Исследовательская работа по физике "Термодинамические характеристики термосов"

МОУ «Силинская ОШ»

Исследовательская работа по физике

«Термодинамические характеристики термосов»

Работу выполнил:

Коньков Сергей,

9 класс.

                                                                                                           Руководитель:

Сазанова А.Е.,

учитель физики.

с.Силино,2020 г.

Оглавление

Введение--------------------------------------------------------------------------------3
1. История изобретения термосов-------------------------------------------------5
1.1. Виды термосов. Преимущества и недостатки-----------------------------6
1.2. Устройство термоса и принцип работы------------------------------------7
1.3. Термодинамика------------------------------------------------------------------8
2. Методика исследования и результаты наблюдений-----------------------10
2.1. Результаты исследования термосов-----------------------------------------11
2.2. Обсуждение результатов исследований------------------------------------11
Выводы----------------------------------------------------------------------------------12
Заключение-----------------------------------------------------------------------------13

Введение

  Человека издавна интересовала тема поддержания температуры при хранении продуктов, а также мобильность термодинамических конструкций, простота их сборки и доступность в использовании.

   Конструирование теплосберегающей посуды в полевых условиях является актуальным вопросом для туристов и дачников, поэтому мы решили исследовать, каковы будут оптимальны вложения сил, средств и времени для сборки термосов из подручных средств. В нашей работе мы рассмотрим способы поддержания необходимой температуры для продуктов в походных условиях и сборки термоса из подручных средств и материалов.

   При проведении эксперимента нами учтены следующие факторы:

• Доступность исходного материала по цене в сочетании со стандартным качеством.
• Выбрана самая доступная в домашних условиях методика сборки термосов.
• Проведена проверка теплосберегающих характеристик.

В результате проведенных исследований, нами выданы практические рекомендации.

Объект исследования: термосы, собранные из различных подручных изолирующих материалов.

Предмет исследования: свойства термосов, собранных из различных термоизоляционных материалов, удерживать тепло.

Цель исследования: опытным путём установить, какие материалы лучше использовать при сборке термосов в полевых условиях.

Задачи исследования:

1. Узнать из литературных источников о влиянии изолирующих материалов на теплоустойчивость термосов.
2. Изучить теплоустойчивость термосов, собранных из различных материалов.
3. В ходе эксперимента собрать данные о теплоустойчивости термосов, собранных из различных материалов.
4. Опытным путём определить влияние материалов как фактора теплоустойчивости
5. Оценить полученный результат.

Гипотеза: в полевых условиях можно собрать термос, соответствующий нашим потребностям по теплосбережению.

Методы исследования:

1. Изучение и анализ литературы соответствующей литературы
2. Эксперимент
3. Наблюдение
4. Обобщение

Новизна исследовательской работы: исследовано влияние различных подручных теплоизолирующих материалов на теплосберегающие характеристики самодельных термосов.

Практическая значимость работы: экспериментальным путем выявлены оптимальные по теплоизолирующим характеристикам и доступности в применении теплоизолирующие материалы для сборки самодельных термосов в полевых условиях.

Изобретение термосов

Термос – вид посуды, который люди используют по сей день с целью поддержания высокой температуры продуктов питания. Термос является незаменимой частью в походах, когда нужно сохранить напиток горячим на протяжении долгого времени.

Термосу нужно как можно меньше отдавать тепло в окружающую среду для того, чтобы сохранить в нём постоянную температуру.

Потребность в массовом производстве сосудов, способных поддерживать заданную температуру, появилась во второй половине XIX века. Ученые разрабатывали различные конструкции контейнеров из стекла со сдвоенными стенками, однако в межстенье закачивали сжиженный газ, который быстро улетучивался.

Современную концепцию термосов предложил А.Ф. Вейнхольц в 1881 году. Он разработал контейнер из стекла со сдвоенными стенками, внутри которых был полностью откачан воздух (Ящик Вейнхольда). При этом объем сосуда, в плане температуры, практически перестал зависеть от температуры внешних стенок.

Спустя 11 лет в 1892 году физик и химик из Шотландии Д. Дьюар улучшил изобретение своего немецкого коллеги. Форма контейнера сменилась на колбу с узким верхним проёмом и парой стенок; это предотвращало быстрое испарение полученных газов. Для лучшей изоляции сосуд изнутри был покрыт тонким серебряным слоем.

Кроме того, от внутренней поверхности, напоминающей зеркало, хорошо отражалось тепловое излучение. Изделие подвешивалось при помощи пружин в специальном кожухе из металла. С помощью своего изобретения Дьюар получил и даже смог в течение определённого времени

он не лишен недостатков. Термос, изготовленный из металла сохранить водород в жидком и твёрдом состоянии. Однако ни он, ни Вейнхольд не стали патентовать уникальный контейнер: они не считали, что их изобретения смогут принести кому-либо ощутимую прибыль.

В 1903 году Р. Бургеру, немецкому производителю стекла, пришла в голову мысль усовершенствовать сосуд Дьюара, чтобы использовать его не только в научных целях, но и в бытовых. Колбу поместили в металлический корпус, для большей герметичности добавили пробку, закрывающую сосуд. Конструкцию дополнили удобной крышкой, которой отводилась роль небольшого стакана. Новшеством стала внутренняя система, при помощи которой колба поддерживалась изнутри. До этого момента колба закреплялась лишь у горлышка всей конструкции, из-за чего являлась достаточно хрупким изделием.

Осенью 1903 года Р. Бургер запатентовал своё изобретение и основал фирму по производству нового изделия – «вакуумной фляжки». С 1904 года в коммерческих целях он стал использовать новую торговую марку Thermos (в переводе с греческого «горячий»). С 1908 года термос стали массово выпускать в Америке, Канаде и Англии, откуда новые герметичные контейнеры для хранения жидкостей и поддержания их постоянной температуры стали постепенно распространяться по всему миру.

Виды термосов. Преимущества и недостатки

   Термос со стальной колбой изготавливают из прочной нержавеющей стали.

   Его преимуществами являются долговечность, прочность и технологичность в обработке. Благодаря корпусу из нержавеющей стали, колба имеет не только большой срок эксплуатации, но и отличную стойкость к деформациям за счет своей прочной отполированной поверхности, поэтому термос способен прослужить человеку долгие годы.

   Термос из стали удобен в производстве, ремонтопригодности и обладает высокими эксплуатационными качествами. Однако, характеризует высокая теплопроводность, так как он быстро меняет температуру - быстрее нагревается и быстрее остывает.

   Также необходима дополнительная обработка термоса кипятком перед непосредственным использованием, иначе колба заберет часть энергии, и тем самым напиток будет холоднее. Поскольку высококачественная нержавеющая сталь намного дороже стекла, термосы со стальной колбой стоят дороже термосов со стеклянной колбой.

   Корпус термоса со стеклянной колбой в основном изготавливают из металлопластмассы, жестяной пластины или пластика. Его преимуществами являются низкая теплопроводность, гигиеничность и вес. Термос со стеклянной колбой отличается меньшей массой по сравнению с термосом со стальной колбой.

   Стоит учесть, что стекло хорошо проводит тепло и не вступает во взаимодействие с другими веществами, именно поэтому после использования термос со стеклянной колбой не перенимает ни от чего запахи. Но и термос со стеклянной колбой имеет свои недостатки. Стекло – хрупкий материал, поэтому оно подвержено спонтанному разрушению. Не стоит забывать о свойствах стекла: в термос со стеклянной колбой нельзя заливать кипяток, если его принесли с холода, иначе стекло может лопнуть.

Устройство термоса и принцип работы

   Работа термоса основана на сохранении тепла внутри себя, поэтому его нужно изолировать от внешней среды, которая заставляет его остывать. Самый простой изолятор веществ — это вакуум, так как вакуумная технология исключает все три механизма теплопередачи. Поэтому во многих термосах применяют вакуум, т.е. пространство, где нет никаких веществ, следовательно, и передавать тепло от колбы в окружающую среду будет нечем.

Рис.1 Устройство термоса

   Принцип работы термоса схож с сосудом Дьюара, который представляет собой сосуд из двойных стенок. Между стенками находится вакуум или воздух. Сам сосуд сделан либо из стекла, либо из нержавеющей стали. Внутренняя часть колбы покрыта отражающим материалом, который отражает тепло внутри термоса. Внешняя часть термоса изготавливается либо из металла (больше механической прочности), либо из пластика.

Термодинамика

   Термодинамика – раздел физики, изучающий общие свойства макроскопических систем и способы передачи, и превращения энергии в таких системах. В термодинамике изучаются процессы, для описания которых следует ввести понятие тепловых явлений и температуры.

   Тепловые явления – явления, связанные с нагреванием или охлаждением тел. Все тепловые явления связаны с температурой. Все тела характеризуются состоянием своего теплового равновесия, главной характеристикой которого является температура.

   Температура – мера «нагретости» тела. Приборы, которыми можно измерить температуру тела, называются термометрами. Чем выше температура, тем быстрее частицы движутся в теле, движение которых называется тепловым движением (хаотическое). [6]

Теплопередача бывает трех видов: теплопроводность, конвекция и излучение.

   Теплопроводность – явление, при котором энергия передается от одной части тела к другой посредством столкновения частиц или при контакте двух тел. Теплопроводность связана с переносом энергии от более нагретых веществ к менее нагретым, который осуществляется хаотически движущимися частицами тела.

   Если начать нагревать металлический стержень, к которому прикреплены гвоздики, то через некоторое время можно наблюдать, что гвоздики начнут отпадать. Это происходит за счет находящихся на концах стержня молекул, которые получают энергию и передают ее соседним молекулам, и тем самым стержень нагревается.

   Конвекция – явление, связанное с переносом энергии струями, большими группами частиц жидкостей или газов. Как мы можем ее наблюдать? Например, при нагревании льда в пробирке с водой. Наберем в пробирку воду, положим лёд на дно пробирки и начнём нагревать зажжённой свечой верхний край пробирки.

   При этом верхний край пробирки нагреется, но лёд так и не растает. Почему так происходит? Преимущественно это связанно с недостаточной теплопроводность воды распространять тепло по всей пробирке. Если же мы поместим пламя свечи к нижней части пробирке, то через некоторое время мы можем увидеть, что весь лёд в пробирке растает. Приведенные опыты свидетельствуют о том, что перенос энергии происходит не путем теплопередачи, а конвекцией.

   Излучение – явление передачи энергии, наряду с конвекцией и теплопроводностью. Или, можно сказать, что излучение – это процесс испускания и распространения энергии в виде электромагнитных волн. Излучение можно наблюдать при взаимодействии Солнца и Земли.

  Между этими планетами нет вакуума, поэтому энергия передаётся с помощью электромагнитных волн. Данное явление как раз является одним из видов излучения. Также мы можем наблюдать излучение и дома. Например, если зажечь лампу и сесть рядом, через некоторое время можно ощутить тепло, которое исходит от лампочки.

   Принцип уменьшения теплопередачи каждым из способов положен в основу работы термоса. Термос устроен таким образом, что теплообмен с окружающей средой сведен до минимума. Вакуум между стенками колбы препятствует теплопередаче путем конвекции и теплопроводности, а зеркальный отражающий слой на внутренней поверхности колбы препятствует теплопередаче излучением. 

   Количество теплоты – энергия, которую тело получает или теряет в процессе теплопередачи. Количество теплоты является функцией процесса, а не функцией состояния, то есть количество теплоты, полученное системой, зависит от способа, которым она была приведена в текущее состояние.    Внутренняя энергия тела может изменяться за счёт работы внешних сил. Если тело получает энергию, его внутренняя энергия увеличивается, а если теряет энергию – уменьшается. Это свидетельствует о связанности количества теплоты с внутренней энергией.

   Для характеристики изменения внутренней энергии при теплообмене вводится величина, называемая количеством теплоты и обозначаемая Q=[Дж]

   Количество теплоты зависит от изменения температуры, массы и рода жидкости.

   Количество теплоты, необходимое для нагревания тела или выделяющееся при его охлаждении, прямо пропорционально массе тела и изменению его температуры: Q = cm(t2-t1), где с - удельная теплоемкость (Дж/кг•К), m - масса тела (кг), t2 - конечная температура тела, t1 – начальная температура.

   Охлаждение тела - процесс обратный нагреванию. Для его описания используется та же формула, что и для нагревания. Знак "минус", полученный при вычислениях говорит о том, что тело отдает теплоту, "плюс" - получает.  

   Скорость нагревания и охлаждения тела пропорциональна разности температур между телом и окружающей средой.

Мощность – работа, выполненная в единицу времени. Это скалярная физическая величина, равная в общем случае скорости изменения, преобразования, передачи или потребления энергии системы. В более узком смысле мощность равна отношению работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени.

Исследование теплосбережения термоса

  В нашем исследовании были рассмотрены термодинамические свойства двух самодельных термосов в сравнении с термодинамическими характеристиками стеклянной бутылки, взятой за основу при их изготовлении и покупного термоса с металлической колбой.

   Для сборки экспериментальных образцов мы решили использовать подручные средства: в качестве колбы - стеклянную бутылку объёмом 1 литр; как изолирующие материалы - скотч, газету, монтажную пену, полотенце. Эти материалы были выбраны нами по следующим причинам:

• благодаря наличию теплоизоляционных свойств;
• своей доступности и простоте использования.

Измерения проведены электронным термометром (-50°С; +330°С), максимальной точностью ±1° С и электронными часами.

Температура окружающей среды составляла 20° С.

Методика создания самодельных термосов

Образец №1: была взята пустая стеклянная бутылка 1 литр, которую поставили в пластиковую трубу и залили монтажной пеной.

Образец № 2: была взята пустая стеклянная бутылка 1 литр, которую завернули в газету и, закрепив ее скотчем, обернули полотенцем.

Образец № 3: стеклянная бутылка объёмом 1 литр (контроль).

Образец № 4: покупной термос объёмом 1 литр с металлической колбой.

Для проведения эксперимента в термосы залили кипяток (t = 98,6°С).

Продолжительность остывания составила t = 2,5 часа = 9000 с, после чего был сделан контрольный замер температуры.

   Нами проведены расчеты:

• энергосбережения и энергетических потерь каждого термоса по формуле:

Q = cm(t2-t1) (Дж), где с – 4179 (Дж/кг•К) удельная теплоемкость воды, m – 1 (кг) масса воды, t1 – 98,6°С начальная температура воды t2 – конечная температура;

- мощности энергосбережения и энергопотерь: P = Q / t (Вт).

   Проведен сравнительный анализ теплосберегающих свойств и энергетических потерь самодельных термосов в сравнении с исходным материалом (бутылкой) и покупным термосом, представлены соответствующие выводы и рекомендации.

Результаты исследований теплосбережения самодельных термосов

Результаты изменения температуры воды в образцах за 2,5 часа приведены в Приложении 1.

   Как видно из таблицы, образец № 1 держит тепло лучше, чем термосы других образцов: температура снизилась на 8,42 % от начальной. Хуже всех же держит тепло контрольный образец № 3: снижение температуры за 2,5 часа составило 29,42 %.

   Изначально количество энергии во всех четырех термосах было одинаково и составляло 412,05 кДж. Исходя из данных таблицы 1, нами проведены расчеты теплосбережения и теплопотерь и их мощности, проведено сравнение опытных образцов № 1 и № 2 с контрольными образцами № 3 и № 4.

   В процессе остывания воды образцы выделили в окружающую среду определенное количество теплоты. Расчеты количества потерянной теплоты (Q, Дж) и мощности теплопотерь (P, Вт) приведены в Приложении 2.

Как видно из таблицы, максимальные теплопотери в контрольном образце № 3 составили около 121,2 кДж при мощности теплопотерь 13,5 Вт. Минимальные теплопотери были в образце № 1 и составили около 34,7 кДж при мощности 3,9 Вт.

   Термос сохраняет тепло дольше, если обладает высокими теплосберегающими свойствами. Данные теплосбереждения (Q, Дж) и мощности термосов (P, Вт) приведены в Приложении 3.

Как видно из таблицы, образец №1 обладает высокими теплосберегающими свойствами (377,4 кДж) при большей мощности термоса (41,9 Вт). Самыми низкими теплосберегающими свойствами обладает контрольный образец № 3 (290,9 кДж) при меньшей мощности (32,3 Вт).

Обсуждение результатов эксперимента с термосами

   В результате проведённого эксперимента нами было исследовано количество сохраненной и выделенной термосами теплоты, рассчитана мощность термосов и теплопотерь, проведено сравнение теплосберегающих характеристик самодельных термосов с исходным материалом (стеклянной бутылкой) и покупным термосом с металлической колбой.

Начальная температура кипящей воды составила 98,6°С, что укладывается в значения температуры кипения воды по Московской области – от +98,5°С до +101,0°С в зависимости от рельефа.

На изменение температуры в термосах в течение времени влияли способ и материал изоляции колбы от окружающей среды:

• Теплопотери термоса из монтажной пены (образец № 1) и газеты в сочетании с тканью (образец № 2) в сравнении с контрольным образцом № 3 – неизолированной стеклянной бутылкой были ниже в 3,5 и 2,4 раза соответственно.
• Теплоизоляционные свойства монтажной пены (образец № 1) оказались выше не только изоляционных свойств газеты в сочетании с тканью на 4,28% (образец № 2), но и покупного термоса с металлической колбой (образец № 4) на 2,06 %.
• Теплоизоляционные свойства вакуума в сочетании с металлической колбой (образец № 4) выше, чем теплоизоляционные свойства газеты и материи в сочетании со стеклянной колбой (образец № 2) на 2,18 %.

   Таким образом, материал колбы существенно влияет на сохранность тепла жидкости в термосе. Свойства по теплосбережению монтажной пены в сочетании со стеклянной колбой оказались выше свойств металлической колбы в сочетании с воздушной/вакуумной изоляцией.

   Таким образом, для термосов различной конструкции нами на основе экспериментальных данных рассчитаны теплосберегающие характеристики и теплопотери. Расчёты, проведённые двумя независимыми способами – по количеству теплоты (Q,Дж) и мощности (P, Вт) по теплосбережению и теплопотерям дали совпадение.

Выводы:

1. Материал, из которого изготовлена колба термоса, ощутимо влияет на теплосберегающие свойства: термос со стеклянной колбой сохраняет температуру лучше термоса с металлической колбой того же объёма.
2. Материал и способ изоляции колбы термоса от теплообмена с окружающей средой оказывают заметное влияние на сохранность тепла жидкости в термосе. В самодельных термосах пористые материалы лучше поддерживают температуру в колбе.
3. Из подручных средств можно собрать термос, устраивающий своими термодинамическими качествами по сохранению температуры содержащейся в нём жидкости. Наша гипотеза подтвердилась.

Заключение

Опираясь на навыки и знания, приобретённые при постановке данного эксперимента, мы можем дать следующие рекомендации для сборки термоса в полевых условиях:

• использовать в качестве изолирующих пористые материалы,
• в качестве колбы использовать емкости из стекла.

Приложение 1

1. Изменение температуры воды в термосах за 2,5 часа

Приложение 2

2. Теплопотери термосов за 2,5 часа

Приложение 3

3.Теплосбережение и мощность термосов