Сосуд Дьюара

Районная конференция-фестиваль творчества обучающихся

«EXCELSIOR - 2020»

                      Направление «Естественно-технические науки»

                            Секции: физика и астрономия

Исследовательская работа

  «  В чем загадка сосуда Дьюара?»

Выполнил:

ученик 11 класса

МБОУ «Починокинельская СОШ»

Смирнов Евгений

Руководитель: учитель физики

Абукина Светлана Виталиевна

                                                        П.Инели- 2021г.

                                                          Введение

На зимних каникулах я с друзьями люблю ходить кататься на санках, за городом с семьей кататься на лыжах, когда выпадает много снега. И всегда я беру с собой термос с горячим чаем. Но однажды я нечаянно уронил термос. Так как другого термоса не было, то мы все равно решили взять его с собой. Я заметил, что чай остыл, хотя раньше он оставался теплым. Мама мне объяснила, что при падении термоса треснула колба и поэтому вода быстро охладилась. Рассмотрев разбитый термос, я увидел, что колба зеркальная, и предположил, что из-за этого вода долго не остывает. Я знаю, что между стенками колбы был вакуум и, может быть, поэтому вода долго не остывала. Я подумал: «А нельзя ли самой изготовить термос?». Но чтобы сделать термос, надо знать, в чем его загадка. Так появилась исследовательская работа на тему «В чем загадка сосуда Дьюара?».

Основная цель работы: исследовать причину того, почему горячая вода в термосе долго не остывает.

Проблема исследования. Какой термос стоит покупать? Как не ошибиться в выборе? На что стоит обращать внимание при покупке? Возможно, ли изготовить термос в домашних условиях, затратив минимум усилий и средств?

Задачи работы. Исходя из цели исследования, были поставлены следующие задачи:

• Изучить историю создания термоса,
• изучить устройство термоса,
• изучить литературу, в которой описываются способы передачи тепла,
• изучить литературу, в которой описывается применение сосуда Дьюара,
• исследовать, от чего зависит способность термоса сохранять температуру,
• исследовать разнообразие термосов на современном потребительском рынке,
• выяснить какая колба лучше сохраняет тепло – стеклянная или металлическая,
• из имеющихся термосов выбрать тот, который лучше других сохраняет тепло,
• выяснить зависит ли скорость остывания жидкости от объема термоса,
• Изготовить самостоятельно термос.

Актуальность исследования. Каждый современный человек хоть раз в жизни пользовался термосом, отметившим в 2004 году свое столетие. Это слово давно стало нарицательным и вошло во все словари. Между тем, изобретатели прототипов термоса были далеки от коммерции. Термос по своим свойствам сохраняет температуру пищи или жидкости. Поэтому его удобно брать на рыбалку, охоту или на работу, в поход. На сегодняшний день существует много фирм производителей термосов и в продаже можно найти целый ряд изделий, различающихся по способности сохранять тепло, объему, дизайну, цене. И поэтому цена современного термоса колеблется от 500 до 1000 рублей.

Методы исследования: поиск информации, изучение литературы, систематизация сведений, наблюдения, сравнение, измерения, анализ, эксперимент.

Научная новизна: разработана новая конструкция термоса из подручных материалов.

Практическая значимость: прибор может использоваться в быту.

Планируемые результаты: изготовление простейшей модели сосуда Дьюара.

План исследований

Гипотеза исследования: конструкция термоса основана на физических законах, которые необходимо учитывать при создании термоса.

Описание метода исследования. На уроках физики я узнал, что в природе и технике теплота передается от более нагретых тел к менее нагретым телам. Различают три вида теплопередачи. 1. Теплопроводность. 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. Воздух плохо проводит тепло, т.к. промежутки между молекулами больше размеров самих молекул. Доска проводит тепло лучше, чем опилки, полученные при распиловке этой же доски, т.к. между опилками находится воздух, который плохо проводит тепло.

2. Конвекция. Это способ передачи тепла (энергии) струями жидкости или газа. 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.

3. Излучение. 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 6000о С, оно излучает огромное количество энергии, за счет которой прогревается Земля и поэтому на Земле существует жизнь. Светлые блестящие поверхности отражают тепло, а темные поверхности 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.

Теплопроводность, конвекция и излучение используются в устройстве сосуда Дьюара. Термос был создан в 1904 году шотландским физиком Дьюара. Вопросом сохранения постоянной температуры содержимого озаботились ученые в конце XIX века - это нужно было для хранения сжатых газов. Сжать газ не было проблемой, но сохранить его в таком виде хоть какое-то время было проблематично. В 1881 немецкий физик Адольф Вейнхольд стал использовать стеклянный ящик с двойными стенками с откачанным воздухом из пространства меж стенок для хранения сжатого кислорода, а в 1892 году другой известный ученый Джеймс Дьюара улучшил конструкцию, изготовив этот контейнер в виде колбы с узким горлом и покрыв внутреннюю часть тонким слоем серебра. Для удобства эта колба подвешивалась на пружинах в металлическом кожухе. Это устройство было названо «сосуд Дьюара», и оно до сих пор используется в химических лабораториях всего мира. В 1903 году Рейнгольд Бургер усовершенствовал сосуд Дьюара, изобретённый в 1892 году шотландским физиком и химиком Джеймсом Дьюаром. Для удобного использования этого сосуда в быту он добавил к нему металлический корпус, пробку и крышку-стаканчик.

1 – крышка термоса

2 – пробка

3 – корпус

4 – зеркальная колба

Основной элемент термоса - зеркальная колба. Зеркальная поверхность мало нагревается, поэтому колба от воды плохо нагревается. Между стенками колбы – вакуум. Он плохой проводник тепла. Поэтому вода в термосе долго не охлаждается.

Назначение и применение сосуда Дьюара:

• Для сохранения температуры еды и напитков используются бытовые сосуды Дьюара — термосы.

• В лабораториях и в промышленности сосуд Дьюара используется для хранения  криожидкостей, чаще всего жидкого азота.
• В медицине и ветеринарии специальные сосуды Дьюара используются для длительного хранения биологических материалов при низких температурах.
• В геофизике в сосуды Дьюара помещают электронные компоненты и кристаллы при работах в горячих скважинах.

Научная статья

Термос может сохранять не только тепло, но и холод, поэтому в своих опытах для наглядности я брал снег.

Исследование №1. Изучение теплоизоляционных свойств воздуха.

Цель исследования: Доказать, что воздух плохой проводник тепла.

Оборудование: пластиковый контейнер большого размера, два пластиковых контейнера снег.

Ход исследования

1. Я положил в маленькие контейнеры по одинаковому количеству снега и закрылаих крышкой.
2. Один из контейнеров я поставил в большой контейнер, который тоже

закрыл.

1. Пронаблюдал, в каком контейнере снег раньше растает.

Снег раньше растаял в одиночном контейнере, а потом в двойном контейнере, так

как тепло из комнаты к снегу не передается.

Вывод: воздух плохо проводит тепло.

Исследование №2. Сравнение поглощательной способности темных и

зеркальных поверхностей.

Цель исследования: исследовать, какие тела лучше поглощают энергию: темные или зеркальные.

Оборудование: 2 стакана, фольга, черный листок цветной бумаги, снег, настольная лампа (источник тепла).

Ход исследования

1. Один стакан я наполовину зачернил, а другой – обклеил фольгой наполовину, и положил в них одинаковое количество снега.
2. Включил настольную лампу, и поставил оба стакана прозрачной стороной к себе.
3. Пронаблюдал за таянием снега в стаканах.

Снег раньше растаял в зачерненном стакане, так как он быстрее нагрелся, а стакан, обклеенный фольгой, почти не нагрелся.

Вывод: черные поверхности поглощают энергии больше, а зеркальные поверхности – энергию отражают.

Исследование №3. Сравнение отражательной способности прозрачных и зеркальных поверхностей.

Цель исследования: исследовать, какие тела больше отражают: зеркальные или прозрачные.

Оборудование: 2 одинаковых стакана, один из которых обклеен фольгой, 2 воздушных шарика, настольная лампа (источник тепла).

Ход исследования

1. Я взял два одинаковых стакана, один из них обклеил фольгой и натянул на них по воздушному шарику.
2. Включил настольную лампу и поднесл к ней стаканы с шариками
3. Пронаблюдал за деформацией шариков.

Шарик, натянутый на прозрачную бутылку растянулся больше, так как воздух в этом стакане нагрелся сильнее, и давление воздуха увеличилось на большую величину.

Вывод: зеркальные поверхности отражают энергию больше.

Исследование №4. Сравнение теплоизоляционных способностей воздуха, ваты, бумаги, пенопласта.

Цель: Исследовать теплоизоляционные свойства ваты, бумаги, пенопласта и воздуха.

Оборудование: четыре больших пластиковых контейнера, четыре маленьких пластиковых контейнера, снег, вата, бумага, пенопласт, часы

Ход исследования

1. Я взял четыре больших контейнера и вставил в них маленькие.
2. Промежутки в трех контейнерах я заполнил разными веществами: ватой, пенопластом, бумагой, оставив небольшой зазор.
3. В маленькие контейнеры положил одинаковое количество снега и наблюдал за его таянием. Результаты наблюдений я занес в таблицу:

Вывод 4: Лучшим теплоизолятором в домашних условиях является пенопласт.

Из исследования № 4 я понял, что мой термос лучше заполнить пенопластом или ватой, или пенопластом и ватой. В таком термосе вода долго не нагреется. Теперь летом в жару, работая на огороде или отдыхая, я буду брать самодельный термос, чтобы сохранить прохладную воду.

2.1. Изготовление термоса в домашних условиях

Для изготовления термоса в домашних условиях я использовала подручные средства, которые есть в каждом доме.

Для изготовления термоса мне потребовалось:

Стеклянная бутылка емкость 0.5 л с винтовой крышкой. Если мы возьмем пластиковую бутылку, то наливать в неѐ горячую воду не получится. От горячей воды колба может деформироваться.

Пластиковая бутылка ѐмкостью 2 л

Теплоизоляционный материал – фольгоизолон, синтепон

Светоотражающий материал - фольга

Скотч, нитки

Ножницы, нож

Губка

Пластиковый стаканчик

Маркер

2.2. Результат исследования

Для проведения испытания моего термоса использовал горячую воду. Залил воду в термос. Предварительно измерил еѐ температуру. Все данные о температуре воды я занес в таблицу .Испытания термоса проходили в течение шести часов. Каждый час я замерял температуру воды. Термос во время испытания находился в комнате на столе при комнатной температуре +21

Через шесть часов вода не приобрела значение комнатной температуры, а оставалась всѐ ещѐ тѐплой. Эти данные позволяют сделать вывод о том, что такую модель термоса можно изготовить в домашних условиях и использовать для хранения горячих жидкостей.

.

Заключение.

 Сегодня термос – это незаменимая посуда и в быту, особенно  в путешествиях, и на работе. А для тех, кто долгое время проводит за рулем термос – настоящее спасение. В ходе наших исследований мы доказали, что термос можно сделать и в домашних условиях. Самый простой и теплосберегающий термос ( по нашим исследованиям термос №4) можно сделать из пластиковой или жестяной банки, утеплителя  в нашем случае это вата) и из маленького внутреннего сосуда (колбы), в нашем случае он стеклянный, в качестве отражателя можно использовать фольгу.

В процессе выполнения работы были полностью решены поставленные задачи