МКОУ «Солдатско-Степновская средняя общеобразовательная школа»

Быковского муниципального района Волгоградской области

Исследовательская работа:

«Греет ли шуба?»

(предмет физика)

Авторы работы:

Абдулхалимова Хава,

Егорова Влада

ученики 8 класса

Научные руководители:

Чулкова Надежда Андреевна

учитель физики,

Чулков Александр Андреевич учитель технологии

2014 год

Содержание

Введение……………………………………………………………………………………..

2

§1. Природа теплоты………………………………………………………………………..

3

§2. Механизм теплопроводности…………….……………… ……………………………

4

§3. Роль теплопроводности в природе и технике ………………………………………..

5

§4. Экспериментальное изучение теплопроводности воздуха…………………………..

6

Заключение………………………………………………………………………………….

12

Список использованной литературы………………………………………………………

Приложение ………………………………………………………………………………...

13

14

Введение

Но как же жизнь бывает

непроста с той дамой,

что зовётся «Теплота»!

Актуальность: изучение современных достижений науки и техники в области теплообмена на экспериментальном уровне вызывает живой интерес в исследовании данной темы.

В зимнее время года возникает необходимо утеплять как самих себя, так и своё жильё, желательно используя современные достижения науки. Изучение этих достижений и определило выбор темы исследования.

Объект исследования - процесс теплопередачи.

Предмет - закономерности теплопроводности.

Цель исследования - экспериментальное изучение теплопроводности воздуха.

Гипотеза исследования: скорость теплопередачи будет зависеть от разности температур окружающей среды и тела.

Задачи:

1. Описать природу тепла.

2. Экспериментально определить зависимость скорости теплопроводности от разности температур.

3. Описать роль теплопроводности в природе и технике.

Методы исследования: анализ, синтез, сравнение, обобщение; измерение температуры, времени с помощью термометра и часов.

Практическая значимость: исследование в данной области позволяет разобраться в современных достижениях учёта теплопроводности в строительстве, технике, одежде и рационально применять их в повседневной жизни. Результаты исследования могут быть использованы на факультативных занятиях по физике, кружках, внеклассных мероприятиях по занимательной физике при изучении темы «Теплопроводность»

§ 1. Природа теплоты

Еще в 1744—1745 гг. М. В. Ломоносов в своих «Размышлениях о причине теплоты и холода» высказал утверждение о том, что тепловые явления обусловлены движением частиц тела — его молекул.

Чтобы стало очевидным принципиальное отличие взглядов Ломоносова от господствовавших тогда теорий, остановимся крат­ко на тех представлениях о теплоте, которые прочно сложи­лись к XVIII столетию.

Теплоту представляли себе в виде невесомой и невидимой жидкости, пропитывающей поры тела, как вода пропитывает губ­ку. Действительно, мы замечаем, что тепло от огня в очаге пере­дается через стенки котла в воду, из воды — в погруженную в нее ложку; горячая ложка, опущенная в холодную воду, нагре­вает последнюю. Всякий сумеет найти множество примеров, как бы подкрепляющих представление о теплоте как о жидкости, протекающей через тончайшие поры тела. Что эта жидкость не только невидима, но и невесома, было к тому времени установлено сравнительным взвешиванием холодного и горячего тел. Эту жидкость назвали теплородом.

Опытное доказательство правильности идей Ломоносова было дано лишь в конце XVIII в. Это сделал англий­ский физик Румфорд. Следя за изготовлением пушек в Мюнхенском арсенале, Рум­форд обратил внимание на то, что при сверлении и ствол пушки, и сверло сильно разогреваются. То, что при трении тела нагреваются, было известно задолго до его наблюдений. Еще на заре своей истории люди пользовались трением для добывания огня. Но Румфорд был истинным исследователем и увидел за этим обычным явлением закон природы. Румфорд спросил себя: не происходит ли нагревание оттого, что получаемые от сверления металлические опилки обладают меньшей теплоемкостью, чем обрабатываемый металл? В этом случае имеющееся в целом куске металла количество теплоты при переходе его в опилки может уместиться в них, только вызвав повышение температуры.

Однако оказалось, что теплоемкость сплошного металла и опилок одинакова, и поэтому дать такое объяснение явлению нельзя. Тогда Румфорд предположил, что при сверлении теплота входит в изделие из воздуха. Он проверил это предположение, заливая рассверливаемый ствол водой. Результат, од­нако, получился прежний — вода нагрелась и даже закипела. Вот тогда-то Румфорд заявил: если можно получить теплоту в неограниченном количестве, для чего достаточно только про­должать сверление, то теплоту нельзя считать веществом (теп­лородом), и поэтому все тепловые явления следует рассматри­вать как движение.

Вскоре известный английский химик Дэви указал, что, нати­рая два куска льда один о другой, можно их превратить в воду; потом он же показал, что даже в пустоте воск может быть рас­плавлен соприкосновением с трущимися телами; в согласии с Румфордом, Дэви также утверждал, что нагревание тел вызвано движением частиц.

§ 2. Механизм теплопроводности

Теплопроводность – это один из способов передачи тепла, при котором более нагретые части тела передают тепло менее нагретым. Движение, а, следовательно, и энергия, передаётся от частичек частичкам. При этом сами частички не перемещаются, они лишь начинают быстрее колебаться на своём месте. То есть механизм теплопроводности заключается в том, что усиление колебаний одних частиц вещества передаётся соседним частицам.

Различные тела по-разному передают или проводят тепло. Иначе говорят, что эти тела обладают различной теплопроводностью. Теплопроводность у различных веществ различна.

Свойство тел передавать тепло от более нагретых своих частей менее нагретым называют теплопроводностью.

Известно, что хорошую теплопроводность имеют металлы, особенно серебро и медь. Причина этого – во внутреннем строении металлов.

Наибольшей теплопроводностью обладают металлы — она у них в сотни раз больше, чем у воды. Исключением являются ртуть и свинец, но и здесь теплопроводность в десятки раз больше, чем у воды.

Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобожденное от воздуха пространство). Объясняется это тем, что теплопроводность — это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.

§ 3. Роль теплопроводности в природе и технике

Теплопроводность тел в трёх состояниях вещества различна. Именно этот факт используется в природе и технике.

Рис.1 Животные одеты в белую шубу

Так, например, вещества, являющиеся плохими проводниками тепла, называют изоляторами. Жидкости (кроме ртути) плохо проводят тепло, газы – ещё хуже. Самый лучший изолятор – безвоздушное пространство (вакуум). Из твёрдых веществ хорошими изоляторами являются кирпич, керамика, дерево. Так, например, дерево – лучший теплоизолятор, чем другие строительные материалы. Оно в шесть раз эффективней кирпича и в полтора раза – пенобетона.

Эти материалы используются в строительстве для лучшей теплоизоляции зданий.

Из какой кружки вы предпочитаете пить горячий чай – фарфоровой или металлической? Конечно, не желая получить ожог, вы выберите фарфоровую.

Воздух, лёд, снег, жир являются плохими проводниками тепла. Это спасает жизнь многим животным, обитающим в лесах и водных средах. Например, тетерев зимой спит, зарывшись головой в снег. А благодаря тому, что водоёмы покрываются льдом, который препятствует дальнейшему их промерзанию, выживают многие представители водной фауны.

Вы спросите, какую роль играет воздух в сохранении жизни животных? Не каждый из вас знает, что белая окраска, которую получают животные к зиме, помогает переносить им суровый климат. Например, заяц меняет свою «шубку» (рис.1) не только для того, чтобы зимой укрыться от хищников, но и для утепления. Когда из волос уходит пигмент, дающий окраску, в них собирается воздух. Этот воздух, благодаря плохой теплопроводности, защищает зайца от потери тепла. Северный медведь, полярная куропатка и другие полярные животные имеют белый окрас.

Если говорить о современных достижениях науки, где учитывается теплопроводность, то можно отметить появление нового вида белья это термобельё (рис.2)

Рис. 2. Термобельё

Благодаря уникальному плетению нитей ткани термобелья, в нем образовывается воздушная прослойка, которая не пропускает ни тепло, ни холод, так как воздух обладает плохой теплопроводностью. Такое белье можно носить и зимой, и летом.

§ 4. Экспериментальное изучение теплопроводности воздуха

Мы провели опрос среди учащихся нашей школы. В опросе приняли участие 70 учащихся нашей школы.

Первый вопрос: «Какая верхняя зимняя одежда самая теплая: шуба, дубленка или куртка»? 70% ответили, что шуба, 25% дубленка и 5% куртка. (см приложение 1)

Второй вопрос: «Шуба греет человека: да или нет»? 50% ответили, что да и 50% нет. (см приложение 2)

Что сказали бы вы, если бы вас стали уверять, будто шуба нисколько не греет? Вы подумали бы, конечно, что с вами шутят. Проверим это на ряде опытов. Для проверки гипотезы нами была проведена серия экспериментов.

Эксперимент №1

Для начала мы просто решили проверить, изменится ли температура окружающей среды (воздуха) под шубой. Мы зафиксировали показания термометра в комнате +24 градуса по Цельсию, затем закутали термометр в шубу. Через три часа достали термометр и вновь зафиксировали его показания. На термометре было + 24 градуса по Цельсию. Показания не изменились! Вот и доказательство, что шуба не греет. Вы могли бы заподозрить, что шубы даже холодят. Проведем 2 эксперимент.

Рис. 3 Эксперимент № 1

Эксперимент № 2

Второй эксперимент был проведен с кусочками льда, температура которых составляла -17 градусов по Цельсию. Мы взяли 2 одинаковых (по массе и температуре) кусочка льда. Один оставили при комнатной температуре (+28 градусов по Цельсию), второй при этой же температуре поместили под шубу. Вместе со льдом под шубу положили второй термометр, который при комнатной температуре показывал +28 по Цельсию. Через 1 час лед, находящийся в комнате, полностью растаял до состояния жидкости. Лед, который был под шубой, находился частично в жидком состоянии, частично в твердом состоянии. При этом температура внутри шубы оказалась ниже комнатной и была равна +16 градусам по Цельсию. Значит, шуба не только не согрела льда, но как будто даже холодила его, замедляя таяние!

Рис. 4. Проведение эксперимента № 2

Таблица 1

Результаты эксперимента№2 (в комнате)

Этапы исследования

Состояние воды

Температура, ⁰С

Начало исследования

В комнате

твердое

t_{1= – 16} ⁰C

Под шубой

твердое

t_{2= – 16} ⁰C

Конец исследования (через 1 час)

В комнате

жидкое

t_{3= +24} ⁰C

Под шубой

Частично твердое, частично жидкое

t_{4= + 13} ⁰C

Эксперимент № 3

Мы провели третий опыт, также с кусочками льда, но в другой температурной окружающей среде, а именно в коридоре, где температура была 8 градусов тепла по Цельсию, а температура кусочков льда -17 градусов по Цельсию. Вновь один кусочек льда мы оставили открытым, второй закутали в шубу. При таких условиях лед таял значительно дольше.

Через 24 часа кусочек льда, находящийся без шубы, полностью растаял до жидкого состояния. Достав же кусочек льда из-под шубы, мы увидели, что он находился целиком в твердом состоянии, нисколько не растаяв. Термометр внутри шубы при этом понизился до +1 градуса по Цельсию.

Результаты эксперимента№3 (на улице) представлены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты измерений в эксперименте№3 (в коридоре)

Этапы исследования

Состояние вещества

Температура, ⁰С

Начало исследования

в коридоре

твердое

t= -16⁰ С

под шубой

твердое

t= -16⁰ С

Конец исследования (через 24 часа)

в коридоре

жидкое

t= +10⁰ С

под шубой

твердое

t= +1⁰ С

Рис. 5 Эксперимент № 3

Выводы по проведенным опытам:

В открытом воздухе лёд поглощает тепло от внешней среды при этом наблюдается и конвекция и излучение, поэтому тает быстрее. По результатам исследования, проводимого в течение одного часа, мы увидели, что лед при комнатной температуре полностью растаял, превратившись в жидкое вещество, а под шубой процесс таяния проходил значительно медленнее.

Под шубой же наблюдается только теплопроводность воздуха, так как шуба представляет собой пористое тело, состоящего из волокон, между которыми находятся прослойки воздуха. А воздух, как известно, что обладает плохой теплопроводностью. Поэтому шуба является преградой и отгораживает лёд от теплого воздуха комнаты. Шубы действительно не греют, если под словом «греть» подразумевать сообщение энер­гии. Лампа греет, печка греет, человеческое тело греет, потому что все эти предметы являются источником энергии. Но шуба в этом смысле нисколько не греет. Она только мешает теплоте нашего тела уходить от него. Вот почему теплокровное животное, тело которого само является источником теплоты, будет чувство­вать себя в шубе теплее, чем без нее. Но термометр не является таким источником, и его температура не изменится оттого, что мы закутаем его в шубу. Лед, обернутый в шубу, дольше сохра­няет свою низкую температуру, потому, что шуба замедляет доступ к нему теплоты извне, от комнатного воздуха.

В таком же смысле, как шуба, снег греет землю: обладая, как все пористые тела, малой теплопроводностью, он мешает энергии уходить из почвы. В почве, защищенной слоем снега, термометр показывает нередко градусов на десять больше, чем в почве, не покрытой снегом.

Итак, на вопрос, греет ли шуба, надо ответить, что шуба только помогает нам греть самих себя. Вернее было бы говорить, что мы греем шубу, а не она нас.

Проведенные эксперименты подтверждают гипотезу о том, что скорость теплопередачи будет зависеть от разности температур окружающей среды и тела, а также позволяют сделать вывод о том, что шуба не греет, а лишь сохраняет тепло. В случае с кусочками льда, она не пропускала тепло извне.

Эксперимент № 4

Следующий эксперимент мы проводили на улице, изучая теплопроводность снега. Для этого в течение трех недель при разной температуре воздуха мы измеряли температуру почвы в зависимости от толщины снега. Порядок выполнения:

1. Выбираем 3-4 исследуемые точки.

2. Измеряем температуру на поверхности снега.

З. Измеряем толщину снежного покрова.

4. Измеряем температуру на поверхности почвы под снегом.

5. Рассчитываем разность температур.

6. Результаты занесли в таблицу.

Проводились измерения температуры от минус 2 до минус 20 градусов по Цельсию. Результаты эксперимента№4 (на улице) представлены в таблице 3 и на диаграмме (см приложение 3).

Таблица 3

Результаты измерений в эксперименте№4 (на улице)

Толщина снежного покрова, см

Температура, ºС

Разница температур, ºС

На поверхности снега

На поверхности почвы под снегом

1 опыт

 

 

 

20 см

-8 ºС

-7 ºС

1 ºС

30 см

-8 ºС

-6ºС

2ºС

50 см

-8 ºС

-5 ºС

3 ºС

2 опыт

 

 

 

20 см

-17ºС

-10 ºС

7 ºС

30 см

-17 ºС

-9 ºС

8 ºС

50 см

-17ºС

-7 ºС

10 ºС

Рис. 6 Эксперимент № 4

Несмотря на некоторые погрешности результатов, учитывая достаточно большое количество измерений, мы выявили ряд закономерностей.

1. С глубиной снега температура повышается. Чем глубже снег, тем больше разница температур между поверхностью снега и поверхностью почвы под снегом. Соответственно, чем меньше слой снега, тем меньше разница температур.

2. Чем ниже температура воздуха на улице, тем больше разница температур на поверхности снега и на поверхности почвы.

3. С ростом температуры воздуха, температура на поверхности почвы на небольшой глубине (до 20 см.) растет, а на большой глубине (80 см.) практически не меняется.

Кроме этого мы решили представить на графике зависимость температуры почвы под снегом от толщины снежного покрова.

Таким образом, снег, как и шуба, обладает теплозащитными свойствами. Плохая теплопроводность снега объясняется тем, что его кристаллы неплотно прилегают друг к другу, между ними оказываются промежутки, заполненные воздухом. Чем рыхлее снег, тем больше он содержит воздуха. Но теплопроводность воздуха, как известно, мала. Поэтому теплопроводность рыхлого снега значительно меньше, чем плотного. Изучение этих свойства снега имеет большое значение в сельском хозяйстве.

Заключение

Экспериментальное изучение теплопроводности позволяет утверждать, что шубы действительно не греют, если под словом «греть» подразумевать сообщение энер­гии. Лампа греет, печка греет, человеческое тело греет, потому что все эти предметы являются источником энергии. Но шуба в этом смысле нисколько не греет. Она только мешает теплоте нашего тела уходить от него. Вот почему теплокровное животное, тело которого само является источником теплоты, будет чувство­вать себя в шубе теплее, чем без нее. Но термометр не является таким источником, и его температура не изменится оттого, что мы закутаем его в шубу. Лед, обернутый в шубу, дольше сохра­няет свою низкую температуру, потому, что шуба замедляет доступ к нему теплоты извне, от комнатного воздуха.

В таком же смысле, как шуба, снег греет землю: обладая, как все пористые тела, малой теплопроводностью, он мешает энергии уходить из почвы. В почве, защищенной слоем снега, термометр показывает нередко градусов на десять больше, чем в почве, не покрытой снегом.

Итак, на вопрос, греет ли шуба, надо ответить, что шуба только помогает нам греть самих себя. Вернее было бы говорить, что мы греем шубу, а не она нас.

Список используемой литературы

1. Кириллова И. Г. Книга для чтения по физике: Учеб. пособие для учащихся 6—7 кл. сред. шк. /Сост. И. Г. Кириллова.— 2-е изд., пере-раб.— М.: Просвещение, 1986.— 207 с, ил.

2. Колесников К.А. Рабочая тетрадь по физике. Мои размышления при выполнении опытов в домашней лаборатории / К.А. Колесников—Киров, 2010—128 е.: ил.

3. Сёмке А.И. Практические работы по физике с экологическим содержанием. Естественнонаучный профиль. 9-11 классы -М.:Чистые пруды, 2008.-20с.

4. http://www.1tv.ru/prj/zdorovo/vypusk/5662

Приложение

Диаграмма 1

Диаграмма 2

Диаграмма 3

График зависимости температуры почвы под снегом от толщины снежного покрова.