Исследовательская работа "Термос"

Министерство образования и науки РТ Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Муслюмовская СОШ  им. Г.Тукая»  Муслюмовского муниципального района РТ

Направление: Физика

Исследовательская работа

«Термос»

Работу выполнили: ученицы  8а класса

Шаймухаметова Регина, Нуретдинова Разиля

Руководитель: Минниярова Лилия  Борисовна    

Муслюмово-2020

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………...………………………………....................3

Глава 1. Секреты термоса

1.1. Что такое термос………..………….…………............................................4

1.2. История создания термоса………..………........….....................................4

1.3. Конструкция термоса …………..…………................................................5

1.4. Сущность физических явлений, происходящих внутри термоса……... 5

1.5. Виды теплопередач ……………….............................................................6

Вывод ………………………………..................................................................8

Глава 2. Практическая часть.

2.1.  Изучение и сравнение характеристик заводских термосов…………….9

2.2. Изготовление термоса в домашних условиях……………………..........10

Вывод ……………………….............................................................................13

Заключение ……………………………............................................................14

Литература ……………………………............................................................15

Введение                                                                                                                                            Люди часто пользуются термосом, не задумываясь о том, как он работает. Ведь даже через несколько часов обычный чай в термосе остаётся такой же горячий. Поэтому его удобно брать на рыбалку, охоту или на работу. На сегодняшний день существует масса фирм производителей термосов и в продаже можно найти целый ряд изделий, различающихся по способности сохранять тепло, емкости, дизайну, цене. И поэтому цена современного термоса колеблется от 500 до 1000 рублей.  Это и определило проблему нашего исследования:

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

Таким образом, цель нашей работы: исследовать имеющиеся термосы на способность сохранять тепло и их свойства, обеспечивающие удобство и практичность для использования в повседневной жизни, изготовить термос в домашних условиях.

Исходя из цели исследования, были поставлены следующие задачи:

•  изучить теоретический материал, раскрывающий понятие термос, принципы работы термоса, его физические свойства;
•  обобщить наблюдения, раскрывающие условия остывания жидкости в термосе;
•  определить материалы, необходимые для создания термоса в домашних условиях;
•  создать термос в домашних условиях.

Итогом нашей работы станет создание термоса в домашних условиях. 

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

            Научная новизна: разработана новая конструкция термоса из подручных материалов.

Практическая значимость: прибор может использоваться в быту.

1. Что такое термос ?

Термос – бытовая посуда с теплоизоляционными свойствами, способная сохранять температуру продуктов длительное время. Термосы применяются для хранения горячих и холодных продуктов до суток. Они нашли широкое применение в быту.  [3]                                                                             

Термос (в переводе с греческого) "therme" - горячий.  [4]                                                                            

2. История создания термоса.

Термос можно отнести к величайшим изобретениям человечества, таким как колесо, телефон, автомобиль. Для  нас термос хороший помощник в быту: он всегда готов помочь сохранить горячий обед. Сторонники здорового питания считают незаменимой эту полезную мелочь. Термос стал изделием, широко используемым людьми. Он был использован в экспедициях на Южный Полюс, на Северный Полярный круг. Термос стал неотъемлемой бортовой принадлежностью самолётов, пригодился в перелетах на воздушном шаре. Мы часто берём его в лес, на рыбалку, в поездки. Кому же мы обязаны этим удивительным изобретением? Вопросом сохранения постоянной температуры содержимого озаботились ученые в конце XIX века - это нужно было для хранения сжатых газов. Сжать газ не было проблемой, но сохранить его в таком виде хоть какое-то время было проблематично.                                                                                                                  В                1881году  немецкий физик Адольф Вейнхольд стал использовать стеклянный ящик с двойными стенками с откачанным воздухом из пространства меж стенок для хранения сжатого кислорода, а в 1892 году другой известный ученый Джеймс Дьюар улучшил конструкцию, изготовив этот контейнер в виде колбы с узким горлом и покрыв внутреннюю часть тонким слоем серебра. Для удобства эта колба подвешивалась на пружинах в металлическом кожухе. Это устройство было названо «сосуд Дьюара», и оно до сих пор используется в химических лабораториях всего мира.                                                 В 1903 году Рейнгольд Бургер усовершенствовал сосуд Дьюара, изобретённый в 1892 году шотландским физиком и химиком Джеймсом Дьюаром. Для удобного использования этого сосуда в быту он добавил к нему металлический корпус, пробку и крышку-стаканчик. [5, с. 206]                                                                          

3. Конструкция термоса.

                Чтобы сохранить жидкость горячей, нужно как можно дольше препятствовать передаче тепла от содержимого термоса окружающему воздуху. А чтобы сохранить лед в термосе от таяния — нужно, наоборот, предотвратить передачу тепла от окружающего термос воздуха льду.

                Тепло может передаваться посредством: теплопередачи, излучения, конвекции.         Основной элемент термоса -колба из стекла или нержавеющей стали с двойными стенками, между которыми создан вакуум для уменьшения теплопроводности с внешней средой. Внутренние поверхности стеклянной колбы покрывают слоем из отражающего, зеркального материала – это даст отражение излучения. Наружный корпус термосов со стеклянной колбой изготавливается из пластмассы или металла(пластик-плохой проводник тепла, поэтому теплообмен небольшой). [1, с. 25]

4. Сущность физических явлений, происходящих внутри термоса.

                Чтобы понять принцип работы термоса, следует более подробно остановиться на сущности тех физических явлений, которые происходят внутри него.

                Задача термоса - сохранять жидкость как можно дольше горячей, т. е. сохранять тепловую энергию жидкости, не дать ей остывать. В физике процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному называется теплопередачей .

                Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии или теплопередача от одного тела к другому до наступления равновесия. Тепло всегда передаётся от более горячих тел более холодным. Это значит, что если не защищать горячий чай в термосе, то он очень скоро станет холодным, так как тепловая энергия чая будет передаваться воздуху. Чай постепенно остынет.  [6, с. 16]                                                                          

1.5. Виды теплопередачи

                Что требуется учитывать в устройстве термоса, чтобы остановить процесс теплопередачи? Требуется разобраться с видами теплопередачи, чтобы понять, как правильно должен работать термос.

Различают три вида теплопередачи:

                1. Теплопроводность-это способ передачи тепла (энергии) от более нагретых участков тела к менее нагретым участкам, или от более горячих тел к менее нагретым при непосредственном соприкосновении.  Например, если холодную ложку опустить в кипяток, то ложка нагреется.  Ложке сообщается некоторое количество теплоты, а вода  - охладится, т.е. она теплоту отдает ложке.

                Хорошие проводники тепла – металлы, хуже проводят тепло жидкости. Очень плохо проводят тепло воздух, пластмасса, дерево, поролон, пенопласт, строительная пена и т.д.

                Данный вид теплопередачи широко используется в устройстве термоса. Между стенками колбы нет воздуха, там вакуум. Вакуум обладает самой низкой теплопроводностью, поэтому остывание жидкости в термосе происходит очень медленно.

                2. Конвекция- это способ передачи тепла (энергии) струями  жидкости или газа. [1, с. 15]

                Например, от горячей батареи нагревается воздух около нее, он становится легче и поднимается вверх, а холодный воздух опускается вниз. Следующая партия воздуха нагревается и поднимается вверх, а более холодный воздух опускается вниз. Так постепенно происходит передача тепла от батареи ко всему воздуху в комнате. Если чайник с водой поставить на плиту, то внизу вода нагреется, станет легче и теплая вода поднимется наверх, а холодная вода опуститься вниз, т.к. она более тяжелая.  

Данное физическое явление могло бы наблюдаться в термосе, если бы горло колбы не закрывалось специальной пробкой, которая препятствует передаче тепла от жидкости в воздух.

                3. Излучение -это способ передачи тепла (энергии) в виде невидимых лучей. Все тела, нагретые до любой температуры, излучают невидимые лучи, передающие тепло. Чем выше температура тела, тем больше излучается энергии.

                Если поднести руку сначала к слабо нагретому утюгу, а потом к сильно нагретому, то рука во втором случае почувствует больше тепла. Это объясняется тем, что горячий утюг излучает энергии больше.

Температура на поверхности Солнца 6000оС, оно излучает огромное количество энергии, за счет которой прогревается Земля, и поэтому на Земле существует жизнь.

                Учёные выяснили, что светлые блестящие поверхности отлично отражают тепло, а темные поверхности, наоборот, очень хорошо поглощают энергию. Поэтому летом все носят светлую одежду, а зимой – одежду темных тонов. Зимой собаки любят спать на куче золы, т.к. темная зола поглощает солнечные лучи и лучше прогревается. Весной проталины раньше появляются у дуба, чем у березы. У дуба ствол темный, он от солнца больше прогревается и начинает излучать энергию, под действием которой снег быстрее тает. А у березы кора светлая, поэтому ствол нагревается меньше.

                Эти физические явления тоже использовали в устройстве термоса. Колба термоса покрыта слоем из отражающего зеркального материала. Это помогает ей отражать энергию жидкости, и она меньше остывает. Зеркальная поверхность мало  нагревается,  поэтому колба остаётся холодной. Например, раньше колбы покрывали слоем серебра. Серебро – блестящий светлый металл. Теперь для изготовления колб всё чаще используют  полированную нержавеющую сталь. [2, с. 11]                                                                          

                Вывод: Наше теоретическое исследование помогло раскрыть секреты устройства термоса. Обобщая полученные данные, можно сказать, что главная задача термоса – хранить тепло как можно дольше. Этого можно добиться, если учитывать физические процессы, которые протекают внутри термоса. Необходимо, чтобы теплопередача между горячей жидкостью и холодным воздухом была как можно меньше. Этого добиваются производители термосов. Возможно ли достижение такого эффекта в домашних условиях? На этот вопрос мы постараемся ответить в следующей части  нашей работы.

                Глава 2. Практическая часть.

                2.1. Изучение и сравнение характеристик заводских термосов.

                Какая колба лучше сохраняет тепло – стеклянная или металлическая? Зависит ли скорость остывания жидкости от объема термоса?                                    Мы воспользуемся: термосами с металлической колбой объёмом  2 л и 0,5 л и со стеклянной колбой объёмом 2л. Эксперимент провели при комнатной температуре 26°С.  На протяжении 6 часов с интервалом  в 1 час  измерили температуры воды в термосах.

                Можем сделать вывод: термоса со стеклянной колбой лучше сохраняют тепло и, кроме того, чем больше объем термоса, тем лучше он сохраняет тепло.

                2.2. Изготовление термоса в домашних условиях.                                                                Для изготовления термоса в домашних условиях мы будем использовать подручные средства, которые есть в каждом доме. Вариантов изготовления термоса может быть несколько. Мы изготовим две модели термосов.                                                                                                                                Модель термоса №1                                                                                                          Для модели первого термоса нам потребуются следующие материалы и инструменты:  пластиковый контейнер, банка из-под чипсов,                                                                                       двухсторонний скотч, теплоизоляционный материал – бумага, светоотражающий материал – фольга,  ножницы, нож.

                Ход работы

                В ходе работы  нам следует изготовить колбу и корпус термоса. Мы будем работать по плану:

1) Возьмём пластиковый контейнер. Эта часть потребуется для изготовления корпуса термоса.

2) Возьмём банку из-под чипсов. Банка будет играть роль колбы.

3) Теперь в контейнер поместим скомканную бумагу. Чем больше бумаги, тем лучше. Бумажный слой должен быть на стенках и на дне контейнера.

4) Следующий шаг – это размещение подготовленной маленькой банки в контейнер.

5) Крышку контейнера обклеили куском картона.

Модель первого термоса готова.

                Модель термоса №2

                Для модели второго термоса нам потребуются следующие материалы и инструменты:  пластиковый контейнер, банка из-под чипсов,                                                                                       двухсторонний скотч, теплоизоляционный материал – поролон, светоотражающий материал – фольга,  ножницы, нож.  

Ход работы

                В ходе работы нам следует изготовить колбу и корпус термоса. Мы будем работать по плану:

1) Возьмём пластиковый контейнер. Эта часть потребуется для изготовления корпуса термоса.

2) Возьмём банку из-под чипсов. Банка будет играть роль колбы.

3) Снаружи контейнер утепляем поролоном. Поролонный  слой должен быть на стенках, на дне и на крышке контейнера.

4) Следующий шаг – это размещение подготовленной маленькой банки в контейнер.

5) Крышку контейнера обклеили куском поролона.

Модель второго термоса готова.

                Испытания термосов

                Опыт №1. Для проведения испытания модели термосов будем использовать лёд при температуре -200 С. Все данные о температуре воды мы будем заносить в таблицу. Испытания термоса будут проходить в течение шести часов. Каждый час мы будем замерять температуру. Термос во время испытания будет находиться в комнате на столе при комнатной температуре  +25°.

Вывод: Модели термосов успешно прошли испытания. Изменения температуры воды и льда в термосе происходили плавно и постепенно. Термос  с теплоизоляционным материалом - бумагой  был лучше.

Опыт №2. Для проведения испытания модели термосов будем использовать воду при температуре 1000 С. Все данные о температуре воды мы будем заносить в таблицу. Термос во время испытания будет находиться в комнате на столе при комнатной температуре  +25°.

Вывод: Во втором опыте использовали кипячёную воду. Измерения и в этом случае показали , что бумага является лучшим теплоизолятором.

Через шесть часов вода стала  комнатной температуры. Эти данные позволяют сделать вывод о том, что такую модель термоса можно изготовить в домашних условиях и использовать для хранения холодных и горячих жидкостей. Для увеличения теплоизоляции можно использовать другие теплоизоляционные материалы. Например, синтепон, пенопласт. Это позволит увеличить время охлаждения жидкости. Вода будет охлаждаться ещё медленнее. Таким термосом можно воспользоваться на даче, при прогулках, во время пикника. Ещё одним достоинством этой модели можно считать его небольшой вес и небьющуюся колбу.

                Заключение

Мир физических явлений чрезвычайно разнообразен. Мы пока начали изучать предмет - физику. Но наша исследовательская работа заинтересовала нас, потому что мы смогли объяснить процесс сохранения тепла с научной точки зрения. Было сложно понять суть физических явлений, но работа с разными источниками информации, беседы с нашим учителем, учителем физики, пояснения родителей позволили достичь результата.

В ходе своей работы мы узнали историю появления термоса, мы выяснили устройство этого изделия, мы поняли суть протекающих в нём физических явлений. Это позволило нам сконструировать свои модели термосов. Главное, что требовалось при моделировании – это уменьшить теплопроводность колбы. Мы решили эту проблему, используя в моделях различные пористые материалы. Наш эксперимент по использованию самодельных термосов в домашних условиях можно считать удачным. Он доказал, что изготовление термоса в домашних условиях реально и выполнимо. Это значит, что наша гипотеза подтвердилась. Мы уверенно говорим, что знания физических закономерностей помогает человеку жить.

Теперь мы готовы изготовить такой термос для своих домашних нужд. Наша работа помогла пополнить нам свой багаж знаний, позволила расширить кругозор.

Мы думаем, что не только устройство термоса можно объяснить с точки зрения физики. Есть и другие предметы, которыми люди пользуются давно, но совсем не подозревают о том, какие секреты могут скрывать эти устройства внутри себя.  А это значит, что наши исследования будут продолжаться.                                                                            

Литература

1. Физика: Учебник для 8 кл. общеобразовательных учреждений  /А.В. Перышкин. - М.: ДРОФА, 2018.-238 с.
2. «Хранить тепло и холод: термос».  Журнал «Популярная механика» (март 2005).
3. Термос: https://wiki2.org/.
4.  http://ru.wikipedia.org/wiki/ :Сосуд_Дьюара
5. Теромос // Краткая энциклопедия домашнего хозяйства. — М.: Государственное Научное издательство «Большая Советская энциклопедия», 1959

6. Хинн О.Г. Я познаю мир. Детская энциклопедия: Физика. – М: ТКО «АСТ»,1995. – 480с.