Исследовательская работа "Теплоемкость веществ, или как сварить яйцо в бумажной кастрюле"

Cоревнование юных исследователей

«Ступенька в будущее»

Теплоемкость веществ, или как сварить яйцо в бумажной кастрюле

     Автор: Морозов Михаил Андреевич

                 МБОУ СОШ № 4, 8 «А» класс

       Руководитель: Сиваш Татьяна Петровна

                          учитель физики МБОУ СОШ № 4

2019 год

Содержание

Стр.

1. Актуальность проблемы                                                              3

2. Цель, задачи исследования                                                              3

3. Исследовательская деятельность                                                   4  

- Удельная теплоёмкость                                                        4

- Удельная теплоемкость воды                                                           5

- Практическая работа                                                                         7

5. Заключение                                                                        8

6. Литература                                                                          9

7. Приложения                                                                         10

Актуальность проблемы.

Один очень умный человек сказал: «Без физики нам не прожить!». Это значит, что во всех сферах жизнедеятельности человека мы сталкиваемся с проявлениями физики в той или иной форме. Везде и всегда. Казалось бы, ну какое отношение имеет физика к походам или путешествиям. Иногда случаются критические ситуации, когда человек может остаться без своего снаряжения, пригодного для кипячения воды. Можно ли вскипятить воду в «бумажной кастрюле», так как бумажная коробка, например, от молока или сока может остаться?  Фольги, бутылок, банок может и не быть.

Возможно, ли сварить яйцо в воде, налитой в бумажный стакан? Затея кажется абсурдной, ведь бумага сразу загорится, и вода зальет пламя. Но проделав, мы убедились, что бумага нисколько не пострадает от огня. Бумага не загорается, если даже пламя лижет ее. В чем же секрет? Почему же бумажный стаканчик без воды сгорает, а с водой нет?

Гипотеза исследования:

Можно ли вскипятить воду в «бумажной кастрюле»?

Цели проекта.

Цели проекта:

1.  Изучение теплоемкости веществ;

2. Проведение эксперимента для подтверждения или опровержения гипотезы.

Задачи проекта.

Задачи проекта:

1. Изучить теоретический материал (удельную теплоемкость веществ; теплоемкость воды);
2. Собрать экспериментальную установку;
3. Провести эксперимент;
4. Предоставить результаты исследования на школьной научно-практической конференции;  

Предмет исследования: удельная теплоемкость.

Удельная теплоёмкость.

Для того чтобы нагреть на определённую величину тела, взятые при одинаковой температуре, изготовленные из различных веществ, но имеющие одинаковую массу, требуется разное количество теплоты. К примеру, для нагревания серебра массой 1 кг на 1 0 необходимо количество теплоты, равное 250 Дж, а если нагревать 1 кг цинка -  потребуется всего 400 Дж. 

Удельная теплоёмкость (с) — это физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать единичной массе данного вещества для того, чтобы его температура изменилась на единицу. Удельная теплоемкость показывает, на какую величину изменяется внутренняя энергия 1кг вещества при нагревании или охлаждении его на 1 градус.

В Международной системе единиц (СИ) удельная теплоёмкость измеряется в джоулях на килограмм на кельвин, Дж/(кг·К). Иногда используются и внесистемные единицы: калория/(кг·°C) и т. д.

На значение удельной теплоёмкости влияет температура вещества и другие термодинамические параметры.

Формула расчёта удельной теплоёмкости:

с =

где c — удельная теплоёмкость,

Q — количество теплоты, полученное веществом при нагреве (или выделившееся при охлаждении),

m — масса нагреваемого (охлаждающегося) вещества,

ΔT — разность конечной и начальной температур вещества.

Следует помнить, что удельная теплоемкость вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях, разная.

Удельная теплоемкость воды

При температуре 20 градусов Цельсия и нормальном атмосферном давлении удельная теплоемкость воды в жидком состоянии равна 4183 Дж/(кг·град). Количество тепла, необходимого для нагревания 1 г воды на 1 градус, достаточно, для нагревания на 1 градус 9,25 г железа, 10,3 г меди. Аномально высокая теплоемкость воды превращает моря и океаны в гигантский термостат, сглаживающий суточные колебания температуры воздуха. Причем не только большие массы воды, как моря, способы сглаживать эти колебания, но и обычный водяной пар атмосферы. Резкие суточные колебания температуры в районах великих пустынь связаны с отсутствием водяного пара в воздухе. Сухой воздух пустыни почти лишен водяного пара, который мог бы сдержать быстрое ночное охлаждение накалившегося за день песка, поэтому температура воздуха может оказаться не больше 5 °C.

Теплоёмкостью воды объясняется явление различного нагревания воды и суши: так как теплоёмкость твёрдых пород, составляющих поверхность суши, и теплоёмкость воды резко отличаются, то для нагревания до одной и той же температуры воды и песка потребуется различное количество тепла, поэтому днём температура песка выше, чем воды. Вода охлаждается медленнее, чем твёрдые породы, поэтому ночью песок холоднее, чем вода. Как известно, нагревание воздуха происходит не непосредственно лучами солнца, а путём отдачи тепла от нагреваемой поверхности суши и воды. В летнее время создаётся значительная разница температур между поверхностью суши и воды, в силу чего происходит перемещение воздуха в направлении, определяемом разницей температур воды морей и океанов и прилегающей к ним суши.

Как уже было сказано, что удельная теплоемкость - это количество тепла, которое надо сообщить одному килограмму вещества, чтобы увеличить его температуру на один градус. Следовательно, вода требует для своего нагревания аномально большое количество тепла. Так как возрастание температуры означает увеличение средней скорости движения молекул, то на молекулярном языке большая теплоемкость воды означает, что ее молекулы очень инертны. Чтобы увеличить среднюю скорость молекул H2O, им нужно почему-то сообщить довольно много энергии, хотя сами молекулы по молекулярным масштабам сравнительно невелики. Все объясняется существованием водородных связей. Так как большая часть молекул связана в довольно большие комплексы, то отдельная "среднестатистическая" молекула H2O может увеличить свою кинетическую энергию одним из двух способов. Она может, во-первых, освободившись от всех своих водородных связей, начать двигаться самостоятельно. Во-вторых, ускорение всего комплекса молекул приведет, разумеется, к увеличению скорости каждой молекулы H2O, входящей в этот комплекс. Очевидно, что оба эти способа требуют значительных энергетических затрат, что и приводит к большому значению удельной теплоемкости воды.

Но самое интересное, что теплоёмкость воды снижается при температуре от 0 °С до 37 °С и снова растёт при дальнейшем нагревании.

В связи с этим вода в морях и океанах, нагреваясь летом, поглощает из окружающей среды огромное количество теплоты. А зимой вода остывает и отдаёт в окружающую среду большое количество теплоты. Поэтому в районах, расположенных вблизи водоёмов, летом не бывает очень жарко, а зимой очень холодно.

Из-за высокой удельной теплоёмкости воду широко используют в технике и быту. Например, в системе водяного отопления домов, при охлаждении деталей во время их обработки на станках, в медицине (в грелках) и др.

Именно благодаря высокой удельной теплоёмкости вода является одним из лучших средств для борьбы с огнём. Соприкасаясь с пламенем, она моментально превращается в пар, отнимая большое количество теплоты у горящего предмета.

Практическая работа

Оборудование: штатив с муфтой, лапкой и кольцом, тигель, спирт, 2 бумажных стаканчика, яйцо куриное, спички, сосуд с водой, ложка.

Установка для проведения эксперимента состоит из штатива, на основании которого находится тигель с топливом. На штативе с помощью муфты закреплено кольцо, на котором располагается «бумажная кастрюля». В качестве «бумажной кастрюли» используется бумажный стаканчик объемом 0,2 л и средним диаметром 8 см. Расстояние между фитилем и дном стакана должно составлять примерно 2 см.

Порядок выполнения

1. Подготовили материал и оборудование для проведения опыта.
2. Нагревали пустой бумажный стаканчик на открытом огне.
3. Налили в бумажный стаканчик 100 мл воды комнатной температуры.
4. Положили в воду сырое куриное яйцо и начали нагревать.
5.  Наблюдали за изменением температуры воды (над водой образовался пар, что свидетельствует о повышении ее температуры). Через несколько минут вода закипела.
6. Варили яйцо в течении 5 минут.
7. Достали яйцо и убедились в том, что оно сварилось.
8. Сделали вывод.

Вывод. Температура, при которой закипает вода, меньше температуры при которой загорается бумага. Следовательно, вода закипела в бумажном стакане и яйцо сварилось.

Заключение

Гипотеза подтвердилась – вода закипела в «бумажной кастрюле». Причина в том, что вода может быть нагрета в открытом сосуде только до температуры ее кипения, т.е. до 100°С.

Вода обладает хорошей теплопроводностью и большой теплоемкостью, поэтому все тепло, которое получает бумага от пламени, вода забирает себе.

Таким образом, вода поглощает избыток теплоты бумаги, не дает ей нагреться заметно выше 100°, т. е. настолько, чтобы она могла воспламениться. Бумага воспламеняется только при достижении температуры приблизительно 450 °С. А у воздуха теплопроводность очень низкая, поэтому он не забирает тепло от бумаги. В результате чего бумага нагревается от огня до высокой температуры и воспламеняется. К тому же роду явлений относится и печальный опыт, который невольно проделывают рассеянные люди, ставящие чайник или кастрюлю без воды: дно прогорает. Причина понятна: температура пламени огромна (около 1000 °С), и только тесное соседство воды спасает его от опасного повышения температуры.

При выполнении этой исследовательской работы я узнал много нового, заинтересовался изучением физики и лучше стал в ней разбираться. Моя работа доступна людям всех возрастов и для решения многих задач достаточно знаний школьного курса физики.

Литература

1. Пёрышкин, А. В. Физика. 8 кл.: Учебник для общеобразовательных учреждений. - М.: Дрофа.
2.  «Занимательная Физика» Перельман Я.И.
3. https://ru.wikipedia.org
4. http://infotables.ru

Приложение.

Приложение 1

Удельная теплоёмкость некоторых веществ

Приложение 2

Правила техники безопасности в кабинете физики

До начала работы

1. Перед тем как приступить к выполнению работы, тщательно изучите её описание, уясните ход её выполнения.

2. До начала работы приборы не трогать и не приступать к выполнению лабораторной работы до указания учителя.

Во время работы

1. Будьте внимательны, дисциплинированы, осторожны, точно выполняйте указания учителя. 

2. Не оставляйте рабочее место без разрешения учителя.

3. Располагайте приборы, материалы, оборудование на рабочем месте в порядке, указанном учителем.

4. Не держите на рабочем месте предметы, не требующиеся при выполнении задания.

5.  При работе со стеклянным оборудованием (колбы, стаканы, термометры и др.) соблюдайте осторожность, располагайте их на рабочем месте так, чтобы не разбить их и не уронить со стола.

6. Остерегайтесь ожогов горячей водой.

7. Если сосуд разбит в процессе работы, уберите со стола осколки не руками или тряпкой, а сметите щёткой в совок.

8. При работе с жидкими веществами не пробуйте их на вкус, не разбрызгивайте и не разливайте.

9. Если вода попадёт на стол, тетрадь, книгу – сразу попросите тряпку и вытрите потёки.

10. При работе с термометром будьте осторожны, не сжимайте его крепко в руках при измерении температуры жидкости, не касайтесь им краев посуды.

11. Не встряхивайте термометр, не задевайте им о какие-нибудь предметы. После измерения сразу верните термометр в предназначенный для него футляр.

12. Остерегайтесь ожогов от горячего тела. Переносите его в калориметр пинцетом или при помощи, привязанной к нему нитки.

13. Не берите гири пальцами, только пинцетом. Помните, что разновес (гири) должны находиться либо в своих гнездах в предназначенном для них футляре, либо на правой чашке весов и нигде больше.

14. Не роняйте гирьки с высоты, осторожно укладывайте их на правую чашку весов или в гнездо футляра. Так же осторожно кладите на левую чашку весов взвешиваемое тело, убедившись, что на нем нет влаги.

15. Берегите оборудование и используйте его по назначению.

16.  При получении травмы обратитесь к учителю.

После окончания работы

1.Тщательно вымойте руки с мылом.

2. Соблюдайте правила личной гигиены. При неопрятном состоянии рук под ногтями могут скапливаться вреднодействующие вещества, которые при попадании с пищей в организм приводят к отравлению.

Приложение 3

Отличие варёного яйца от сырого

Варёное яйцо представляет собой единое твёрдое тело, поэтому оно сразу же начинает вращаться и долго сохраняет движение. У сырого же яйца — твёрдая только скорлупа. Содержимое его — жидкое. Когда начинаешь крутить сырое яйцо, то не сразу начнёт двигаться его жидкое содержимое: оно почти не связано с оболочкой. Такое яйцо хуже крутится и быстро останавливается.

Приложение 4                                                        Приложение 5

Приложение 6                                                Приложение 7

Приложение 8                                                                Приложение 9