сследование теплоотдачи воды

Введение.
Воду, драгоценный дар природы, академик А Н.Карпинский назвал «живой
кровью», которая создаёт жизнь там, где её не было.[ 2] Эта состоящая из водорода и
кислорода жидкость нужна не только для поддержания жизни на Земле. Без неё не
обходится практически ни одна сфера производства – вода участвует во многих
технологических процессах.
Наша планета богата водой – гидросфера Земли составляет приблизительно 15 млрд.
км3 .
Занимая промежуточное положение между атмосферой и литосферой, гидросфера
находится с ними в тесной взаимосвязи. Одним из проявлений этой взаимосвязи является
круговорот воды и теплообмен, которые играют важную роль в создании климата Земли.
Теплоёмкость воды в 3,3 тысяч раз больше теплоёмкости воздуха. Если остывает один
литр воды и один литр воздуха, то в первом случае выделяется в 3,3 тысяч раз больше
энергии , чем во втором .Высокая теплоёмкость делает воду аккумулятором энергии.
Морские течения переносят тепло, накопленное летом в морях и океанах, смягчая и
выравнивая климат Земли.
Гипотеза: На процесс остывания воды влияют различные виды теплопередачи
:теплопроводность, конвекция, излучение, испарение
Цель работы: Исследовать влияние различных процессов теплопередачи на остывание
воды в сосуде.
Для реализации цели необходимо было решить следующие задачи:
-определить основные механизмы, влияющие на процесс остывания воды;
-провести экспериментальную оценку влияния каждого из них на теплоотдачу воды.
Предмет исследования: вода.
Объект исследования: влияние различных процессов теплопередачи на остывание воды
в сосуде.
Теоретическое обоснование:
Теплопередача — процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к
более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую
перегородку из какого-либо материала. Когда физические тела одной системы находятся
при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от
одного тела к другому. В реальных условиях тепло передаётся комбинированным
способом. Например, при теплообмене между твёрдой стенкой и газовой средой тепло
передаётся одновременно конвекцией, теплопроводностью и излучением (теплоотдача).
Ещё более сложным является процесс передачи тепла от более нагретой жидкости через
разделяющую их поверхность (теплопередача).
Изучение доступной нам литературы показало, что остывание воды осуществляется
следующими видами теплопередачи: теплопроводностью, конвекцией, излучением и
испарением. Температура воды при остывании уменьшается потому, что энергия от
нагретой воды передаётся к более холодному воздуху. В качестве числовой
характеристики теплопередачи мы использовали понятие теплового потока q - количества
теплоты, передающегося от сосуда в окружающую среду в единицу времени
q = Q / Δt ;
Q = с m ΔТ ,
где m – масса воды, с –удельная теплоёмкость воды, ΔТ -изменение температуры воды за
время Δt, Q –количество теплоты отданное водой окружающей среде при остывание.
с m ΔТ = q Δt
Эта формула позволяет экспериментально определить тепловой поток q = с m ΔТ / Δt ,
для этого необходимо измерить время Δt ,за которое жидкость остывает на ΔТ градусов.
Ход и результаты эксперимента:
Для проведения экспериментального исследования мы использовали следующую
установку :сосуд с водой помещали в коробку из картона большего объёма , свободное
пространство между стенками сосуда и коробки плотно заполнили ватой. Сосуд плотно
закрывали крышкой с отверстием для термометра, сверху укладывали слой ваты. Это
было предпринято для того, чтобы уменьшить теплопередачу в окружающую среду.
Проведенные результаты с термостатом дали следующую зависимость температуры
от времени (рис.1)тепловой поток q =7 Вт. Эту зависимость мы приняли за эталонную при
изучении механизмов теплопередачи.
Зависимость температуры остывания воды от времени в термостате (эталон)
Температура(градусы)
89
88
87
86
85
84
83
82
81
80
5
10
15
20
25
30
35
время (минуты)
Рис.1
Убрав теплоизолирующие стенки, мы опытным путём определили потери тепловой
энергии за счёт теплопроводности стенок сосуда с боковых поверхностей. Эти потери
были оценены следующим образом: мы убрали теплоизолирующие стенки с боковых
поверхностей сосуда. Изменение теплового потока составило порядка 33. Вт. График
зависимости температуры от времени показан на рисунке 2.
Температура(градусы)
89
88
87
86
85
84
83
82
81
80
5
10
15
20
25
30
35 время (секунды)
Рис.2
Для количественной оценки испарения мы проводили измерения температуры с открытой
крышкой сосуда. Тепловой поток, составил примерно 22 Вт.. График зависимости
температуры от времени показан на рисунке 3.
Температура(градусы)
84
83
82
81
80
79
78
77
76
75
100
200
300
400
500
600
700
время (
Рис. 3
Для оценки потерь тепла излучением, использовали, хорошо очищенную
полиэтиленовую крышку, которая удерживает водяные пары, но пропускает излучение .
График зависимости температуры от времени показан на рисунке 4. тепловой поток по
нашим расчётам составил 2,8 Вт.
Температура(градусы)
91
90
89
88
87
86
85
84
83
82
81
80
79
78
77
200
400
600
Рис. 4
800
1000
время (секунды)
Для оценки влияния конвекции на процесс теплопередачи в банку устанавливали
пенопластовые горизонтальные перегородки. Эксперимент показал, что тепловой поток в
этом случае составил примерно 7 Вт. Зависимость остывания воды от времени (влияние
конвекции) изображена на рисунке 5.
Температура(градусы)
89
88
87
86
85
84
83
82
81
80
300
600
900
Результаты эксперимента:
1200
1500
1800
время (секунды)
термостат излучение конвекция испарение теплопроводность
7
2,8
7
22
33
Анализ результатов нашего эксперимента показывает, что основными механизмами теплопередачи
являются теплопередача через боковые стенки и испарение.
Выводы
-основными механизмами теплопередачи при остывании воды являются
теплопроводность боковых стенок сосуда и испарения;
-на мощность теплопередачи через боковые стенки заметно влияет конвекция воды
внутри сосуда;
-испарение играет существенную роль в теплопередаче, так как достаточно велика
удельная теплота парообразования;
-излучение при остывании воды играет незначительную роль.
МОУ «Загустайская средняя общеобразовательная школа»
«Исследование теплопередачи воды»
Исполнитель: ученик 8-ого класса Эрдынеев Найдан
Руководитель : учитель физики Ковригина В
2010год.