Остывание жидкости в открытом сосуде
ФГБОУ ВПО ЯрГУ им. Университетский колледж
Исследование скорости остывания воды в сосуде
при различных условиях
Выполнила команда:
Electroniki
Игровой номер команды:
13f1323
Ярославль, 2013
Краткая характеристика параметров исследования
Температура
Понятие температуры тела представляется на первый взгляд простым и понятным. Из повседневного опыта каждый знает, что бывают тела горячие и холодные.
Опыты и наблюдения показывают, что при контакте двух тел, из которых одно мы воспринимаем как горячее, а другое как холодное, происходят изменения физических параметров как первого, так и второго тела. «Физическая величина, измеряемая термометром и одинаковая у всех тел или частей тела, находящихся в термодинамическом равновесии друг с другом, называется температурой». Когда термометр приводят в контакт с изучаемым телом, мы видим разного рода изменения: движется “столбик” жидкости, меняется объем газа и т. п. Но вскоре между термометром и телом обязательно наступает термодинамическое равновесие – состояние, при котором остаются постоянными все величины, характеризующие эти тела: их массы, объемы, давления и так далее. С этого момента термометр показывает не только свою температуру, но и температуру изучаемого тела. В повседневной жизни наиболее распространен способ измерения температуры с помощью жидкостного термометра. Здесь для измерения температуры используется свойство жидкостей при нагревании расширяться. Для измерения температуры тела термометр приводят с ним в контакт, между телом и термометром осуществляется процесс теплопередачи до установления теплового равновесия. Чтобы процесс измерения не изменил заметно температуру тела, масса термометра должна быть значительно меньше массы тела, температура которого измеряется.
Теплообмен
Практически все явления внешнего мира и различные изменения в человеческом организме сопровождаются изменением температуры. Явления теплообмена сопутствуют всей нашей повседневной жизни.
В конце 17 века известный английский физик Исаак Ньютон высказал гипотезу: «скорость теплообмена между двумя телами тем больше, чем сильнее отличаются их температуры (под скоростью теплообмена понимаем изменение температуры в единицу времени). Теплообмен всегда происходит в определённом направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой. В этом нас убеждают многочисленные наблюдения, даже на бытовом уровне (ложка в стакане с чаем нагревается, а чай остывает). Когда температура тел выравнивается, процесс теплообмена прекращается, т. е. наступает тепловое равновесие.
Простое и понятное утверждение о том, что самостоятельно теплота переходит только от тел с более высокой температурой к телам с меньшей температурой, а не наоборот, является одним из основополагающих законов в физике, и называются II законом термодинамики, этот закон был сформулирован в XVIII веке немецким учёным Рудольфом Клаузиусом.
Исследование скорости остывания воды в сосуде при различных условиях
Гипотеза: Мы предполагаем, что скорость остывания воды в сосуде зависит от слоя жидкости (масла, молока) налитого на поверхность воды.
Цель: Определить влияет ли поверхностным слой масла и поверхностный слой молока на скорость остывания воды.
Задачи:
1. Изучить явление остывания воды.
2. Определить зависимость температуры остывания воды с поверхностным слоем масла от времени, результаты записать в таблицу.
3. Определить зависимость температуры остывания воды с поверхностным слоем молока от времени, результаты записать в таблицу.
4. Построить графики зависимостей, провести анализ результатов.
5. Сделать вывод о том, какой поверхностный слой на воде оказывает большее влияние на скорость остывания воды.
Оборудование: стакана лабораторный, секундомер, термометр.
План эксперимента:
1. Определение цены деления шкалы термометра.
2. Провести измерение температуры воды при остывании через каждые 2 минуты.
3. Провести измерение температуры при остывании воды с поверхностным слоем масла через каждый 2 минуты.
4. Провести измерение температуры при остывании воды с поверхностным слоем молока через каждый 2 минуты.
5. Результаты измерений занести в таблицу.
6. По данным таблицы построить графики зависимостей температуры воды от времени.
7. Рассчитать скорость остывания воды для каждого случая.
8. Проанализировать результаты и дать их обоснования.
Выполнение работы
Сначала мы нагрели воду в 3 стаканах до температуры 71,5⁰С. Затем мы налили в один из стаканов растительное масло, в другой молоко. Масло распределилось по поверхности воды, образуя равномерный слой. Растительное масло – продукт, извлекаемый из растительного сырья и состоящее из жирных кислот и сопутствующих им веществ. Молоко перемешалось с водой (образуя эмульсию), это свидетельствовало о том, что молоко либо разбавлено водой и не соответствует заявленной на упаковке жирности, либо является изготовленным из сухого продукта и в том и другом случае физические свойства молока изменяются. Натуральное молоко неразбавленное водой в воде собирается сгустком и некоторое время не растворяется. Чтобы определить время остывания жидкостей, мы фиксировали температуру остывания через каждые 2 минуты.
Таблица. Исследование времени остывания жидкостей.
t, мин жидкость | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 | 16 | 18 | 20 | |
вода, t,⁰С | 71,5 | 66 | 64 | 61 | 59 | 57 | 55 | 53 | 52 | 50 | 49 |
вода с маслом, t,⁰С | 71,5 | 66 | 64 | 62 | 61 | 60 | 58,5 | 57,5 | 56,5 | 55 | 53,5 |
вода с молоком, t,⁰С | 71,5 | 64 | 62 | 59,5 | 57 | 55 | 53 | 51,5 | 50 | 49 | 47,5 |
По данным таблицы мы видим, что начальные условия во всех экспериментах были одинаковыми, но через 20 минут проведения эксперимента жидкости имеют разные температуры, значит они имеют различные скорости остывания жидкости.
Более наглядно это представлено на графике.
В координатной плоскости с осями температура и время отметили точки, отображающие зависимость между этими величинами. Усредняя значения, провели линию. На графике получилась линейная зависимость температуры остывания воды от времени остывания при различных условиях.
Рассчитаем скорость остывания воды:
а) для воды
0-10 мин (ºС/мин)
10-20 мин (ºС/мин)
б) для воды с поверхностным слоем масла
0-10 мин (ºС/мин)
10-20 мин (ºС/мин)
б) для воды с молоком
0-10 мин (ºС/мин)
10-20 мин (ºС/мин)
Как видно из расчётов медленнее всего остывала вода с маслом. Это обусловлено тем, что слой масла не позволяет воде интенсивно обмениваться теплом с воздухом. Значит теплообмен воды с воздухом замедляется, скорость остывания воды уменьшается, вода дольше остается более горячей. Это можно использовать при приготовлении пищи, например при варке макарон, после закипания воды добавить масло, макароны быстрее сварятся да еще и слипаться не будут.
Вода без каких либо добавок имеет скорость остывания наибольшую, значит и остынет быстрее.
Вывод: таким образом, мы экспериментально убедились, что поверхностный слой масла оказывает большее влияние на скорость остывания воды, скорость остывания уменьшается и вода остывает медленнее.
Источник
Цель урока: дать представление об
измерениях, проводимых с помощью термометра,
выявить особенности остывания воды, используя
метод научного познания, закрепить умение
решению задач на расчёт количества теплоты.
Задачи урока.
Образовательные:
знания: учащиеся должны из опыта сделать
выводы о зависимости остывания воды от разности
температуры воды и окружающей среды.
умения: провести самостоятельное
исследование, оформить результаты исследования
в виде графика, самостоятельное решение задач на
расчёт количества теплоты
Развивающие: развитие речи, восприятия
внешнего мира, способность наблюдать, выдвигать
гипотезы, строить план эксперимента
Воспитательные: работа в парах, требования
техники безопасности при проведении
эксперимента.
| Основная дидактическая цель | – формирование умений: наблюдать, анализировать, сравнивать, обобщать. – |
| Форма урока | – лабораторная работа – решение |
| Основное содержание | – лабораторная работа № 1 “Исследование изменения температуры остывающей воды со временем” – решение задач на расчёт |
| Оборудование | для лабораторной работы: калориметры – 10, термометры – 10, чайник с горячей водой, калориметр -1, железный стакан калориметра – 1, термометры – 2 |
| ИКТ к уроку | – презентация |
Раскрытие содержания этапов урока
I. Организационный
Какие явления мы изучаем? (Тепловые)
Запишите в тетради тему урока. “Остывание
воды.
Расчёт количества теплоты при охлаждении и
нагревании”.
На уроке вы познакомитесь с первой
лабораторной работой по тепловым явлениям, и
закрепим умения по решению задач на расчёт
количества теплоты при охлаждении и нагревании.
II. Изучение нового материала
1. Актуализация знаний.
На экране слайды презентации урока.
| Учитель | Ученик |
| 1. Что характеризует физическая величина – температура? 2. Какая величина 3. Какую систему можно назвать 4. Назовите единицы измерения температуры. 5.В чём заключается процесс измерения 6. Какое явление лежит в принципе работы 7. Из приведённого ниже списка укажите прибор,
8. Стр. 287 учебника найдите сведения об 9. Объект, с которым мы будем работать- вода. Назовите причину широкого использования воды низкая теплопроводность высокая теплопроводность низкая удельная теплоемкость высокая удельная теплоемкость Назовите причину широкого использования воды низкая теплопроводность высокая теплопроводность низкая удельная теплоемкость высокая удельная теплоемкость Какая из физических величин измеряется в Теплоёмкость Удельная теплоёмкость Удельная теплота парообразования Удельная теплота плавления 10. Удельная теплоёмкость воды – 4200 Дж/кг•°С 11. При остывании горячей воды у её молекул 1) увеличилась кинетическая энергия 2) уменьшилась кинетическая энергия 3) увеличилась потенциальная энергия 4) уменьшилась потенциальная энергия Вода – удивительное вещество в природе. Имеет самую большую удельную теплоёмкость. Имеет плотность наибольшую при температуре + На уроке мы исследуем особенности остывания | Ответы с использованием Стр. 55-57 Что такое калориметр? Стр. 287 учебника |
2. Техника безопасности при проведении
лабораторной работы.
Изучение правила измерения температуры
лабораторным жидкостным термометром.
1. Термометр привести в соприкосновение с телом,
температуру которого следует измерить. С
термометром обращаться бережно. Не встряхивать!
2. Выждать, пока показания термометра перестанут
изменяться, то есть температура термометра
сравняется с температурой исследуемого тела.
3. Произвести отсчет по шкале термометра. Все это
время контакт термометра с телом следует
сохранять.
4. Убрать термометр в футляр. Если измерялась
температура жидкости, то термометр нужно
предварительно вытереть.
Инструктаж и запись в журнале.
3. Лабораторная работа № 1. “Исследование
изменения температуры остывающей воды во
времени”.
Записи в тетради для лабораторной работы.
Цели работы: установить зависимость
изменения температуры от разности температур
воды и окружающей среды
Оборудование: калориметр, термометр, горячая
вода.
Выполнение.
1. Определяю цену делений шкалы термометра.
Ц.д. =
Температура воздуха в комнате…
2. Произвожу измерение температуры воды через
каждые 5минут. Измеренные значения заношу в
таблицу.
Таблица 1. Результаты измерений
| Время в мин | 5 | 10 | 15 | 20 | |
| Температура воды в калориметре в °С |
3. По данным таблицы построить график
зависимости температуры остывающей воды от
времени. Выбираю масштабы по осям: 1 клетка – 1
минута; 5 клеток – 10 градусов Цельсия.
График 1. Зависимость температуры остывающей
воды от времени.
4. Анализ данных графика
Подсчитать скорость изменения температуры
воды на этапах:
Этап 0-5 мин. Скорость остывания
Этап 5-10 мин. Скорость остывания
Этап 10-15 мин. Скорость остывания
Этап 15-20 мин. Скорость остывания
5. Выводы. Скорость изменения температуры
воды уменьшается с течением времени.
Объясните, почему так происходит. Обсуждение
объяснений учащихся.
III. Закрепление.
Олимпиадные задачи из рекомендации МИОО.
У Кати и Маши в чашках горячий кофе. Катя
сразу добавила в него холодное молоко и
подождала 5 минут, чтобы напиток остыл.Маша подождала 5 минут и добавила холодное
молоко.Одинаковой ли температуры оказались напитки у
девочек?Масса и начальная температура напитков у
девочек одинаковы. Чашки одинаковы, и находятся
на одинаковом столе.Ответ. У Маши в чашке оказался более холодный
напиток. Теплообмен шёл интенсивнее, так как в
течение 5 минут разность температур кофе и
окружающего воздуха была больше, чем у Катиной
кружки и воздуха
Задачи на закрепление.
- Как рассчитать количество теплоты, отданное
водой при охлаждении? При нагревании? - Рассчитайте, какое количество теплоты отдала
вода массой 1,5 кг при остывании от 70°С до
комнатной температуры? На сколько градусов
нагрелся воздух в комнате, если бы всё количество
теплоты, отданное водой пошло на его нагревание? - Работа с таблицей 2 стр. 64. Какая ложка – из
алюминия или из меди нагреется больше при
сообщении ложкам одинакового количества
теплоты? - Задачи из рабочей тетради стр. 33 № 6 и № 7.
Рефлексия.
Задачи 10-11 из рабочей тетради.
Домашнее задание § 14 , упр. стр. 67 № 1-3,
индивид.: Из сб. Кирик – высокий уровень.
Итоги урока. Оценки.
Источник
Сегодня довести воду до кипения не представляет каких-либо трудностей. Для этого нужно всего лишь включить на кухне плиту и поставьте на нее чайник. Обычно кипячение воды занимает всего несколько минут. Но вы наверняка замечали, что после кипения вода охлаждается до своей первоначальной температуры гораздо дольше. Чтобы остыть до двадцати градусов по Цельсию может потребоваться несколько часов (в зависимости от конструкции чайника). Почему вода нагревается быстро, а охлаждается так медленно?
Быстрый нагрев и медленное охлаждение
Давайте рассмотрим это явление на примере металлического чайника, наполненного водой. Вода, которую нужно нагреть от нормальной комнатной температуры (около 20 градусов по Цельсию) до температуры кипения, должна преодолеть разницу в 80 градусов. При этом она поглотит определенное количество энергии, которая преобразуется в кинетическую энергию молекул воды.
Источник изображения: mineral-medix.com
Количества тепла, необходимое для нагрева тела определенной температурой, можно рассчитать с использованием следующего соотношения:
Q = масса тела * удельная теплоемкость * разница температур
Из этой простой формулы есть несколько интересных следствий. Чем больше масса тела, тем больше тепла оно потребляет. Разные вещества потребляют разное количество энергии. Чем выше желаемая температура, тем больше энергии нам потребуется на нагрев.
Охлаждение работает точно так же, но с одним небольшим отличием – тепло в этом случае передается от горячей воды во внешнее пространство вокруг чайника.
Температура варочной панели обычно составляет несколько сотен градусов Цельсия. Поэтому она может передавать значительное количество энергии в воду и быстро нагревать ее до температуры, при которой она начинает испаряться (100 °С) Для такого же быстрого охлаждения нам понадобится такая же большая разница температур – температура внешней среды должна быть минус несколько сотен градусов Цельсия. Безусловно, ничего подобного в природе не встречается, поскольку минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело во Вселенной -273,15°С (абсолютный ноль температуры). А наш хладагент (воздух вокруг чайника) имеет температуру около + 20 °C. Таким образом, охлаждение происходит намного медленнее, чем нагрев воды.
Тепло – вид энергии
Большинство людей недооценивает количество энергии, которую потребляет вода для ее нагрева. Для нагрева 1 кг воды на 1 градус требуется 4187 Дж. На первый взгляд это не очень интересно.
Но представьте, что мы приложим то же количество энергии не для нагрева 1 кг воды, а для ее ускорения (кинетическая энергия).
Источник изображения: dw.com
Согласно формуле E = (m * v2) / 2, 1 кг воды при приложении 4187 Дж энергии достигнет скорости 329 км / ч. Это скорость, которую развивают некоторые скоростные поезда при оптимальных условиях.
Точно так же эта энергия может быть затрачена на преодоление гравитационного поля Земли. Тогда 1 кг воды будет находиться на высоте 426 метров (высота Эйфелевой башни 324 метра)
Эйфелева Башня. Источник изображения: REUTERS/Gonzalo Fuentes
До сих пор мы говорили о количестве энергии, необходимой для повышения температуры воды на один градус….А теперь представьте, какое количество энергии скрывается в 62 кг «живого веса» человека ( (среднее значение), если наши тела обычно на 20 градусов теплее окружающей среды.
Источник изображения: pixabay.com
Если вам понравилась статья, то поставьте лайк и подпишитесь на канал Научпоп. Наука для всех. Оставайтесь с нами, друзья! Впереди ждёт много интересного!
Источник
Автор:
Бреусов Андрей, Скрипкин Михаил.
Исследовательско-эксперимантальная работа, целью которой проверка на опыте, как зависит скорость остывания воды от наличия (отсутствия) на поверхности слоя масла.
Скачать:
Предварительный просмотр:
Муниципальное образовательное учреждение
Большекошинская средняя общеобразовательная школа
Селижаровского района Тверской области
Исследовательская работа по теме:
Экспериментальная проверка изменения скорости остывания воды в сосуде.
Выполнили: Бреусов Андрей, обучающийся 10 класса
Скрипкин Михаил, обучающийся 10 класса
Руководитель: Скрипкина Ирина Валерьевна,
учитель физики
2013
План проведения эксперимента.
1. Сформулировать (уяснить) проблему исследования.
2. Выяснить роль эксперимента в решении данной проблемы.
Определить его цель.
3. Подобрать необходимые приборы и материалы.
4. Определить порядок проведения эксперимента.
5. Выбрать способ отслеживания данных опыта (наблюдений, измерений).
6. Провести эксперимент, выполнить необходимые наблюдения и измерения.
7. Провести обработку результатов измерений, оценить их точность.
8. Проанализировать и интерпретировать полученные результаты, сформулировать
вывод.
9. Оформить отчет о проведении эксперимента.
Цель эксперимента: проверить на опыте, как зависит скорость остывания воды от наличия (отсутствия) на поверхности слоя масла.
Приборы и материалы: одинаковые стеклянные сосуды (стаканы) – 2 шт., электронный термометр – 2 шт., измерительный цилиндр (мензурка), часы (секундомер), теплая вода, растительное масло.
Ход работы:
- Отмерить мензуркой 200мл теплой воды. Разлить её в одинаковом количестве (по 100 мл) в стаканы.
- Поместить в сосуды с водой термометры, измерить начальную температуру воды.
- Аккуратно влить в один из сосудов растительное масло.
- Снимать показания термометров через равные промежутки времени (5 минут).
- Результаты измерений занести в таблицу.
Время t, мин. | Температура воды в сосуде с маслом, t, ºС | Температура воды в сосуде без масла, t, ºС |
- Построить график зависимости температуры воды в обоих сосудах от времени.
- Проанализировать и интерпретировать полученные результаты, сформулировать
вывод.
Отчет о проведении эксперимента.
- Таблица измерений
Время t, мин. | Температура воды в сосуде с маслом, t, ºС | Температура воды в сосуде без масла, t, ºС |
5 | 34,7 | 34,7 |
10 | 34,1 | 33,6 |
15 | 33,3 | 32,4 |
20 | 32,6 | 31,3 |
25 | 31,9 | 30,4 |
30 | 31,2 | 29,5 |
- График зависимости температуры воды от времени.
.
- Вывод: вода под слоем масла остывает медленнее.
- Анализ результатов и их обоснование :Если лишить жидкость возможности испаряться, то охлаждение ее будет происходить гораздо медленнее. Слой масла на поверхности мешает выходу «быстрых», т.е. обладающих большой кинетической энергией, молекул воды. Поэтому и внутренняя энергия жидкости почти не изменяется, и ее температура падает медленно. Само масло испаряется крайне медленно, так как его молекулы большие и более сильно притягиваются друг к другу, чем молекулы воды.
Источник