3.3Температура и её физический смысл

Омский Научный центр Сибирского отделения Российской академии наук
Региональная общественная организация «Омский совет ректоров»
Омское региональное отделение Всероссийской общественной организации
«Русское географическое общество»
Детская областная общественная организация
«Научное общество учащихся «Поиск»
МКОУ «Вольновская СОШ» Полтавского района Омской области
XLV
Межрегиональная научно-практическая конференция
школьников и учащейся молодежи
Тема: «Кому зимой теплее»
Учебно-исследовательская работа
Научное направление: физика
Выполнил :
ученик 8 кл.
МКОУ «Вольновская СОШ»
Чебанчук Евгений Викторович
Руководитель:
учитель физики
МКОУ «Вольновская СОШ»
Михайлова Наталья Александровна
Омск - 2013
1
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………….. 2
2. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ……….............................................................................. 3
3.ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ………………………………………………4
3.1. ИСТОРИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ ТЕРМОМЕТРА……………………………..4
3.2. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ ……………………………………..6
3.3. Температура и её физический смысл …………………………. 6
3.4. Теплопроводность………………………………………………. 7
3.5. Применение теплопроводности ……………………………….. 10
4. Экспериментальная часть ……………………………………………... 13
5.Заключение ……………………………………………………………… 20
6.Список литературы ……………………………………………………… 23
2
1.Введение
В начале этого учебного года на уроках физики мы начали изучать
тему «Тепловые явления». Эта тема мне показалась очень интересной, и мне
захотелось углубить свои знания по этой теме.
При изучении темы «Тепловые явления» меня заинтересовали виды
теплопередачи, а именно теплопроводность, её практическое применение и
исследование в связи с изменением климатических условий на Земле.
Тепло имеет большое значение для жизни на Земле. Без нужного
количества тепла не могли бы существовать ни растительность, ни животный мир.
Различные вещества по-разному проводят тепло.
Также из жизненного опыта известно, что худые мёрзнут больше чем
те, у кого есть жировой подкожный слой. Я стал наблюдать, что чай с
сахаром остывает быстрее, чем чай с молоком некоторой жирности, а
мясной бульон ещё медленнее. Меня заинтересовало, как зависит скорость
остывания жидкости от толщины слоя жира на её поверхности. Ещё у меня
возник вопрос жир, какого животного лучше защищает от холода.
Как
можно защитить человека в сильный мороз, жиром какого животного
лучше натирать себя.
3
Цель работы: исследовать скорость остывания воды в зависимости от вида
жира (утиного, бараньего, свиного, говяжьего, медвежьего) на её
поверхности; скорости остывания воды от высоты слоя утиного жира на её
поверхности и наличия теплоизолятора.
Задачи:
1. Изучить имеющуюся литературу по теме исследования.
2. Спроектировать установку. Составить план эксперимента.
3. Подобрать необходимые приборы и материалы
4. Собрать и обработать данные, свести их в таблицы и провести анализ
результатов.
5. Сделать вывод, жир какого животного имеет лучшую теплопроводность, и
попробовать установить зависимость между этой величиной и
климатическими условиями обитания зверя, частности температуры.
Гипотеза: перед проведением эксперимента я предположил, что чем суровее
температурный режим места обитания животного, тем теплопроводность его жира
меньше. С такой гипотезой я начинал эксперимент, не боясь оказаться
заблудившимися, ведь в науке отрицательный результат, тоже результат.
Методы исследования: наблюдение, сравнение, измерения, эксперимент,
анализ.
Методика исследования:
Для решения поставленных задач работа была организована в несколько
этапов: сначала подбор литературы и изучение её по теме работы, затем
сборка установки и составление таблиц, для занесение результатов
эксперимента; на втором этапе – проведение исследования и обработка
данных, на третьем этапе – анализ результатов и выводы по ним.
Предметом исследования были взяты: жиры различных животных, вода.
4
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ.
3.1. ИСТОРИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ ТЕРМОМЕТРА
История термодинамики началась, когда в 1592 году Галилео Галилей
создал первый прибор для наблюдений за изменениями температуры, назвав
его термоскопом. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный
шарик с припаянной стеклянной трубкой. Шарик нагревали, а конец трубки
опускали в воду. Когда шарик охлаждался, давление в нем уменьшалось, и
вода в трубке под действием атмосферного давления поднималась на
определенную высоту вверх. При потеплении уровень воды в трубки
опускался вниз. Недостатком прибора было то, что по нему можно было
судить только об относительной степени нагрева или охлаждения тела, так
как шкалы у него еще не было.
Позднее
флорентийские
ученые
усовершенствовали
термоскоп
Галилея, добавив к нему шкалу из бусин и откачав из шарика воздух.
В 17 веке воздушный термоскоп был преобразован в спиртовой
флорентийским ученым Торричелли. Прибор был перевернут шариком вниз,
сосуд с водой удалили, а в трубку налили спирт. Действие прибора
основывалось на расширении спирта при нагревании, - теперь показания не
зависели от атмосферного давления. Это был один из первых жидкостных
термометров.
На тот момент показания приборов еще не согласовывались друг с
другом, поскольку никакой конкретной системы при градуировке шкал не
учитывалось. В 1694 году Карло Ренальдини предложил принять в качестве
двух крайних точек температуру таяния льда и температуру кипения воды.
В 1714 году Д.Г. Фаренгейт изготовил ртутный термометр. На шкале
он обозначил три фиксированные точки: нижняя, 32 °F - температура
замерзания солевого раствора, 96 ° - температура тела человека, верхняя 212
° F - температура кипения воды. Термометром Фаренгейта пользовались в
5
англоязычных странах вплоть до 70-х годов 20 века, а в США пользуются и
до сих пор.
Еще одна шкала была предложена французским ученым Реомюром в
1730 году. Он делал опыты со спиртовым термометром и пришел к выводу,
что шкала может быть построена в соответствии с тепловым расширением
спирта. Установив, что применяемый им спирт, смешанный с водой в
пропорции 5: 1, расширяется в отношении 1000: 1080 при изменении
температуры от точки замерзания до точки кипения воды, ученый предложил
использовать шкалу от 0 до 80 градусов. Приняв за 0 ° температуру таяния
льда, а за 80 ° температуру кипения воды при нормальном атмосферном
давлении.
В 1742 году шведский ученый Андрес Цельсий предложил шкалу для
ртутного термометра, в которой промежуток между крайними точками был
разделен на 100 градусов. При этом сначала температура кипения воды была
обозначена как 0 °, а температура таяния льда как 100 °. Однако в таком виде
шкала оказалась не очень удобной, и позднее астрономом М. Штремером и
ботаником К. Линнеем было принято решение поменять крайние точки
местами.
М.В. Ломоносовым был предложен жидкостный термометр, имеющий
шкалу со 150 делениями от точки плавления льда до точки кипения воды.
И.Г. Ламберту принадлежит создание воздушного термометра со шкалой 375
°, где за один градус принималась одна тысячная часть расширения объема
воздуха. Были также попытки создать термометр на основе расширения
твердых тел. Так в 1747 голландец П. Мушенбруг использовал расширение
железного бруска для измерения температуры плавления ряда металлов.
К концу 18 века количество различных температурных шкал
значительно увеличилось. По данным "Пилометрии" Ламберта на тот момент
их насчитывалось 19.
Температурные шкалы, о которых шла речь выше, отличает то, что
точка отсчета для них была выбрана произвольно. В начале 19 века
6
английским ученым лордом Кельвином была предложена абсолютная
термодинамическая шкала. Одновременно Кельвин обосновал понятие
абсолютного нуля, обозначив им температуру, при которой прекращается
тепловое движение молекул. По Цельсию это - 273,15 °С.
3.2. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ
На сегодняшний день существует много видов термометров: цифровые,
электронные, инфракрасные, биметаллические, дистанционные, термометры
сопротивления,
электроконтактные,
жидкостные,
термоэлектрические,
газовые, пирометры и т.д. Из всего этого многообразия наиболее
популярными являются ртутные и спиртовые.
Исходя из потребностей, на сегодняшний день можно купить любой
необходимый бытовой термометр. На товарном рынке представлено большое
разнообразие термометров различного назначения: медицинские, уличные,
оконные для любого вида окон (пластиковых или деревянных), комнатные
термометры для офиса и дома, для саун и бань, для чая и воды, для
аквариумов, для почвы, для автомобилей и т.д. И даже термометры для
инкубаторов, морозильных камер, винных погребов. Термометры на любой
вкус!
Цена во
популярностью
многом зависит от вида термометра. Наибольшей
пользуются
самые
простые
измерительные
приборы,
поскольку их стоимость отличается особенной демократичностью.
3.3Температура и её физический смысл
Любая термодинамическая система при неизменных внешних
условиях самопроизвольно переходит в состояние термодинамического
равновесия.
7
Температура тела – это физический параметр, одинаковый во всех частях
системы тел, которая находится в состоянии термодинамического
равновесия.
При тепловом равновесии микроскопические процессы внутри тела
(движение частиц и взаимодействие частиц) не прекращаются.
Термодинамическая система может находиться в различных состояниях
теплового равновесия, каждому из которых соответствует определённое
значение температуры. При теплообмене между телами происходит обмен
энергией: тела с большей энергией передают свою энергию телам с меньшей
энергией. Направление теплообмена между ними указывает разность
температур тел. То есть энергия передаётся от более горячего тела к менее
горячему.
Тепловое равновесие (или термодинамическое равновесие) – это такое
состояние, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго
остаются неизменными.
В состоянии термодинамического равновесия не происходит теплообмен с
окружающими телами, не изменяются объём и давление тела, отсутствуют
взаимные превращения жидкостей, газов и твёрдых тел.
3.4. Теплопроводность
Теплопроводность один из видов переноса теплоты (энергии теплового
движения микрочастиц) от более нагретых частей тела к менее нагретым,
приводящий к выравниванию температуры. При теплопроводности перенос
энергии в теле осуществляется в результате непосредственной передачи
энергии от частиц (молекул, атомов, электронов), обладающих большей
энергией, частицам с меньшей энергией.
B существовании теплопроводности нас убеждает ряд наблюдений
и экспериментов.
8
Налейте в стакан кипяток и опустите туда чайную ложечку,
придерживая ее пальцами. Вы почувствуете, что ложечка, которая
вначале была холодной, быстро становится горячей. Еще быстрее это
произойдет, если ваша ложечка окажется серебряной или алюминиевой.
Чтобы показать, что у разных веществ теплопроводность разная, ставят
следующий опыт. В стальной шарик вставляют три стержня одинаковой
длины и толщины - медный, стальной и стеклянный. На каждом из них
на равных расстояниях приклеивают воском гвоздики. Нагревая шарик
пламенем спиртовки или газовой горелки, видят, что сначала отваливаются
гвоздики от медного стержня, a затем - от стального. На стеклянном стержне
гвоздики очень долго держатся. Мы приходим к выводу, что теплопроводность
меди велика, поэтому она быстро прогревается, воск тает и гвоздики отпадают.
Теплопроводность стали значительно меньше теплопроводности меди, a
теплопроводность стекла - совсем маленькая.
Теплопроводность металлов.
Наибольшей теплопроводностью обладают металлы - она y них в
сотни раз больше, чем y воды. Исключением являются ртуть и свинец, но
и здесь теплопроводность в десятки раз больше, чем y воды.
Чем же вызвана столь большая теплопроводность металлов, которая в сотни
и тысячи раз больше, чем y изоляторов? Дело, очевидно, в структуре
металлов, в особенностях металлической связи.
B
самом
деле,
если
бы
теплопроводность
металлов
определялась только колебаниями частиц в узлах кристаллической
решетки, то она бы не отличалась от теплопроводности изоляторов. Но
в металлах есть еще множество свободных электронов - электронный
газ, который и обеспечивает их высокую теплопроводность.
B участке металла c высокой температурой часть электронов
приобретает большую кинетическую энергию.
9
Так как масса электронов очень мала, то они легко проскакивают десятки
промежутков между ионами. Говорят, что y электронов большая длина
свободного пробега. Сталкиваясь c ионами, находящимися в более холодных
слоях металла, электроны передают им избыток своей энергии, что
приводит к повышению температуры этих слоев.
Чем больше длина свободного пробега электронов, тем больше
теплопроводность. Именно поэтому y чистых металлов, где в кристаллической
решетке дефектов относительно мало, теплопроводность велика. У сплавов, где
дефектов решетки гораздо больше, длина свободного пробега меньше,
соответственно меньше и теплопроводность.
Теплопроводность газов.
Значительно меньше теплопроводность газов. Но обычные ссылки на
низкую теплопроводность газов далеко не всегда справедливы. Так,
теплопроводность гелия равна теплопроводности асбеста или бумаги,
теплопроводность водорода больше теплопроводности войлока, керосина,
эбонита, некоторых сортов бетона и равна теплопроводности плексигласа
или эбонита.
Явление теплопроводности газов аналогично диффузии. Оба эти
явления суть следствия беспорядочного теплового движения молекул (или
атомов) газа.
Из слоя c высокой температурой быстрые молекулы перемещаются в
более холодный слой. При этом в этот слой они переносят избыток энергии,
следовательно, температура газа возрастает. Молекулы, которые движутся c
меньшими скоростями, из холодного слоя переходят в более нагретый слой,
замещая молекулы, движущиеся c большими скоростями. За счет этого средняя
кинетическая энергия молекул в нагретом слое уменьшается, следовательно,
снижается его температура.
10
Теплопроводность жидкостей и твёрдых тел.
Совершенно
иначе
выглядит
механизм
теплопроводности
жидкостей и твердых тел. Здесь частицы вещества колеблются относительно
положений равновесия и их перескоки из одного слоя в другой происходят
сравнительно редко.
Когда мы повышаем температуру какого-либо участка твердого тела или
жидкости, то частицы вещества этого участка начинают более интенсивно
колебаться, т. e. возрастают их кинетическая и потенциальная энергии.
Соударяясь c частицами соседнего слоя, где температура ниже, более
энергичные частицы передают в этот слой избыток энергии, и его
Температура возрастает. Затем энергия передается в следующий слой и т. д.
Описанный механизм теплопроводности жидкостей и твердых тел
характерен для изоляторов. Он происходит достаточно медленно, в результате чего
теплопроводность изоляторов мала и сопоставима c теплопроводностью газов.
Среди изоляторов лишь алмаз обладает большой теплопроводностью. У
остальных веществ теплопроводность примерно такая же, как y воды, - в
несколько раз больше или меньше.
3.5. Применение теплопроводности
Вот как в книге А.Нечаева «Чудеса без чудес» описан некий
странный
случай
c
самоваром,
имеющий
непосредственное
отношение к теплопроводности:
«Однажды мне пришлось наблюдать такое интересное явление. Был
подан на стол самовар, из-под крышки валил пар. Стали заваривать
чай, но оказалось, что вода холодная! Попробовал я самовар рукой:
вверху и дотронуться нельзя - так он горяч, a внизу совсем
холодный. Первый раз в жизни я наблюдал такой удивительный
случай! Посмотрел я в трубу: она полна углей. Угли так и пышут;
11
самовар разогрет на славу. Но когда я вылил воду и вытряхнул угли
из трубы - все объяснилось. Нижние угли были крупные, плотные.
Они не разгорелись, горели только верхние. В итоге вверху вода
закипела, a внизу осталась холодной. Вышел интереснейший опыт,
который показал, что вода обладает плохой теплопроводностью».
Очень вкусна печенная на костре картошка. Чтобы ее испечь,
картофелины помещают в слой золы и углей. Так вот, и c картошкой
можно проделать один поучительный опыт: когда костер почти догорит,
разгребите его, возьмите крупную картофелину и наполовину закопайте
ее в землю, a сверху засыпьте золой и тлеющими углями. Через некоторое время вытащите картофелину из костра и проверьте её
готовность. Окажется, что верхняя часть картофелины испеклась
хорошо, a нижняя - совсем сырая. Этот опыт говорит o разной
теплопроводности картошки и земли (почвы).
Вещества c низкой теплопроводностью используются в качестве
теплоизоляторов. Войлок, сукно, вата, меха используются широко для этой
цели. Двойные стекла c прослойкой воздуха хорошо теплоизолируют
окна.
4. Температурный режим места обитания животного
Животное
Комфортная температура для
жизнедеятельности животного °С
Утка
От 2 до 20
Свинья
От –5 до 15
Баран
От –5 до 10
Бурый медведь
От 0 до 15
Корова
От 0 до 25
12
Животное
Критически низкая температура
для жизнедеятельности
животного °С
Утка
До – 5
Свинья
До – 10
Баран
До – 35
Бурый медведь
До – 35
Корова
До – 15
13
Эксперимент 1
Цель : исследовать скорость остывания воды в зависимости от вида жира
(утиного, бараньего, свиного, говяжьего) на её поверхности.
Снимем зависимость температуры воды от времени для разного вида
жира находящегося на поверхности воды.
Оборудование
l • Водяной термометр 4шт.
2• Мензурка с делениями 4 шт.
3• Утиный, свиной, бараний, говяжий жир,
медвежий.
4• Часы.
Схема установки
В первой мензурке на поверхности воды слой утиный жир толщиной 2 мм;
Во второй мензурке на поверхности слой свиного жира толщиной 2 мм;
В третьей мензурке на поверхности слой бараньего жира толщиной 2 мм;
В четвёртой мензурке на поверхности воды слой говяжьего жира толщиной
2 мм;
В пятой мензурке на поверхности воды слой медвежьего жира толщиной 2
мм;
Проведение эксперимента:
1. Готовим 5 мензурок
2. Нальём 80 мл горячей воды в мензурку и 2 мм жира, опустим
термометр и измерим температуру воды через каждые 5 минут, пока в
одной из мензурок не будет комнатная температура.
3. Повторим проделанное с остальными мензурками.
14
Эксперимент 2
Цель : исследовать скорость остывания воды в зависимости от высоты слоя
утиного жира на её поверхности.
Снимем зависимость температуры воды от времени для разной высоты
слоя и постоим график этой зависимости.
Оборудование
l • Водяной термометр 3шт.
2• Мензурка с делениями 3 шт.
3• Утиный жир.
4• Часы.
Схема установки
В первой мензурке жира на поверхности воды нет;
Во второй мензурке на поверхности слой жира толщиной 2 мм;
В третьей мензурке на поверхности слой жира толщиной 4 мм;
Проведение эксперимента:
1.Готовим 3 мензурки.
2.Нальём 80 мл горячей воды в мензурку, опустим термометр и измерим
температуру воды через каждые 5 минут, пока в одной из мензурок не будет
комнатная температура.
Повторим проделанное с остальными мензурками.
2. Добавим в 2 мензурки слой жира равный 2 мм.
3. Повторим проделанное, со слоем жира в 4 мм..
4. Наблюдаем за изменением температуры воды и результаты заносим в
таблицу.
Эксперимент 3
Цель : исследовать скорость остывания воды в зависимости от наличия
теплоизолятора.
15
Для выполнения этой задачи снимем зависимость температуры
воды от времени для разной высоты слоя и постоим график этой зависимости.
Оборудование
l • Водяной термометр 3шт.
2• Мензурка с делениями 3 шт.
3• Утиный жир жир.
4• Часы.
5• Небольшой кусок поролона для теплоизоляции мензурки.
Схема установки
В первой мензурке жира на поверхности воды нет, есть теплоизолятор;
Во второй мензурке на поверхности слой жира толщиной 2 мм, есть
теплоизолятор;
В третьей мензурке на поверхности слой жира толщиной 4 мм, есть
теплоизолятор;
Проведение эксперимента:
1.Для 3 мензурок готовим теплоизолирующий чехол из поролона
2.Нальём 80 мл горячей воды в мензурку, опустим термометр и измерим
температуру воды через каждые 5 минут, пока в одной из мензурок не будет
комнатная температура.
3.Повторим проделанное с остальными мензурками.
4.Добавим в 2 мензурки слой жира равный 2 мм.
5.Повторим проделанное, со слоем жира в 4 мм..
6.Наблюдаем за изменением температуры воды и результаты заносим в
таблицу.
16
Таблица 1
0 мин.
5 мин.
10 мин.
15 мин.
20 мин.
25 мин.
30 мин.
35 мин.
40 мин.
45 мин.
50 мин.
55 мин.
Утиный Свиной Бараний Медвежий Говяжий
жир
жир
жир
жир
жир
60
60
60
60
60
54
53
50
55
53
49
46
41
51
49
40
43
37
47
44
35
37
31
43
39
30
32
27
39
34
27
28
23
36
30
24
25
21
32
26
20
21
20
28
23
20
20
20
25
21
20
20
20
22
20
20
20
20
20
20
17
Таблица2.
время,
мин
Высота
слоя
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
Температура, оС
0 мм
2 мм
4 мм
50
47
43
39
37
35
33
32
31
30
29
28
27,5
27
26,5
26
25,5
25
24,5
50
48
46
44
42
40
38
37
36
35
34
34
33
33
32
32
31
31
31
50
48,5
47
45,5
44
42,5
41
39,5
39
38,5
38
37,5
37,5
37
37
36,5
36,5
36,5
36
18
Таблица 3.
Время,
мин
Высота
слоя
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
Температура, оС
0 мм и
2 мм и
4 мм и
теплоизоля теплоизоля теплоизолят
тор
тор
ор
50
50
50
49
50
50
48
49
50
47
49
49
46
48
49
45
48
49
44
47
48
43
47
48
43
47
48
42
46
48
42
46
47
41
46
47
41
45
47
40
45
47
40
45
46
40
45
46
40
44
46
39
44
46
39
44
46
19
60
т
е
м
п
е
р
а
т
у
р
а
50
40
0 мм
2 мм
4 мм
30
20
10
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
Время
20
Вывод
В результате проделанных экскрементов я получил, на мой взгляд,
очень интересные данные. Судя по результатам, в большинстве случаев идет
зависимость, чем суровее среда обитания животного, тем теплопроводность
его жира меньше.
Например, критически низкая температуря для более менее полной
жизнедеятельности медведя – 35 °С, а по данным моего исследования именно
у его жира теплопроводность самая плохая. Правда это прослеживается не у
всех
животных.
Судя
по
моим
исследованиям,
самая
хорошая
теплопроводность у бараньего жира, но температурный режим среды
обитания сходный со средой медведя, однако это можно объяснить тем, что у
барана хороший шерстяной покров.
Проводя эксперимент я убедился, что скорость остывания воды
напрямую зависит от высоты слоя жира на её поверхности. Из графика
видно, что температура воды медленнее всего убывает при наибольшей
высоте слоя жира и в теплоизоляции следовательно, жир имеет малую
теплопроводность. Следовательно, животные, которые имеют большую
жировую прослойку и хороший изолятор охлаждаются медленнее.
Я считаю, что моя гипотеза практически полностью подтвердилась.
Чем ниже температура в среде обитания животного, тем теплопроводность
его жира меньше. Судя по нашим результатам проделанной работы, есть и
другие факторы, влияющие на теплопроводность жира, но это уже поле
деятельности для других исследований.
21
Рекомендации:
По результатам данного исследования можно дать некоторые рекомендации:
1. Если вы собираетесь долгое время собираетесь провести на морозе, то
открытые участки тела можно смазать медвежьим жиром.
2. Результаты работы можно использовать на уроках физики для
активизации познавательной деятельности учащихся.
22
Литература
Литература.
Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т 3. - М.: Наука, 1979.
Трофимова Т. М. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1985.
Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1989.
http://revolution.allbest.ru/
http://av-physics.narod.ru/molecule/thermal-balance.htm
http://project.1september.ru/work.php?id=575874
23