности отлично отражают тепло, а темные поверхности наоборот, очень хорошо поглощают энергию. Поэтому летом все носят, светлую одежду, а зимой – одежду темных тонов. Зимой собаки любят спать на куче золы, т.к. темная зола поглощает солнечные лучи и лучше прогревается. Весной проталины раньше появляются у дуба, чем у березы. У дуба ствол темный, он от солнца больше прогревается и начинает излучать энергию, под действием которой снег быстрее тает. А у березы кора светлая, поэтому ствол нагревается меньше.

Эти физические явления тоже использовали в устройстве термосе. Колба термоса покрыта слоем из отражающего зеркального материала. Это помогает ей отражать энергию жидкости, и она меньше остывает. Зеркальная поверхность мало  нагревается,  поэтому колба остаётся холодной.

Например, раньше колбы покрывали слоем серебра. Серебро – блестящий светлый металл. Теперь для изготовления колб всё чаще используют  полированную нержавеющую сталь.

Вывод:

Наше теоретическое исследование помогло раскрыть секреты устройства термоса. Обобщая полученные данные, можно сказать, что главная задача термоса – хранить тепло как можно дольше. Этого можно добиться, если учитывать физические процессы, которые протекают внутри термоса. Необходимо, чтобы теплопередача между горячей жидкостью и холодным воздухом была как можно меньше. Этого добиваются производители термосов. Возможно ли достижение такого эффекта в домашних условиях? На этот вопрос мы постараемся ответить в следующей части  нашей работы.

Глава II.  Изготовление термоса в домашних условиях

Для изготовления термоса в домашних условиях мы будем использовать подручные средства, которые есть в каждом доме. Вариантов изготовления термоса может быть несколько. Мы изготовим две модели термосов.

2.1. Модель термоса №1 (Приложение 2)

Для модели первого термоса нам потребуются следующие материалы и инструменты:

• Пластиковая бутылка 1.5 л.
• Пластиковая бутылка 2 л.
• Скотч
• Теплоизоляционный материал - газеты
• Светоотражающий материал - фольга
• Ножницы, нож.

Ход работы

В ходе работы нам следует изготовить колбу и корпус термоса. Мы будем работать по плану:

1. Возьмём пластиковую бутылку емкостью 2 л. Разрежем её пополам, чтобы получилась верхняя и нижняя части. Срежем у неё винтовую часть горлышка. Эти части потребуются для изготовления корпуса термоса.
2. Возьмём пластиковую бутылку 1.5 л и обернём её фольгой, плотно прижимая к стенкам её к стенкам бутылки. Фольга имеет две стороны: блестящую и матовую. Следует обматывать бутылку матовой стороной наверх, чтобы блестящая сторона оказалась внутри.  Слой фольги должен покрывать всю бутылку, в том числе и дно. Бутылка будет играть роль колбы.
3. Теперь обмотаем бутылку несколькими слоями газет. Чем больше слой газет, тем лучше. Газетный слой должен быть на стенках и дне бутылки.
4. Чтобы газеты хорошо держались на бутылке, обмотаем их скотчем. Слой газет необходим для создания теплоизоляционного слоя.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        
5. Верхний слой газет ещё раз обмотаем фольгой.
6. Следующий шаг – это размещение подготовленной маленькой бутылки  в верхнюю и нижнюю части большой бутылки.
7. Следует обмотать скотчем половинки большой бутылки, чтобы она не распалась.

Модель первого термоса готова.

Особенности модели термоса №1

У данной модели есть свои особенности. Так как колба выполнена из пластиковой бутылки, то наливать в неё горячую воду не рекомендуется. От горячей воды колба может деформироваться. Поэтому при испытаниях этой модели мы будем использовать холодную воду.

Испытания модели термоса №1

Для проведения испытания модели термоса будем использовать холодную воду. Заливаем воду в термос. Предварительно следует измерить её температуру. Все данные о температуре воды мы будем заносить в таблицу (Таблица 1). Испытания термоса будут проходить в течение шести часов. Каждый час мы будем замерять температуру воды. Термос во время испытания будет находиться в комнате на столе при комнатной температуре  +21°.

Таблица 1

Вывод: Модель термоса №1 успешно прошла испытания. Термос остался целым, вода в нем сохранилась до конца испытания. Изменения температуры воды в термосе происходили плавно и постепенно. В среднем она поднималась на 3° каждый час (График 1).

График  1

Через шесть часов вода стала  комнатной температуры. Эти данные позволяют сделать вывод о том, что такую модель термоса можно изготовить в домашних условиях и использовать для хранения холодных жидкостей. Для увеличения теплоизоляции можно использовать другие теплоизоляционные материалы. Например, поролон, синтепон, пенопласт. Это позволит увеличить время нагревания жидкости. Вода будет нагреваться ещё медленнее. Таким термосом можно воспользоваться на даче, при прогулках, во время пикника. Ещё одним достоинством этой модели можно считать его небольшой вес и небьющуюся колбу.

2.2. Модель термоса №2 (Приложение 3)

Для модели второго термоса нам потребуются:

• Стеклянная бутылка емкость 0.5 л с винтовой крышкой.
• Пластиковая бутылка ёмкостью 2 л
• Теплоизоляционный материал – синтепон
• Светоотражающий материал - фольга
• Скотч, нитки
• Ножницы, нож
• Губка
• Пластиковый стаканчик
• Маркер

Ход работы

1. Разрезать пластиковую бутылку пополам. Эти детали будут нужны для изготовления корпуса термоса.
2. Стеклянную бутылку обматываем фольгой, чтобы блестящий слой был внутри, а матовый снаружи. Обмотать надо тщательно не только стенки сосуда, но и его дно.
3. Берём синтепон и отмеряем кусок, который потребуется для следующего слоя.
4. Синтепоном обматываем всю бутылку: стенки и дно стеклянной бутылки.
5. Обмотаем синтепон нитками, чтобы он плотнее лежал на бутылке.
6. Теперь следует ещё раз обмотать бутылку фольгой, плотно прижимая её к стенкам нашей самодельной колбы.
7. Обмотаем колбу скотчем, чтобы все слои хорошо держались  на бутылке.
8. Вставляем получившее изделие в нижнюю часть пластиковой бутылки.
9. Отрезаем у верхней части пластиковой бутылки винтовую часть горлышка. Это следует сделать очень точно, чтобы горлышко стеклянной бутылки свободно проходило в это отверстие.
10.  Обмотаем половинки пластиковой бутылки скотчем, чтобы надежно их соединить между собой.
11.  Чтобы уменьшить теплоотдачу через крышку колбы (бутылки), её надо тоже утеплить. Берём кусок поролона и делаем в нём круглое углубление,  которое по диаметру будет чуть меньше крышки бутылки.
12. Теперь следует этот подготовленный кусок поролона вставить в пластиковый стаканчик. Для этого следует срезатьу пластикового стаканчика верхнюю часть. Дно стаканчика по высоте должно быть таким же, какова и высота поролонового кусочка.
13. Кладем отрезанную нижнюю часть стаканчика на подготовленный кусок поролона, где располагается крышка, и обводим его по окружности.
14. Вырезаем эту часть из куска поролона и вставляем в нижнюю часть стаканчика. Получилась утепленная крышка для бутылки.

Модель второго термоса готова.

Особенности модели термоса №2

У данной модели есть свои особенности. Так как колба выполнена из стеклянной бутылки, то в неё можно наливать горячую воду. От горячей воды такая колба не деформируется. Поэтому при испытаниях этой модели мы будем использовать горячую воду.

Испытания модели термоса №2

Для проведения испытания модели термоса будем использовать горячую воду. Заливаем воду в термос. Предварительно следует измерить её температуру. Все данные о температуре воды мы будем заносить в таблицу (Таблица 2). Испытания термоса будут проходить в течение шести часов. Каждый час мы будем замерять температуру воды. Термос во время испытания будет находиться в комнате на столе при комнатной температуре +21°.  

Таблица 2

Вывод: Модель термоса №2 успешно прошла испытания. Термос остался целым, вода в нем сохранилась до конца испытания. Изменения температуры воды в термосе происходили плавно и постепенно. В среднем она опускалась на 6°каждый час (График 2).

График  2

Через шесть часов вода не приобрела значение комнатной температуры, а оставалась всё ещё тёплой. Эти данные позволяют сделать вывод о том, что такую модель термоса можно изготовить в домашних условиях и использовать для хранения горячих жидкостей. Таким термосом можно воспользоваться на даче, при прогулках, во время пикника, в нем можно заваривать чай, делать травяной отвар. Главную функцию – хранение тепла этот термос выполнил. Его достоинством можно считать сравнительно небольшой вес. Колба, выполненная из стекла, может разбиться, но теплоизоляционные материалы увеличивают её прочность. Они позволяют смягчить резкие удары, которые возможны при падении такого термоса.

Вывод:

Наша экспериментальная работа по изготовлению моделей термосов и исследования температурных значений воды доказали, что изготовить термос в домашних условиях вполне реально. У самодельных термосов есть свои плюсы:

• Это использование подручных бросовых материалов.
• Это низкая себестоимость такого изделия по сравнению с купленным термосом.
• Это небольшой вес изделия.
• Это технологическая простота в изготовлении.
• Это достаточная прочность изделия.

Но есть и минусы:

• Остывание или нагревание воды происходит быстрее, чем в заводских моделях.
• Внешний вид изделия не совсем привлекателен.
• Самодельный термос невозможно вымыть после использования, так как горлышко бутыли, которую использовали для изготовления колбы, узкое.

Самое главное, что мы поняли – изготовление термоса в домашних условиях возможно, если при этом учитываются все физические процессы протекающие внутри этого устройства.

Заключение

Мир физических явлений чрезвычайно разнообразен. Мы пока не начали изучать предмет - физику. Но наша исследовательская работа заинтересовала нас, потомучто мы смогли объяснить процесс сохранения тепла с научной точки зрения. Было сложно понять суть физических явлений, но работа с разными источниками информации, беседы с нашим учителем, учителем физики, пояснения родителей позволили достичь результата.

В ходе своей работы мы узнали историю появления термоса, мы выяснили устройство этого изделия, мы поняли суть протекающих в нём физических явлений. Это позволило нам сконструировать свои модели термосов. Главное, что требовалось при моделировании – это уменьшить теплопроводность колбы. Мы решили эту проблему, используя в моделях различные пористые материалы. Наш эксперимент по использованию самодельных термосов в домашних условиях можно считать удачным. Он доказал, что изготовление термоса в домашних условиях реально и выполнимо. Это значит, что наша гипотеза подтвердилась. Мы уверенно говорим, что знания физических закономерностей помогает человеку жить.

Теперь мы готовы изготовить такой термос для своих домашних нужд. Это позволит сохранить нашим семьям денежные средства. Не секрет, что заводские модели термосов стоят не дешёво.

Наша работа помогла пополнить нам свой багаж знаний, позволила расширить кругозор, познакомила нас с такой замечательной наукой – физикой.

Мы думаем, что не только устройство термоса можно объяснить с точки зрения физики. Есть и другие предметы, которыми люди пользуются давно, но совсем не подозревают о том, какие секреты могут скрывать эти устройства внутри себя.  А это значит, что наши исследования будут продолжаться.

Библиографический список

1.  Вакуум [Электронный ресурс] URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%C2%E0%EA%F3%F3%EC  (Дата обращения 28.03.2015)
2. Ергомышева – Алексеева М.Н. Физика - юным.  - М., «Просвещение», 1969. – 184с. 
3. Как выбрать термос [Электронный ресурс] URL: http://womanmir.com/dom/791-kak-vybrat-termos.html (Дата обращения 12.04.2015)
4.   Конвекция [Электронный ресурс] URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%BD%D0%B2%D0%B5%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F  (Дата обращения 28.03.2015)
5. Литвинова О. А.,  Широнина Е.В.  Большая книга вопросов и ответов. - М.: ЗАО «РОСМЕН-ПРЕСС»,  2007. – 232с.
6. Ола Ф и др. Занимательные опыты и эксперименты. – М.:  Айрис- пресс, 2006. – 128с.
7. Термос (история изобретения) [Электронный ресурс] URL: http://istoriz.ru/termos-istoriya-izobreteniya.html (Дата обращения 12.04.2015)
8. Теплопередача [Электронный ресурс] URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D2%E5%EF%EB%EE%EF%E5%F0%E5%E4%E0%F7%E0 (Дата обращения 28.03.2015)
9. Теплопроводность [Электронный ресурс] URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C (Дата обращения 28.03.2015)
10.   Что такое термос? Виды термосов. [Электронный ресурс] URL: http://findfood.ru/termin/termos (Дата обращения 28.03.2015)
11.  Хинн О.Г. Я познаю мир. Детская энциклопедия: Физика. – М: ТКО «АСТ»,1995. – 480с.