ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ОСТЫВАНИЯ ВОДЫ. Остывание воды

Остывание воды. Расчет количества теплоты при охлаждении и нагревании

Разделы: Физика

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.

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.

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

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

1. Как рассчитать количество теплоты, отданное водой при охлаждении? При нагревании?
2. 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?
3. Работа с таблицей 2 стр. 64. Какая ложка - из алюминия или из меди нагреется больше при сообщении ложкам одинакового количества теплоты?
4. 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.

xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ОСТЫВАНИЯ ВОДЫ.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА.

Цель работы: исследовать изменение со временем температуры остывающей воды.

Приборы и материалы: алюминиевый стакан, термометр (ртуть/спирт), чайник с горячей водой (один на всех), прибор фиксации времени, мерный стакан.

Теоритические основы:

Изначально термодинамика – это наука о «движении тепла». Она возникла в начале XIX века как теоретическая база создания тепловых машин (в основном, паровых котлов), послуживших основой промышленной революции. Сейчас стало ясно, что термодинамика описывает энергетические состояния и их изменения в системах, состоящих из огромного числа элементов (тела состоят из атомов!), находящихся в состоянии внутреннего равновесия.

Основными понятиями молекулярной физики и термодинамики являются:

а) молекула - наименьшая часть вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями;

б) атом - часть вещества микроскопических размеров (микрочастица), наименьшая частица химического элемента, обладающая его свойствами.

в) Термодинамическая система – это ограниченная область пространства, занятая ее элементами. Элементы системы (подсистемы) считаются однородными. Граница системы может быть и физической (стенки сосуда) и мысленной. Все, что вне системы – окружающая среда. Термодинамические системы бывают трех видов:

1. Изолированные (нет обмена ни веществом, ни энергией с окружающей средой). Пример – герметичный сосуд с газом с теплоизоляционной оболочкой.

2. Замкнутые (нет обмена веществом с окружающей средой). Пример – герметичный сосуд.

3. Открытые (есть и энерго- и массообмен с окружающей средой). Пример – костер, человек.

г) Равновесное состояние системы - такое состояние системы, при котором в отсутствии внешних воздействий, т.е. в изолированной системе, все параметры системы приобретают определенные значения. Равновесное значение параметра состояния системы определяется как среднее значение параметра за весьма большой, стремящийся к бесконечности промежуток времени;

д) Время релаксации - время, в течение которого система приходит в равновесное состояние. Время релаксации весьма различно для различных систем;

е) Неравновесное состояние. В термодинамике такое состояние системы, выведенной из состояния термодинамического равновесия (в статистической физике - из состояния статистического равновесия). В системе, находящейся в неравновесном состоянии, происходят необратимые процессы, которые стремятся вернуть систему в состояние термодинамического (или статистического) равновесия, если нет препятствующих этому факторов - отвода (или подвода) энергии или вещества из системы (в систему). Если система находится в неравновесном состоянии, то в ней возникают макропотоки вещества ((диффузия), или теплоты (теплопроводность). В противном случае возможно стационарное неравновесное состояние (не изменяющееся со временем).

Рисунок 1: Схематическое изображение различных типов термометров

Указания к работе:

1. Получите у преподавателя порцию горячей воды, залив ее в стакан.

2. Аккуратно поместите в стакан термометр.

3. Определите цену деления и погрешность термометра (схема на рис.1), секундомера (часов).

4. Дождитесь установления показаний на термометре и измерьте температуру воды.

5. Первые три измерения производите каждые 30 с. Следующие пять – раз в минуту, а остальные с интервалом в 3-5 минут. Всего необходимо произвести не менее 15 измерений.

6. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу:

7. По полученным данным постройте на миллиметровой бумаге график изменения температуры с течением времени (T(t)). Эта зависимость носит экспоненциальный характер

.

8. Пользуясь графиком, рассчитайте скорость остывания воды в трех интервалах времени (начальный, серединный и конечный). Для этого разбейте кривую Т(t) на достаточно малые равные промежутки Dt, определите для них интервалы DТ и, используя формулу

,

постройте график

По графику найдите коэффициенты А и α и запишите зависимость с конкретными коэффициентами.

9. После остывания воды вылейте ее в мензурку и определите объем. Рассчитайте массу воды в сосуде (m=ρV). (Проверьте на весах.)

Примечание: ρв ~1000кг/м3, 1м3=106мл.

Вопросы для защиты:

· В чашку налили очень горячий кофе. Что надо сделать, чтобы кофе остыл быстрее: налить в него (холодное) молоко сразу или спустя некоторое время?

· Как изменяется скорость остывания воды со временем?

· Какое состояние называют состоянием теплового равновесия?

· Какую систему можно назвать теплоизолированной?

· Что характеризует физическая величина – температура?

· С каким типом термодинамической системы вы имели дело в данной работе?

· Почему вода может испаряться и при 0ºС?

· Может ли человек (животное) являться примером термодинамической системы и почему (какой)?

poisk-ru.ru

Экзамен-Технолаб

Научный руководитель: М.М. Юмашев, учитель физики МОУ «Лицей № 1» г. Подольска

Статья посвящена исследованию остывания воды в калориметрах, в результате которого было установлено, что во всех опытах остывание жидкости хорошо аппроксимируется экспоненциальной функцией, несмотря на условия процесса. По итогам работы предложен способ повышения эффективности школьных калориметров.

Вступление

В начале этого года мы начали изучать тепловые явления. Этот раздел физики показался нам очень интересным. Поэтому когда появилась возможность написать научную работу, мы выбрали именно эту тему. Мы решили разобрать несколько частных случаев, встречающихся в нашей обычной жизни и во время проведения физических опытов. Сюда входит и остывание жидкости в различных калориметрах, зависимость температуры тел от времени и многое другое.

А можно ли обойтись без калориметра?

Во всех опытах, в которых нужно сохранить теплоту, используются калориметры. Но так ли велика необходимость в них? Проверим это на опыте. Сравним свойства разных калориметров. За эталон мы взяли школьный калориметр.

ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ Ноутбук, школьный калориметр, измерительный цилиндр, алюминиевый стакан, измерительный прибор LabQest (LabQest - устройство измерения и обработки данных), датчик температуры TMP-BTA, электрочайник, горячая вода (фото 1-2).

Фото 1. Оборудование и материалы

Фото 2. Измерительный прибор LabQest

При работе с LabQest можно обойтись без ноутбука, но удобней с ноутбуком, так как больше экран (фото 3).

Фото 3. Экран ноутбука с графиками температур

ХОД ОПЫТА

1. Ставим на некотором расстоянии друг от друга алюминиевый стакан и калориметр

2. Опускаем в стакан и калориметр датчики температуры

3. Заливаем горячую воду в стакан и калориметр 

4. Запускаем фиксацию измерений на 15 мин 

5. После окончания сбора данных выливаем воду в раковину

График 1

График 2

АНАЛИЗ ГРАФИКА

Температура 1 - калориметр, температура 2 - стакан.

График 1 - экспонента (C = 11,26×10-3).

График 2 - экспонента (C = 12,00×10-3).

С - показатель экспоненты, характеризующий скорость остывания жидкости.

ВЫВОД

Как видно из эксперимента, обычный школьный калориметр не дает значительного эффекта по сравнению с алюминиевым стаканом.Выясним физический смысл параметра «С»

Уравнение экспоненты (зависимости температуры остывания воды от времени)  Т = А · exp(-C · t) + B  задано в самом приборе при автоаппроксимации. Это уравнение можно увидеть в статье на втором графике в прямоугольнике, где В - конечная температура остывания воды (или температура окружающей среды), так как при t → ∞ Т = В. В этом опыте В = 22.

Выясним физический смысл параметра С, который в данном опыте равен 0,001050 с-1.

В таблице, соответствующей приведенному графику, первые 2 столбика - зависимость температуры от времени, 3-й - температура за вычетом конечной, 4-й - изменение температуры через каждые 100 с, 5-й - скорость остывания, которая уменьшается по мере остывания воды.

Как видим, скорость остывания убывает в зависимости от времени по экспоненте с учетом погрешностей и того, что Δt не стремиться к 0 при определении скорости остывания. А если мы 5-й столбик разделим на 3-й, то получим параметр С и его график, из которого видно, что С хорошо согласуется с автоаппроксимацией. Так как среднее арифметическое С по нашим расчетам 0,001024 с-1, а при автоаппроксимации 0,001050 с-1.

При t = 1/С exp(-C · t) = 1/е, где е = 2,71...

Таким образом физический смысл имеет не сам параметр С, а величина обратная ему.

Возможно, целесообразно ввести постоянную времени остывания τ в каждом опыте: τ = 1/С, имеющую понятный физический смысл, и зависящую от условий протекания процесса остывания:

τ = 1/С - время, в течение которого скорость остывания падает в е = 2,71 раз.

Другими словами, это время, после которого процесс остывания воды в данном калориметре практически можно считать законченным.

В нашем случае τ = 1/0,001024 = 980 с.

Если смотреть на график, то как раз начальная скорость 0,067 за это время падает в е = 2,71 раз и становится равной 0,025.

График 3

График 4

Поиск лучшего калориметра

Стакан с крышкой

Исходя из результатов предыдущего опыта, мы решили найти недостаток калориметра. Следующий опыт наглядно иллюстрирует преимущество закрытого крышкой стакана над открытым школьным калориметром.

ХОД РАБОТЫ

1. Накрываем стакан крышкой (в крышке заранее делается отверстие для датчика).

2. Наливаем воду в стакан, затем в калориметр. 

3. Накрываем стакан крышкой, вставляем в отверстие крышки датчик, другой датчик опускаем в калориметр

График 5

АНАЛИЗ ГРАФИКА

Температура 1 - калориметр, температура 2 - стакан с крышкой.

График 1 - экспонента (C = 12,4×10-4).

График 2 - экспонента (C = 10,5×10-4).

ВЫВОД

Стакан с крышкой значительно эффективнее калориметра. Это говорит о том, что остывание происходит в основном через испарение с поверхности.

 Пластиковый стакан

Сравним пластиковый стакан (толщина стенок 3 мм) с калориметром.

График 6

АНАЛИЗ ГРАФИКА

Температура 1 - калориметр, температура 2 - пластиковый стакан.

График 1 - экспонента (C = 9,7×10-4).

График 2 - экспонента (C = 8,3×10-4).

ВЫВОД

Калориметр незначительно лучше просто пластикового стакана

Калориметр с крышкой

Так как остывание происходит в основном через испарение с поверхности, сравним калориметры с крышкой и без крышки.

График 7

АНАЛИЗ ГРАФИКА

Температура 1 - калориметр с крышкой, температура 2 - калориметр.

График 1 - экспонента (C = 12,0×10-4).

График 2 - экспонента (C = 7,3×10-4).

ВЫВОД

Калориметр с крышкой значительно лучше открытого калориметра. Таким образом, выяснив, что в основном влияет на остывание воды, и, закрыв школьный калориметр пластмассовой крышкой от стеклянной банки, мы значительно увеличили его эффективность. По результатам опытов мы рекомендуем для уменьшения тепловых потерь при проведении лабораторных работ использовать наш опыт. Как выглядит усовершенствованный калориметр видно на фото 1. Пластмассовые крышки есть практически у всех, в них легко сделать отверстия для термометров и заливки воды.

Три калориметра

После проведения данной работы мы узнали, что для проведения ГИА будут применять новые калориметры и решили сравнить старый школьный, новый и наш усовершенствованный.

Температура 1 - калориметр, температура 2 - новый калориметр, температура 3 - калориметр с крышкой.

График 1 - экспонента (C = 5,72×10-4).

График 2 - экспонента (C = 3,32×10-4).

График 3 - экспонента (C = 3,38×10-4).

График 8

ВЫВОДЫ

В итоге можно сделать заключение, что модернизированный калориметр и новый по свойствам сохранения тепла практически не отличаются, но много лучше старого.

Мы считаем, что экономически выгодно для модернизации калориметров физических кабинетов - добавить к открытым школьным калориметрам крышки, так как наибольшие потери тепла происходят за счет испарения жидкости.

Во всех опытах остывание жидкости хорошо аппроксимируется экспоненциальной функцией, это дает возможность предсказывать температуру через определенный промежуток времени теоретически.

afs.examen-technolab.ru

Смотрите также

• 
  Станция воды
• 
  Похудение водой
• 
  Быстрая вода
• 
  Вода озеро
• 
  Выпей воды
• 
  Воды выпей
• 
  Часы вода
• 
  Бойлер воды
• 
  Воды клапан
• 
  Анализ вода
• 
  Залило водой