Введение
С давних времен и до сегодняшнего дня люди задаются вопросом, как сохранить тепло. Проблемы поддержания температурного режима в доме, проблемы, связанные с теплой одеждой и посудой, наиболее часто становились причиной различных болезней, плохого питания и неспособности противостоять природным условиям. Решение этих проблем напрямую связано с теплопроводностью. Человеку важно знать, из какого материала состоит тот или иной предмет, понимать, от чего зависит его теплопроводность и быть готовым к его реакции в разных температурных условиях. В данной работе мы постараемся разобраться в этом, а также ответить на вопрос, почему некоторые предметы имеют хорошую теплопроводность, а некоторые совсем не проводят тепло? Объектом исследования является явление теплопроводности. Предметом исследования являются кухонная посуда, строительные материалы, ткани, снег. Цель работы заключается в экспериментальном изучении теплопроводности тканей, кухонной посуды, строительных материалов и снега.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Изучить информацию о теплопроводности;
Исследовать теплопроводность различных веществ и материалов;
Объяснить наблюдаемые явления, основываясь на физических законах;
Представить свои примеры теплопроводности;
Описать роль теплопроводности в повседневной жизни и в строительстве.
Основными методами исследования являются:
Изучение литературы по теплопроводности материалов;
Проведение экспериментов по изучению теплопроводности;
Анализ полученных результатов. Актуальность данной работы заключается в том, что она может стать полезным источником для изучения теории на уроках физики, а также пробудить в учениках интерес и любовь к физике. Кроме того, данная работа представляет собой первые шаги на пути к серьезным открытиям в сфере теплопроводности, способным изменить нашу жизнь в лучшую сторону.
Глава 1. Из истории открытия теплопроводности Явление теплопередачи
В современной жизни материальный комфорт в каждом доме связан с тепловыми явлениями. Без теплоты в доме, без посуды, удерживающей тепло, без теплой одежды зимой и без многого другого сейчас невозможно представить жизнь. В древности люди тоже не могли обойтись без теплой одежды и предметов быта. Поэтому многие ученые и философы начали интересоваться тепловыми явлениями еще в древние времена.
Явление теплопередачи изучалось несколько веков. Но, ни в древности, ни в средние века оно не было изучено до конца. Были лишь простые и единые описания теплопередачи. Ученые утверждали, что если температура вещества повышается, то оно получает теплоту, а если температура понижается, то вещество выделяет теплоту в окружающую среду.
На протяжении многих веков ученые изучали тепловые явления, однако их деятельность получила развитие только в XVIII веке благодаря изобретенному Галилеем термометру. Первые исследования с помощью термометра были посвящены калориметрии – методу измерения количества теплоты, изучению теплового расширения тел, явлений теплопроводности. Поэтому, можно считать, что основные понятия о теплоте появились именно в XVIII веке.
В сочинении «Мемуары о теплоте» ученые Антуан Лавуазье (1743-1794) и Пьер Лаплас (1749-1827) рассказали о развитии учения о теплоте, понятии температуры, количестве теплоты и о теплоемкости. Благодаря французским ученым явление передачи тепла начало активно изучаться, и появилось множество работ, посвященных изучению теплоты.
Одна из значимых работ появилась в 1701 году и была посвящена вопросам теплоты. В работе Ньютон сформулировал закон охлаждения тел. В законе говорилось о том, что температура тела уменьшается пропорционально по мере охлаждения, приближаясь к температуре окружающей среды. Выяснилось, что скорость охлаждения зависит от параметра k=αAC (коэффициента теплопроводности). Ньютон доказал, что с увеличением коэффициента k, тело будет охлаждаться быстрее (Рис.1 – «Изменение коэффициента теплопроводности»).
Дальнейшие исследования передачи теплоты показали, что процесс охлаждения осуществляется различными способами, которые имеют разную физическую силу. Так возникли излучение теплопроводности и тепловое излучение. Эти два самостоятельных направления отличаются друг от друга тем, что тепловое излучение может осуществляться даже в полном вакууме, а излучение теплопроводности нет, также первое не требует прямого контакта при теплопередаче, а для второго оно необходимо. При теоретическом анализе, основанного на законе охлаждения Ньютона, произошли некоторые трудности, но Фурье сформулировал, что поток тепла пропорционален разности градиенту температуры, таким образом, он сформулировал закон теплопроводности. Закон Фурье показывает, что количество теплоты Q, проходящее через площадку S, за время T, вдоль направления X определяется по формуле:
где dT/dx – изменение температуры на единицу длины, k – коэффициент теплопроводности.
Рис.1 – «Изменение коэффициента теплопроводности»
В 1744 – 1745 годах появилось утверждение о том, что тепловые явления обусловлены движением молекул тела. Данное утверждение высказал М.В. Ломоносов в своих «Размышлениях о причине теплоты и холода». Однако предположения Ломоносова расходились с действующими в то время теориями о теплоте. Поэтому, чтобы отличие взглядов Ломоносова и теорий теплоты стало очевидным, обратимся к XVIII столетию и представлениям о теплоте того времени. Теплоту представляли в виде невесомой и невидимой жидкости, которая впитывает поры тела. Жидкость, которая является невидимой и невесомой одновременно назвали теплородом.
В конце XVIII века английский физик Румфорд доказал правильность идеи Ломоносова. К такому выводу Румфорд пришел, когда наблюдал за изготовлением пушек. Он обратил внимание на то, что при сверлении ствола пушки сверло сильно нагревается. Это означало, что при трении тела нагреваются. Данное явление было известно еще в начале истории человечества. Древние люди с помощью трения добывали огонь, но они не смогли увидеть за этим явлением закон природы. Румофорд стал первым исследователем, кому это оказалось посильным. При наблюдении за сверлением ствола пушки у физика появился вопрос: отчего происходит нагревание тела? Не происходит ли нагревание оттого, что металлические опилки, полученные при сверлении, обладают меньшей теплоемкостью, чем сам ствол пушки? Ответ заключается в том, что количество теплоты металла при переходе в опилки может уместиться в них, только если будет повышение температуры.
Когда появилось предположение о том, что теплоемкость сплошного металла и теплоемкость опилок одинаковы, то оказалось, что объяснения Румфорда о нагревании металла неверно. Тогда Румфорд предположил, что теплота входит в изделие из воздуха. В доказательство физик залил водой рассверливаемый ствол пушки. Получилось так, что вода нагрелась и даже закипела. Значит и первое, и второе объяснения являются верными. Узнав свою правоту Румфорд заявил: «для того чтобы получить теплоту в неограниченном количестве, достаточно продолжить сверлить, при этом теплоту нельзя считать теплородом». Поэтому все тепловые явления следует рассматривать как движение.
Глава 2. Теплопроводность 2.1. Определение теплопроводности
Различают три вида теплопередачи: конвенция, излучение и теплопроводность. Конвенция – процесс передачи тепла движущими массами жидкости и газа. Тепловое излучение – перенос тепла в газообразной середе или вакууме в виде электромагнитных волн. Теплопроводность – способность материалов передавать через свою толщину тепловой поток. Тепловой поток возникает из-за разности температур на противоположных поверхностях.
Мы остановимся на третьем виде теплопередачи и узнаем о теплопроводности немного больше. Теплопроводность больше проявляется в сплошных твердых телах, а также теплопроводность находится и в капельках жидкостях и газах. В твердых материалах основным видом теплообмена является теплопроводность. Теплопроводность материалов зависит от средней плотности и химико-минерального состава, влажности, структуры и средней температуры материала. Известно, что чем меньше средняя плотность материала, тeм ниже его теплопроводность. Тeплопроводность увеличивается тогда, кoгда увеличивается влажность материала. Рaзличные материалы имеют разную теплопроводность, одни медленно проводят теплоту, другие – быстрeе. Поэтому и количественный показатель теплопроводности – коэффициент теплопроводности (λ (лямбда)) – бyдeт y всех материалов свой. С увеличением плотности, влажности и температуры материала повышается λ. Коэффициент теплопроводностизaвисит oт плотности, влaжности, тeмпературы и cтруктуры материала.
2.2. Суть теплопроводности
Теплопроводность происходит из-за движения тепла и взаимодействия его составляющих частиц друг с другом. Процесс теплопроводности стремиться сделать температуру всего тела одинаковой. Теплопроводность – это свойство тел проводить тепло, основанное на теплообмене, которое происходит между атомами и молекулами тела. Однако, при теплопроводности не происходит перенос вещества от одного конца тела к другому. Все потому, что у жидкостей теплопроводность небольшая. Газы тоже имеют маленькую теплопроводность.
Теплопроводность жидкости намного меньше теплопроводности твердого тела. Это зависит от молекул, которые наводятся в том или ином теле и от плотности. Жидкости имеют маленькую теплопроводность из-за того, что молекулы в ней расположены далеко друг от друга, в отличие от молекул твердого тела. Плотность газа меньше плотности жидкости, следовательно, молекулы газа находятся на большом расстоянии друг от друга, а это значит, что газы имеют теплопроводность меньше, чем любые жидкости.
Плохой теплопроводностью обладают не только газы и жидкости, но и волосы, шерсть, перья и бумага. Известно, что между волокнами этих веществ расположен воздух, а это преграда для передачи тепла. Поэтому шерсть обладает плохой теплопроводностью, а значит, что она не пропускает холод и способна удерживать тепло, поэтому в мороз смело можно надевать шерстяную кофту и не волноваться о том, что можно замерзнуть. Теперь нам известно, что благодаря плотно соединенным шерстяным волоскам кофта обладает плохой теплопроводность и не пропускает холод.
Глава 3. Экспериментальные работы по изучению и созданию теплопроводности различных материалов
В России в зимнее время года, температура на улице становится все ниже. Известно, что самые холодные зимы именно в нашей стране. Однако низкие температуры не останавливают отважных ребят, которые, несмотря на мороз, выходят слепить снеговиков и покататься на санках. В некоторых случаях через определенное время дети жалуются на озябшие руки и ноги. В то же время другие ребята продолжают играть и веселиться, несмотря на холод. Нам стало интересно, почему некоторые дети в одинаковой по внешнему виду одежде замерзают, а некоторые продолжают гулять, не обращая внимания на мороз. Мы попробовали разобраться в этом и изучить свойства различных тканей с точки зрения физики. Чтобы решить проблему с теплой одеждой, нам необходимо исследовать некоторые виды тканей на теплопроводность.
Опыт №1 Изучение теплопроводности тканей
Необходимые приборы и материалы:
Лед 2х4х2 см.
Полиэтиленовые пакетики 7х5 см.
Термометр
Флисовая ткань10х10 см.
Синтетическая ткань 10х10 см.
Фланелевая ткань 10х10 см.
а
б
Хлопковая ткань 10х10 см.
Рис.2 – «Изучение теплопроводности тканей»
Болоньевая ткань 10х10 см.
Трикотажная ткань 10х10 см.
Ход работы:
Подготовить лед и кусочки ткани одинакового размера.
Положить лед в полиэтиленовые пакетики и обернуть различными кусочками ткани (Рис.2а;б– «Изучение теплопроводности тканей»).
Завязать ткани со льдом так, чтобы воздух не попадал внутрь ткани.
Через 1 час измерить температуру льда во всех пакетиках с тканью.
Табл.1 – «Теплопроводность тканей»
Спустя 1 час лед во всех тканях растаял. Только в пакетике с флисовой тканью (№2) остался лед. Это означает, что флисовая ткань не пропускает тепло и обладает плохой теплопроводностью, а значит, во флисовой одежде зимой замерзнешь намного позже, чем, например, в болоньевой. Любая ткань в своем составе имеет волокна с воздухом, которые способные удерживать тепло. Если волокна с воздухом далеко расположены друг от друга, то ткань будет пропускать тепло. Если же волокна расположены близко, ткань наоборот будет удерживать тепло.
№
Ткань
Температура льда, °С
Температура воды, °С спустя час
1
Синтетическая
-8
+13,5
2
Флисовая
-8
+9,4
3
Хлопковая
-8
+11,2
4
Болоньевая
-8
+12,3
5
Фланелевая
-8
+15,4
6
Трикотажная
-8
+14,7
Из приведенной таблицы (Табл.1 – «Теплопроводность тканей») видно, что наименьшая температура воды (+9,4°С) сохранилась у флисовой ткани. Затем, по мере повышения температуры воды в ткани идет хлопковая ткань (+11,2 °С), болоньевая (+12,3°С), синтетическая (+13,5°С). Высокой теплопроводностью обладают трикотажная (+14,7°С) и фланелевая (+15,4°С) ткани.
Рис.3 – «Изменение температуры льда»
Любая ткань в своем составе имеет волокна с воздухом, которые способные удерживать тепло. Если волокна с воздухом далеко расположены друг от друга, то ткань будет пропускать тепло. Если же волокна расположены близко, ткань наоборот будет удерживать тепло.
Теплопроводность тканей можно выразить графически. Для этого начертим график зависимости (Рис.3 – «Изменение температуры льда») температуры (t,°С) от времени (Т, мин.).
Опыт № 2 Изучение теплопроводности кухонной посуды
Необходимые приборы и материалы:
Термометр
Кастрюля из нержавеющей стали
Эмалированная кастрюля
Чугунная кастрюля
Вода 54°С
Рис.4 – «Теплопроводность кухонной посуды»
Ход работы:
Налить воду одинаковой температуры во все кастрюли и закрыть их (Рис.4 – «Теплопроводность кухонной посуды»).
Измерить начальную температуру воды и стенок кастрюль, записать температуры.
Через 5 минут заново измерить температуру стенок и воды.
Измерять температуры на протяжении 1 часа, через каждые 5 минут.
Табл.2 – «Температура стенок кастрюли»
Мы измеряли температуру стенок кастрюль и записали полученные результаты в таблицу (Табл.2 – «Температура стенок кастрюли»), из которой видно, что температура стенок чугунной кастрюли не изменялась на протяжении 25 минут. Температура стенок эмалированной кастрюли на протяжении 20 минут не изменялась. Температура стенок кастрюли из нержавейки сразу начала снижаться. Это значит, что кастрюля из нержавейки имеет хорошую теплопроводность и не способна хорошо удерживать тепло.
№
Материал кастрюли
Начальная тем-ра стенок, °С
Температура стенок через:
5
10
15
20
25
30
35
40
60
1
Нержавейка
39
38,5
35
34,2
33,1
32,7
32,1
31,8
31
31
2
Эмаль
34
33,5
32,2
32,2
32
31,4
31,4
31
29,7
28
3
Чугун
33
33
33
33
33
33
32,6
32,4
32,2
32
Табл.3 – «Температура воды»
Также мы измеряли температуру воды в разных кастрюлях на протяжении 2 часов. Результаты опыта мы записали в таблицу (Табл.3 – «Температура воды»), из которой видно, что температура воды в кастрюле из нержавейки снижалась постепенно. Температура воды в чугунной кастрюле начала снижаться сразу.
№
Материал кастрюли
Начальная тем-ра воды, °С
Температура воды через:
15
20
25
30
60
120
1
Нержавейка
54
49,6
47,8
46,5
45,3
43,2
38,2
2
Эмаль
54
48,3
47,1
44,5
44,2
41,8
36,1
3
Чугун
54
45
44
42,6
42
40,2
33,4
Проанализировав две таблицы, можно сказать, что температура стенок чугунной кастрюли почти не изменилась, но температура воды сразу начала снижаться. Это говорит о том, что вода, находящаяся в кастрюле, нагревает ее, чтобы не позволить пройти воздуху и остудить воду. Поэтому если температура стенок кастрюли из нержавейки быстро снижаться, а температура воды остается прежней, то нержавеющий материал обладает хорошей теплопроводностью и не способен удержать тепло на долгое время.
Теплопроводность различных материалов, из которых сделаны кастрюли можно выразить графически, построив график зависимости (Рис.5 – «Изменение температуры стенок кастрюль») температуры стенок (t,°С) от времени (Т, мин.).
Рис.5 – «Изменение температуры стенок кастрюли»
Снижение температуры воды в кастрюлях из разных материалов можно выразить графиком зависимости (Рис.6 – «Изменение температуры воды в кастрюлях») температуры воды (t,°С) от времени (Т, мин.).
Рис.6 – «Изменение температуры воды в кастрюлях»
Опыт № 3 Изучение теплоизоляционных свойств снега
Фермеры часто задаются вопросом о том, как повысить переносимость живыми организмами и растениями низкой температуры в зимний период. Коэффициент теплопроводности снега примерно в 10 раз меньше, чем коэффициент теплопроводности почв. И в 10 раз больше коэффициента теплопроводности воздуха. Если снег рыхлый, то воздух заполняет промежутки между кристаллами снега и быстрее остужает почву, чем липкий снег. Кроме того, температура почвы под снегом зависит от толщины снежного покрова. Поэтому, чем больше толщина снежного покрова, тем медленнее изменяется температура почвы под снегом.
Необходимые приборы и материалы:
Термометр
Линейка
Рис.7 – «Измерение температуры снега»
Ход работы:
Измерить температуру на поверхности снега (Рис.7 – «Измерение температуры снега»).
Измерить толщину снежного покрова.
Измерить температуру на поверхности почвы под снегом.
Рассчитать разность температур.
Сравнить теплопроводность снега и температуру почвы при разной толщине снежного покрова.
Табл.4 – «Температура снега»
Записать полученные результаты в таблицу.
Толщина снежного покрова, см
Температура, °С
Разница температур, °С
На поверхности снега
На поверхности почвы под снегом
3
-13
-10
3
8
-18
-7
11
15
-20
-6
14
20
-24
-5
19
60
-26
-2
24
На протяжении 2-х недель мы измеряли толщину и температуру снега, и температуру почвы под снегом. Полученные результаты мы записали в таблицу (Табл.4 – «Температура снега»), из которой видно, что чем больше толщина снега, тем выше температура почвы под снегом. Это говорит о том, что температура почвы под снегом также зависит от толщины снега.
Опыт №4 Изучение теплопроводности строительных материалов
В строительстве часто используют теплозащитные материалы. Теплозащитными называют строительные материалы и изделия, для тепловой защиты конструкций зданий и cооpyжений. Основной особенностью подобных материалов являются малая или средняя плотность и низкая теплопроводность. Мы решили узнать, какие строительные материалы имеют плохую теплопроводность и способны сохранять тепло в доме.
Необходимые приборы и материалы:
Измеритель теплопроводности материалов МИТ-1
Пенопласт
Пеноплекс
Бетон
Рис.8 – «Измерение теплопроводности пеноплекса»
Дерево
Кирпич
Ход работы:
Подключить МИТ-1 к источнику питания.
Сделать отверстие в материалах диаметром 6мм.
Вставить измерительный зонд МИТ-1 исследуемые материалы (Рис.8 – «Измерение теплопроводности пеноплеска»).
Снять показания.
Записать полученные результаты в таблицу.
Табл.5 – «Теплопроводность строительных материалов»
№
Материал
Теплопроводность, Вт/мК
1
Пенопласт
0,0446
2
Пеноплекс
0,0507
3
Дерево
0,0787
4
Бетон
1,055
5
Кирпич
1,095
Из полученной таблицы (Табл.5 – «Теплопроводность строительных материалов») видно, что наименьшей теплопроводностью обладает пенопласт (0,0446Вт/мК), значит, пенопласт способен долго удерживать тепло. Именно поэтому в строительстве пенопласт часто используют для обшивки домов. Хорошей теплопроводностью обладают бетон (1,055Вт/мК) и кирпич (1,095Вт/мК), это говорит о том, что бетон и кирпич плохо сохраняют тепло. Поэтому материалы, обладающие хорошей теплопроводностью, используют только для строительства домов.
Заключение
Подводя итоги исследования теплопроводности тканей, кухонной посуды, строительных материалов, снега, можно сделать следующие выводы:
Результаты исследования теплопроводности показывают, что чем лучше теплопроводность, тем хуже материал удерживает тепло. Если теплопроводность плохая, значит материал хорошо удерживает тепло и не пропускает холод.
Изучение теплопроводности доказывает, что теплопроводность вещества зависит от его агрегатного состояния. У твердых тел теплопроводность будет больше, чем у жидкостей или газов.
Теплопроводность тканей зависит от молекул, которые входят в состав тканей. Ткани, имеющие в своем составе молекулы, расположенные далеко друг от друга, имеют теплопроводность лучше, чем ткани с составом молекул, не имеющих воздуха между собой.
Изучение теплопроводности снега доказывает, что рыхлый снег является плохим носителем тепла, в то время как липкий снег способен хорошо удерживать тепло и согревать землю. Как показали исследования, толщина снежного покрова играет большую роль в изменении температуры почвы.
Изучение истории теплопроводности позволило нам узнать, что явление теплопроводности изучалось на протяжении несколько веков. Теплопроводность является одним из видов теплопередачи, в процессе которого частицы тела взаимодействуют друг с другом, стремясь сделать температуру тела одинаковой.
Теплопроводность различных материалов широко используется в строительстве, быту и часто встречается в повседневной жизни человека. Изучение теплопроводности имеет большое значение для здоровья и комфорта человека, а также играет бoльшую рoль в создании материала, полeзного для человека. Таким образом, создание и открытие веществ, обладающих теплоизоляционными свойствами, является одним из вaжнейших задач человечества.
Библиографический список
Беляевский И. А. Исследование теплопроводности различных веществ// Международный школьный научный вестник. – 2017. – №1. – С.72-76
Буховцев Б. Б., Мякишев Г. Я., Сотский Н. Н. Физика: учеб. для 10 кл. общеобраоват. учреждений: базовый и профил. уровни. – 16-е изд. – М.: Просвещение, 2007. 366с.
Коноплева Н. К. Алюминий, нержавейка… – выбираем домашнюю кастрюлю(посуду). – URL: http://www.liveinternet.ru/users/v0va07/post201139685
Прохоров А. М. Физичес кая энциклопедия в пяти томах. Советская энциклопедия, 1988. – 532с.
Чуянов В. А.Энциклопедический словарь юного физика. Сост. — М.: Педагогика, 1984.— 352 с., ил.
В природе:
Снег предохраняет озимые посевы от вымерзания.
Мех животных из-за плохой теплопроводности предохраняет их от переохлаждения зимой и перегрева летом. В технике: микроволновая печь – Используется излучение электромагнитных волн сверх высокой частоты (СВЧ), нагревающих еду. Функция гриль использует нагрев еды посредством конвекции
В отапливаемой комнате благодаря конвекции поток теплого воздуха поднимается вверх, а поток холодного опускается вниз. Холодильник– имеет герметичный корпус с хорошей теплоизоляцией, которая обеспечивается плохой теплопроводностью материалов прослойки стенок и их внутренней пластмассовой поверхности. Термос – За счет плохой теплопроводности прослойки стенок и отражающей тепловое излучение внутренней поверхности материала он может сохранять как низкую, так и высокую температуру жидкости в течение длительного времени. Утюг – Его подошва быстро прогревается, потому что обладает высокой теплопроводностью. Чайник– Благодаря хорошей теплопроводности дна и благодаря конвекции
вода в нём быстро прогревается. Конвекция в механике:
охлаждаются корпуса космических кораблей
обеспечивается водяное охлаждение двигателей внутреннего сгорания. Билет № 3 Количество теплоты. Удельная теплоемкость вещества. Их единицы. Формула для расчета количества теплоты, выделяющегося или поглощаемого при изменении температуры тела. Количество теплоты –энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче.
*Количество теплоты зависит от массы тела, следовательно, чем больше масса тела, тем больше теплоты нужно затратить, чтобы изменить его температуру.
*При остывании тело передаёт окружающим предметам тем больше теплоты, чем больше его масса.
*Количество теплоты зависит от разности температур тела.
*Количество теплоты, нужное для нагревания тела зависит, из какого вещества оно состоит.
Введение
С давних времен и до сегодняшнего дня люди задаются вопросом, как сохранить тепло. Проблемы поддержания температурного режима в доме, проблемы, связанные с теплой одеждой и посудой, наиболее часто становились причиной различных болезней, плохого питания и неспособности противостоять природным условиям. Решение этих проблем напрямую связано с теплопроводностью. Человеку важно знать, из какого материала состоит тот или иной предмет, понимать, от чего зависит его теплопроводность и быть готовым к его реакции в разных температурных условиях. В данной работе мы постараемся разобраться в этом, а также ответить на вопрос, почему некоторые предметы имеют хорошую теплопроводность, а некоторые совсем не проводят тепло?
Объектом исследования является явление теплопроводности.
Предметом исследования являются кухонная посуда, строительные материалы, ткани, снег.
Цель работы заключается в экспериментальном изучении теплопроводности тканей, кухонной посуды, строительных материалов и снега.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Изучить информацию о теплопроводности;
Исследовать теплопроводность различных веществ и материалов;
Объяснить наблюдаемые явления, основываясь на физических законах;
Представить свои примеры теплопроводности;
Описать роль теплопроводности в повседневной жизни и в строительстве.
Основными методами исследования являются:
Изучение литературы по теплопроводности материалов;
Проведение экспериментов по изучению теплопроводности;
Анализ полученных результатов.
Актуальность данной работы заключается в том, что она может стать полезным источником для изучения теории на уроках физики, а также пробудить в учениках интерес и любовь к физике. Кроме того, данная работа представляет собой первые шаги на пути к серьезным открытиям в сфере теплопроводности, способным изменить нашу жизнь в лучшую сторону.
Глава 1. Из истории открытия теплопроводности Явление теплопередачи
В современной жизни материальный комфорт в каждом доме связан с тепловыми явлениями. Без теплоты в доме, без посуды, удерживающей тепло, без теплой одежды зимой и без многого другого сейчас невозможно представить жизнь. В древности люди тоже не могли обойтись без теплой одежды и предметов быта. Поэтому многие ученые и философы начали интересоваться тепловыми явлениями еще в древние времена.
Явление теплопередачи изучалось несколько веков. Но, ни в древности, ни в средние века оно не было изучено до конца. Были лишь простые и единые описания теплопередачи. Ученые утверждали, что если температура вещества повышается, то оно получает теплоту, а если температура понижается, то вещество выделяет теплоту в окружающую среду.
На протяжении многих веков ученые изучали тепловые явления, однако их деятельность получила развитие только в XVIII веке благодаря изобретенному Галилеем термометру. Первые исследования с помощью термометра были посвящены калориметрии – методу измерения количества теплоты, изучению теплового расширения тел, явлений теплопроводности. Поэтому, можно считать, что основные понятия о теплоте появились именно в XVIII веке.
В сочинении «Мемуары о теплоте» ученые Антуан Лавуазье (1743-1794) и Пьер Лаплас (1749-1827) рассказали о развитии учения о теплоте, понятии температуры, количестве теплоты и о теплоемкости. Благодаря французским ученым явление передачи тепла начало активно изучаться, и появилось множество работ, посвященных изучению теплоты.
Одна из значимых работ появилась в 1701 году и была посвящена вопросам теплоты. В работе Ньютон сформулировал закон охлаждения тел. В законе говорилось о том, что температура тела уменьшается пропорционально по мере охлаждения, приближаясь к температуре окружающей среды. Выяснилось, что скорость охлаждения зависит от параметра k=αAC (коэффициента теплопроводности). Ньютон доказал, что с увеличением коэффициента k, тело будет охлаждаться быстрее (Рис.1 – «Изменение коэффициента теплопроводности»).
Дальнейшие исследования передачи теплоты показали, что процесс охлаждения осуществляется различными способами, которые имеют разную физическую силу. Так возникли излучение теплопроводности и тепловое излучение. Эти два самостоятельных направления отличаются друг от друга тем, что тепловое излучение может осуществляться даже в полном вакууме, а излучение теплопроводности нет, также первое не требует прямого контакта при теплопередаче, а для второго оно необходимо. При теоретическом анализе, основанного на законе охлаждения Ньютона, произошли некоторые трудности, но Фурье сформулировал, что поток тепла пропорционален разности градиенту температуры, таким образом, он сформулировал закон теплопроводности. Закон Фурье показывает, что количество теплоты Q, проходящее через площадку S, за время T, вдоль направления X определяется по формуле:
где dT/dx – изменение температуры на единицу длины, k – коэффициент теплопроводности.
Рис.1 – «Изменение коэффициента теплопроводности»
В 1744 – 1745 годах появилось утверждение о том, что тепловые явления обусловлены движением молекул тела. Данное утверждение высказал М.В. Ломоносов в своих «Размышлениях о причине теплоты и холода». Однако предположения Ломоносова расходились с действующими в то время теориями о теплоте. Поэтому, чтобы отличие взглядов Ломоносова и теорий теплоты стало очевидным, обратимся к XVIII столетию и представлениям о теплоте того времени. Теплоту представляли в виде невесомой и невидимой жидкости, которая впитывает поры тела. Жидкость, которая является невидимой и невесомой одновременно назвали теплородом.
В конце XVIII века английский физик Румфорд доказал правильность идеи Ломоносова. К такому выводу Румфорд пришел, когда наблюдал за изготовлением пушек. Он обратил внимание на то, что при сверлении ствола пушки сверло сильно нагревается. Это означало, что при трении тела нагреваются. Данное явление было известно еще в начале истории человечества. Древние люди с помощью трения добывали огонь, но они не смогли увидеть за этим явлением закон природы. Румофорд стал первым исследователем, кому это оказалось посильным. При наблюдении за сверлением ствола пушки у физика появился вопрос: отчего происходит нагревание тела? Не происходит ли нагревание оттого, что металлические опилки, полученные при сверлении, обладают меньшей теплоемкостью, чем сам ствол пушки? Ответ заключается в том, что количество теплоты металла при переходе в опилки может уместиться в них, только если будет повышение температуры.
Когда появилось предположение о том, что теплоемкость сплошного металла и теплоемкость опилок одинаковы, то оказалось, что объяснения Румфорда о нагревании металла неверно. Тогда Румфорд предположил, что теплота входит в изделие из воздуха. В доказательство физик залил водой рассверливаемый ствол пушки. Получилось так, что вода нагрелась и даже закипела. Значит и первое, и второе объяснения являются верными. Узнав свою правоту Румфорд заявил: «для того чтобы получить теплоту в неограниченном количестве, достаточно продолжить сверлить, при этом теплоту нельзя считать теплородом». Поэтому все тепловые явления следует рассматривать как движение.
Глава 2. Теплопроводность 2.1. Определение теплопроводности
Различают три вида теплопередачи: конвенция, излучение и теплопроводность. Конвенция – процесс передачи тепла движущими массами жидкости и газа. Тепловое излучение – перенос тепла в газообразной середе или вакууме в виде электромагнитных волн. Теплопроводность – способность материалов передавать через свою толщину тепловой поток. Тепловой поток возникает из-за разности температур на противоположных поверхностях.
Мы остановимся на третьем виде теплопередачи и узнаем о теплопроводности немного больше. Теплопроводность больше проявляется в сплошных твердых телах, а также теплопроводность находится и в капельках жидкостях и газах. В твердых материалах основным видом теплообмена является теплопроводность. Теплопроводность материалов зависит от средней плотности и химико-минерального состава, влажности, структуры и средней температуры материала. Известно, что чем меньше средняя плотность материала, тeм ниже его теплопроводность. Тeплопроводность увеличивается тогда, кoгда увеличивается влажность материала. Рaзличные материалы имеют разную теплопроводность, одни медленно проводят теплоту, другие – быстрeе. Поэтому и количественный показатель теплопроводности – коэффициент теплопроводности (λ (лямбда)) – бyдeт y всех материалов свой. С увеличением плотности, влажности и температуры материала повышается λ. Коэффициент теплопроводностизaвисит oт плотности, влaжности, тeмпературы и cтруктуры материала.
2.2. Суть теплопроводности
Теплопроводность происходит из-за движения тепла и взаимодействия его составляющих частиц друг с другом. Процесс теплопроводности стремиться сделать температуру всего тела одинаковой. Теплопроводность – это свойство тел проводить тепло, основанное на теплообмене, которое происходит между атомами и молекулами тела. Однако, при теплопроводности не происходит перенос вещества от одного конца тела к другому. Все потому, что у жидкостей теплопроводность небольшая. Газы тоже имеют маленькую теплопроводность.
Теплопроводность жидкости намного меньше теплопроводности твердого тела. Это зависит от молекул, которые наводятся в том или ином теле и от плотности. Жидкости имеют маленькую теплопроводность из-за того, что молекулы в ней расположены далеко друг от друга, в отличие от молекул твердого тела. Плотность газа меньше плотности жидкости, следовательно, молекулы газа находятся на большом расстоянии друг от друга, а это значит, что газы имеют теплопроводность меньше, чем любые жидкости.
Плохой теплопроводностью обладают не только газы и жидкости, но и волосы, шерсть, перья и бумага. Известно, что между волокнами этих веществ расположен воздух, а это преграда для передачи тепла. Поэтому шерсть обладает плохой теплопроводностью, а значит, что она не пропускает холод и способна удерживать тепло, поэтому в мороз смело можно надевать шерстяную кофту и не волноваться о том, что можно замерзнуть. Теперь нам известно, что благодаря плотно соединенным шерстяным волоскам кофта обладает плохой теплопроводность и не пропускает холод.
Глава 3. Экспериментальные работы по изучению и созданию теплопроводности различных материалов
В России в зимнее время года, температура на улице становится все ниже. Известно, что самые холодные зимы именно в нашей стране. Однако низкие температуры не останавливают отважных ребят, которые, несмотря на мороз, выходят слепить снеговиков и покататься на санках. В некоторых случаях через определенное время дети жалуются на озябшие руки и ноги. В то же время другие ребята продолжают играть и веселиться, несмотря на холод. Нам стало интересно, почему некоторые дети в одинаковой по внешнему виду одежде замерзают, а некоторые продолжают гулять, не обращая внимания на мороз. Мы попробовали разобраться в этом и изучить свойства различных тканей с точки зрения физики. Чтобы решить проблему с теплой одеждой, нам необходимо исследовать некоторые виды тканей на теплопроводность.
Опыт №1 Изучение теплопроводности тканей
Необходимые приборы и материалы:
Лед 2х4х2 см.
Полиэтиленовые пакетики 7х5 см.
Термометр
Флисовая ткань10х10 см.
Синтетическая ткань 10х10 см.
Фланелевая ткань 10х10 см.
а
б
Хлопковая ткань 10х10 см.
Рис.2 – «Изучение теплопроводности тканей»
Болоньевая ткань 10х10 см.
Трикотажная ткань 10х10 см.
Ход работы:
Подготовить лед и кусочки ткани одинакового размера.
Положить лед в полиэтиленовые пакетики и обернуть различными кусочками ткани (Рис.2а;б– «Изучение теплопроводности тканей»).
Завязать ткани со льдом так, чтобы воздух не попадал внутрь ткани.
Через 1 час измерить температуру льда во всех пакетиках с тканью.
Табл.1 – «Теплопроводность тканей»
Спустя 1 час лед во всех тканях растаял. Только в пакетике с флисовой тканью (№2) остался лед. Это означает, что флисовая ткань не пропускает тепло и обладает плохой теплопроводностью, а значит, во флисовой одежде зимой замерзнешь намного позже, чем, например, в болоньевой. Любая ткань в своем составе имеет волокна с воздухом, которые способные удерживать тепло. Если волокна с воздухом далеко расположены друг от друга, то ткань будет пропускать тепло. Если же волокна расположены близко, ткань наоборот будет удерживать тепло.
№
Ткань
Температура льда, °С
Температура воды, °С спустя час
1
Синтетическая
-8
+13,5
2
Флисовая
-8
+9,4
3
Хлопковая
-8
+11,2
4
Болоньевая
-8
+12,3
5
Фланелевая
-8
+15,4
6
Трикотажная
-8
+14,7
Из приведенной таблицы (Табл.1 – «Теплопроводность тканей») видно, что наименьшая температура воды (+9,4°С) сохранилась у флисовой ткани. Затем, по мере повышения температуры воды в ткани идет хлопковая ткань (+11,2 °С), болоньевая (+12,3°С), синтетическая (+13,5°С). Высокой теплопроводностью обладают трикотажная (+14,7°С) и фланелевая (+15,4°С) ткани.
Рис.3 – «Изменение температуры льда»
Любая ткань в своем составе имеет волокна с воздухом, которые способные удерживать тепло. Если волокна с воздухом далеко расположены друг от друга, то ткань будет пропускать тепло. Если же волокна расположены близко, ткань наоборот будет удерживать тепло.
Теплопроводность тканей можно выразить графически. Для этого начертим график зависимости (Рис.3 – «Изменение температуры льда») температуры (t,°С) от времени (Т, мин.).
Опыт № 2 Изучение теплопроводности кухонной посуды
Необходимые приборы и материалы:
Термометр
Кастрюля из нержавеющей стали
Эмалированная кастрюля
Чугунная кастрюля
Вода 54°С
Рис.4 – «Теплопроводность кухонной посуды»
Ход работы:
Налить воду одинаковой температуры во все кастрюли и закрыть их (Рис.4 – «Теплопроводность кухонной посуды»).
Измерить начальную температуру воды и стенок кастрюль, записать температуры.
Через 5 минут заново измерить температуру стенок и воды.
Измерять температуры на протяжении 1 часа, через каждые 5 минут.
Табл.2 – «Температура стенок кастрюли»
Мы измеряли температуру стенок кастрюль и записали полученные результаты в таблицу (Табл.2 – «Температура стенок кастрюли»), из которой видно, что температура стенок чугунной кастрюли не изменялась на протяжении 25 минут. Температура стенок эмалированной кастрюли на протяжении 20 минут не изменялась. Температура стенок кастрюли из нержавейки сразу начала снижаться. Это значит, что кастрюля из нержавейки имеет хорошую теплопроводность и не способна хорошо удерживать тепло.
№
Материал кастрюли
Начальная тем-ра стенок, °С
Температура стенок через:
5
10
15
20
25
30
35
40
60
1
Нержавейка
39
38,5
35
34,2
33,1
32,7
32,1
31,8
31
31
2
Эмаль
34
33,5
32,2
32,2
32
31,4
31,4
31
29,7
28
3
Чугун
33
33
33
33
33
33
32,6
32,4
32,2
32
Табл.3 – «Температура воды»
Также мы измеряли температуру воды в разных кастрюлях на протяжении 2 часов. Результаты опыта мы записали в таблицу (Табл.3 – «Температура воды»), из которой видно, что температура воды в кастрюле из нержавейки снижалась постепенно. Температура воды в чугунной кастрюле начала снижаться сразу.
№
Материал кастрюли
Начальная тем-ра воды, °С
Температура воды через:
15
20
25
30
60
120
1
Нержавейка
54
49,6
47,8
46,5
45,3
43,2
38,2
2
Эмаль
54
48,3
47,1
44,5
44,2
41,8
36,1
3
Чугун
54
45
44
42,6
42
40,2
33,4
Проанализировав две таблицы, можно сказать, что температура стенок чугунной кастрюли почти не изменилась, но температура воды сразу начала снижаться. Это говорит о том, что вода, находящаяся в кастрюле, нагревает ее, чтобы не позволить пройти воздуху и остудить воду. Поэтому если температура стенок кастрюли из нержавейки быстро снижаться, а температура воды остается прежней, то нержавеющий материал обладает хорошей теплопроводностью и не способен удержать тепло на долгое время.
Теплопроводность различных материалов, из которых сделаны кастрюли можно выразить графически, построив график зависимости (Рис.5 – «Изменение температуры стенок кастрюль») температуры стенок (t,°С) от времени (Т, мин.).
Рис.5 – «Изменение температуры стенок кастрюли»
Снижение температуры воды в кастрюлях из разных материалов можно выразить графиком зависимости (Рис.6 – «Изменение температуры воды в кастрюлях») температуры воды (t,°С) от времени (Т, мин.).
Рис.6 – «Изменение температуры воды в кастрюлях»
Опыт № 3 Изучение теплоизоляционных свойств снега
Фермеры часто задаются вопросом о том, как повысить переносимость живыми организмами и растениями низкой температуры в зимний период. Коэффициент теплопроводности снега примерно в 10 раз меньше, чем коэффициент теплопроводности почв. И в 10 раз больше коэффициента теплопроводности воздуха. Если снег рыхлый, то воздух заполняет промежутки между кристаллами снега и быстрее остужает почву, чем липкий снег. Кроме того, температура почвы под снегом зависит от толщины снежного покрова. Поэтому, чем больше толщина снежного покрова, тем медленнее изменяется температура почвы под снегом.
Необходимые приборы и материалы:
Термометр
Линейка
Рис.7 – «Измерение температуры снега»
Ход работы:
Измерить температуру на поверхности снега (Рис.7 – «Измерение температуры снега»).
Измерить толщину снежного покрова.
Измерить температуру на поверхности почвы под снегом.
Рассчитать разность температур.
Сравнить теплопроводность снега и температуру почвы при разной толщине снежного покрова.
Табл.4 – «Температура снега»
Записать полученные результаты в таблицу.
Толщина снежного покрова, см
Температура, °С
Разница температур, °С
На поверхности снега
На поверхности почвы под снегом
3
-13
-10
3
8
-18
-7
11
15
-20
-6
14
20
-24
-5
19
60
-26
-2
24
На протяжении 2-х недель мы измеряли толщину и температуру снега, и температуру почвы под снегом. Полученные результаты мы записали в таблицу (Табл.4 – «Температура снега»), из которой видно, что чем больше толщина снега, тем выше температура почвы под снегом. Это говорит о том, что температура почвы под снегом также зависит от толщины снега.
Опыт №4 Изучение теплопроводности строительных материалов
В строительстве часто используют теплозащитные материалы. Теплозащитными называют строительные материалы и изделия, для тепловой защиты конструкций зданий и cооpyжений. Основной особенностью подобных материалов являются малая или средняя плотность и низкая теплопроводность. Мы решили узнать, какие строительные материалы имеют плохую теплопроводность и способны сохранять тепло в доме.
Необходимые приборы и материалы:
Измеритель теплопроводности материалов МИТ-1
Пенопласт
Пеноплекс
Бетон
Рис.8 – «Измерение теплопроводности пеноплекса»
Дерево
Кирпич
Ход работы:
Подключить МИТ-1 к источнику питания.
Сделать отверстие в материалах диаметром 6мм.
Вставить измерительный зонд МИТ-1 исследуемые материалы (Рис.8 – «Измерение теплопроводности пеноплеска»).
Снять показания.
Записать полученные результаты в таблицу.
Табл.5 – «Теплопроводность строительных материалов»
№
Материал
Теплопроводность, Вт/мК
1
Пенопласт
0,0446
2
Пеноплекс
0,0507
3
Дерево
0,0787
4
Бетон
1,055
5
Кирпич
1,095
Из полученной таблицы (Табл.5 – «Теплопроводность строительных материалов») видно, что наименьшей теплопроводностью обладает пенопласт (0,0446Вт/мК), значит, пенопласт способен долго удерживать тепло. Именно поэтому в строительстве пенопласт часто используют для обшивки домов. Хорошей теплопроводностью обладают бетон (1,055Вт/мК) и кирпич (1,095Вт/мК), это говорит о том, что бетон и кирпич плохо сохраняют тепло. Поэтому материалы, обладающие хорошей теплопроводностью, используют только для строительства домов.
Заключение
Подводя итоги исследования теплопроводности тканей, кухонной посуды, строительных материалов, снега, можно сделать следующие выводы:
Результаты исследования теплопроводности показывают, что чем лучше теплопроводность, тем хуже материал удерживает тепло. Если теплопроводность плохая, значит материал хорошо удерживает тепло и не пропускает холод.
Изучение теплопроводности доказывает, что теплопроводность вещества зависит от его агрегатного состояния. У твердых тел теплопроводность будет больше, чем у жидкостей или газов.
Теплопроводность тканей зависит от молекул, которые входят в состав тканей. Ткани, имеющие в своем составе молекулы, расположенные далеко друг от друга, имеют теплопроводность лучше, чем ткани с составом молекул, не имеющих воздуха между собой.
Изучение теплопроводности снега доказывает, что рыхлый снег является плохим носителем тепла, в то время как липкий снег способен хорошо удерживать тепло и согревать землю. Как показали исследования, толщина снежного покрова играет большую роль в изменении температуры почвы.
Изучение истории теплопроводности позволило нам узнать, что явление теплопроводности изучалось на протяжении несколько веков. Теплопроводность является одним из видов теплопередачи, в процессе которого частицы тела взаимодействуют друг с другом, стремясь сделать температуру тела одинаковой.
Теплопроводность различных материалов широко используется в строительстве, быту и часто встречается в повседневной жизни человека. Изучение теплопроводности имеет большое значение для здоровья и комфорта человека, а также играет бoльшую рoль в создании материала, полeзного для человека. Таким образом, создание и открытие веществ, обладающих теплоизоляционными свойствами, является одним из вaжнейших задач человечества.
Библиографический список
Беляевский И. А. Исследование теплопроводности различных веществ// Международный школьный научный вестник. – 2017. – №1. – С.72-76
Буховцев Б. Б., Мякишев Г. Я., Сотский Н. Н. Физика: учеб. для 10 кл. общеобраоват. учреждений: базовый и профил. уровни. – 16-е изд. – М.: Просвещение, 2007. 366с.
Коноплева Н. К. Алюминий, нержавейка… – выбираем домашнюю кастрюлю(посуду). – URL: http://www.liveinternet.ru/users/v0va07/post201139685
Прохоров А. М. Физичес кая энциклопедия в пяти томах. Советская энциклопедия, 1988. – 532с.
Чуянов В. А.Энциклопедический словарь юного физика. Сост. — М.: Педагогика, 1984.— 352 с., ил.
В природе:
Снег предохраняет озимые посевы от вымерзания.
Мех животных из-за плохой теплопроводности предохраняет их от переохлаждения зимой и перегрева летом.
В технике:
микроволновая печь – Используется излучение электромагнитных волн сверх высокой частоты (СВЧ), нагревающих еду. Функция гриль использует нагрев еды посредством конвекции
В отапливаемой комнате благодаря конвекции поток теплого воздуха поднимается вверх, а поток холодного опускается вниз.
Холодильник– имеет герметичный корпус с хорошей теплоизоляцией, которая обеспечивается плохой теплопроводностью материалов прослойки стенок и их внутренней пластмассовой поверхности.
Термос – За счет плохой теплопроводности прослойки стенок и отражающей тепловое излучение внутренней поверхности материала он может сохранять как низкую, так и высокую температуру жидкости в течение длительного времени.
Утюг – Его подошва быстро прогревается, потому что обладает высокой теплопроводностью.
Чайник– Благодаря хорошей теплопроводности дна и благодаря конвекции
вода в нём быстро прогревается.
Конвекция в механике:
охлаждаются корпуса космических кораблей
обеспечивается водяное охлаждение двигателей внутреннего сгорания.
Билет № 3
Количество теплоты. Удельная теплоемкость вещества. Их единицы. Формула для расчета количества теплоты, выделяющегося или поглощаемого при изменении температуры тела.
Количество теплоты –энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче.
*Количество теплоты зависит от массы тела, следовательно, чем больше масса тела, тем больше теплоты нужно затратить, чтобы изменить его температуру.
*При остывании тело передаёт окружающим предметам тем больше теплоты, чем больше его масса.
*Количество теплоты зависит от разности температур тела.
*Количество теплоты, нужное для нагревания тела зависит, из какого вещества оно состоит.