Скорость остывания воды: Мир чая и кофе. Блог, новости, статьи, обзоры о кофе и чае

Остывание воды. Расчет количества теплоты при охлаждении и нагревании

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

Задачи на закрепление.

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.

4.12. Скорость остывания горячей и теплой воды . Новый физический фейерверк

В дискуссионной статье, написанной мной для журнала Scientific American, обсуждался старинный вопрос: если в одинаковые открытые сосуды налить равное количество воды, очень горячей в один сосуд и более прохладной в другой, а затем вынести их на мороз, где раньше образуется лед? Удивительно, но в некоторых случаях горячая вода замерзает быстрее.

Этот результат, известный еще Аристотелю, хорошо знают жители стран с холодным климатом. Однако ученые долго считали его бабушкиными сказками, пока в 1960 году танзанийский студент Эрасто Мпемба не попросил преподавателя объяснить, почему смесь для приготовления мороженого замерзает быстрее, если ее не остужать, а поставить в холодильник горячей. Преподаватель поверил, что именно так и бывает, только после того, как Мпемба продемонстрировал этот эффект, который теперь называют эффектом Мпембы, на примере воды.

Почему же изначально горячая вода остывает быстрее и замерзает раньше, чем то же самое количество прохладной (а иногда даже и холодной) воды?

ОТВЕТ • Одно из возражений относительно справедливости сделанного утверждения основывается на здравом смысле. Если вначале масса воды в сосуде A была горячее равной ей по весу массы воды в сосуде Б, но тем не менее замерзла первой, это означает, что в какой-то момент времени вода в сосуде A должна была сравняться по температуре с водой в сосуде Б. Не означает ли это, что, начиная с такой температуры, скорость остывания воды в обоих сосудах будет одинакова? Одно из возражений против этого рассуждения состоит в следующем: температура воды в сосуде изменяется в некотором интервале значений, поэтому всему объему воды в нем нельзя приписать одну и ту же температуру. Чтобы подтвердить или опровергнуть эффект Мпембы, надо проанализировать его детально.

Процесс остывания воды описывается слишком большим количеством переменных, и поэтому до сих пор убедительных доводов ни за, ни против этого результата не найдено. Например, в обычном холодильнике изменение потока воздуха и температуры в разных опытах приводит к разным скоростям охлаждения, и полученные недостоверные данные можно ошибочно интерпретировать в пользу эффекта Мпембы. Следовательно, необходимо большое количество испытаний, в которых строго контролируются условия их проведения. Похоже, ряд исследователей в надежных экспериментах продемонстрировали эффект Мпембы, но не смогли прийти к согласию относительно объяснения этого эффекта. Вот некоторые из их соображений.

1. Эффект Мпембы объясняется тем, что потери массы и энергии больше при испарении изначально более горячей воды. Если, накрыв сосуд, исключить испарение, обычно эффект Мпембы исчезает. Хотя в определенных условиях он наблюдается даже тогда, когда испарения нет.

2. Когда температура воды опускается ниже 4°C и до точки замерзания, ее плотность меняется необычным образом. В отличие от большинства жидкостей, на этом последнем перед замерзанием этапе понижения температуры вода расширяется. Когда температура воды опускается ниже 4°C, более холодные объемчики воды оказываются легче и всплывают. Тогда как чуть более теплые объемчики становятся тяжелее и тонут. Перемешивание приводит к подъему более теплой воды вдоль стенок сосуда на открытую поверхность воды, откуда отводится тепло. Эксперименты указывают на то, что, если остывание воды начинается при более высокой температуре, такое перемешивание идет интенсивнее. Это означает, что изначально более горячая вода раньше может достичь точки замерзания благодаря усиленному перемешиванию и охлаждению на последнем этапе — если оно почему-то сохранится до этого этапа.

3. До того как внезапно начинает образовываться лед, вода находится в переохлажденном состоянии (ее температура ниже точки замерзания). Вода, которая вначале была холоднее, почему-то способна переохлаждаться до более низкой температуры, чем та, у которой изначально температура была выше, и именно поэтому в такой воде позже образуется лед.

4. В реальных условиях домашнего эксперимента существенна следующая причина: горячий сосуд, поставленный на покрытую снегом или льдом поверхность, протаивает под собой углубление и обеспечивает на все остальное время хороший тепловой контакт и большую скорость охлаждения.

Скорость охлаждения | Охлаждение и хранение | Основы послеуборочной обработки

Эйнштейн писал : «Энергию нельзя создать или уничтожить, ее можно только преобразовать из одной формы в другую».

Тепло – это просто тепловая энергия. Энергия всегда будет естественным образом перемещаться из высоких областей (горячих) в низкие (холодные). Охлаждение включает в себя ускорение этого процесса, активное перемещение тепловой энергии от продукта к охлаждающей среде, а затем к более широкой окружающей среде.

Скорость, с которой это происходит, определяется:

• Объемный расход и тип охлаждающей среды
• Площадь поверхности
• Теплопроводность
• Разница температур между продуктом и охлаждающей средой 

Охлаждающая среда  

Охлаждение может происходить за счет проводимости, конвекции или излучения. Воздух и вода отводят тепловую энергию от продуктов за счет теплопроводности и конвекции. Вода во много раз эффективнее отводит тепло, чем воздух.

 Передача тепловой энергии может происходить по трем механизмам: 

• Проводка
• Конвекция
• Радиация

Теплопроводность возникает, когда теплопередача происходит без какого-либо потока материалов. Если коробки с горячими продуктами поставить вместе с коробками с холодными продуктами, проводимость в конечном итоге выровняет температуры. То есть холодный продукт будет нагреваться, а теплый — охлаждаться, пока все не будут иметь одинаковую температуру.

Если горячая коробка уложена среди холодных коробок, теплопроводность со временем выровняет температуру в стопке. Горячая коробка будет охлаждаться, а холодная коробка будет слегка нагреваться.

Конвекция включает передачу тепла движением воздуха или воды. Движение переносит энергию из места с высокой температурой в место с низкой температурой. Системы принудительного воздушного и гидроохлаждения используют конвекцию для отвода тепла от овощей в систему охлаждения, где энергия поглощается.

Гидроохлаждение — это охлаждение за счет конвекции, поскольку энергия передается от продукта в движущуюся воду.

Излучение – это передача тепла электромагнитными волнами. Это механизм, с помощью которого тепло передается от солнца к земле, от тостера к ломтику хлеба и от холодного комнатного света к хранящимся продуктам.

Когда теплый продукт охлаждается, энергия сначала проходит через поверхность в процессе передачи в воздух, воду, упаковку или соседние овощи. Затем он уносится от продукта конвекцией.

Воздух плохой проводник тепла. По сути, он считается теплоизолятором. Наполненный перьями спальный мешок одновременно легкий и невероятно теплый, потому что он задерживает внутренний воздух, сохраняя его неподвижным между слоями перьев и материала. Это предотвращает передачу тепла от тела внутрь к наружному воздуху.

Вода лучше проводит тепло. Даже без теплой одежды можно выжить и вести активный образ жизни при 0°С и ниже. Однако человек в воде с температурой 0°C, скорее всего, потеряет сознание в течение примерно 15 минут и проживет менее одного часа.

Холодная вода может отводить тепло более чем в 20 раз быстрее, чем воздух. Фактически это означает, что для достижения того же уровня охлаждения, что и количество холодной воды, требуется гораздо больший объем воздуха.

Если оставить собранный продукт открытым, он нагреется из-за солнечного излучения.

Площадь поверхности

Передача тепловой энергии в охлаждающую среду происходит через поверхность. Объекты с большой площадью поверхности по сравнению с их объемом быстрее остывают. Для упакованного продукта системы принудительного воздушного и гидроохлаждения увеличивают эффективную площадь поверхности от внешней стороны коробки или поддона до площади содержащегося продукта.

Тепловая энергия — тепло — может передаваться только в точке контакта между охлаждающей средой и продуктом.

Для одного овоща, окруженного холодным воздухом или водой, площадь поверхности по отношению к объему будет большой, даже для круглого продукта, такого как тыква.

Однако, если продукт был упакован в картонную коробку или все еще находится в бункере для сбора урожая, эффективной площадью поверхности является внешняя часть контейнера, а не оболочка продукта. Площадь поверхности бункера по отношению к его объему очень мала, что приводит к низкой скорости охлаждения.

Теплопередача происходит через поверхность, контактирующую с охлаждающей средой. Для одного продукта на воздухе, которым является его оболочка, тогда как для продукта в мусорном ведре или упакованного в картонную коробку площадь поверхности равна площади контейнера.

Можно увеличить эффективную площадь поверхности продукта в контейнерах или картонных коробках, нагнетая воздух (или воду) через контейнер. Это позволяет отводить тепло непосредственно от поверхности продукта. Принудительное воздушное охлаждение эффективно делает это, пропуская воздух через контейнер через поверхность содержащихся продуктов. Гидроохлаждение также обеспечивает прямой контакт между продуктом и охлаждающей средой, что значительно увеличивает скорость охлаждения, даже если продукт все еще находится в бункере для сбора урожая.

Теплопроводность

Теплопроводность определяет, насколько быстро можно отвести тепло от конкретного овоща. На это влияет его структура и другие физические свойства.

Теплопроводность показывает, насколько легко можно отвести тепло от определенного овоща. На это влияет форма, структура и состав кожи.

Слои воздуха, находящиеся между обернутыми листьями, такими как капуста или салат, снижают теплопроводность. Это означает, что они медленнее остывают, особенно по сравнению с твердыми овощами аналогичного размера и формы, такими как тыква.

Тонкая кожура, например морковь, и большая площадь поверхности, например листовая зелень, также увеличивают теплопроводность. Грибы лишены кожицы и более чем на 90% состоят из воды, поэтому их теплопроводность самая высокая среди всех свежих продуктов.

Теплопроводность различных овощей, ранжированная от низкой к высокой.

Перепад температур и время охлаждения

Овощи остывают быстрее всего при большой разнице температур между ними и охлаждающей средой. По мере приближения к заданному значению они медленно охлаждаются. Следовательно, время охлаждения — это не время, необходимое для достижения заданного значения, а время, необходимое для снижения на 7/8 или 3/4 исходного перепада температур.

Разница температур между продуктом и охлаждающей средой является еще одним фактором изменения температуры. Большой перепад приводит к быстрому охлаждению. Однако по мере того, как температура продукта приближается к температуре окружающего воздуха или воды, температура изменяется медленнее.

На то, чтобы продукт достиг той же температуры, что и подаваемый воздух, могут уйти часы или дни. В некоторых случаях он никогда не достигает этой точки, поскольку тепло, выделяемое при дыхании, сохраняет продукт немного теплее, чем его окружение.

Овощи, помещенные в прохладное помещение, сначала быстро остывают. Однако охлаждение замедляется по мере приближения к температуре комнатного воздуха.

По этой причине скорость охлаждения обычно выражается в виде времени, необходимого для того, чтобы продукт стал «охлажденным на 3/4» или «на 7/8». Это рассчитывается как время, за которое 3/4 или 7/8 начальной разницы температур между продуктом и охлаждающей средой должны быть удалены.

Например, головка брокколи, температура которой при сборе урожая составляет 25 °C, помещенная в прохладное помещение с температурой 5 °C, будет охлаждаться на 3/4 при охлаждении до 10 °C и на 7/8 при температуре 7,5 °C. . Для брокколи, первоначально при 30 ° C, помещенной в прохладное помещение с температурой 2 ° C, 3/4 и 7/8 охлаждения будут достигнуты при 9 ° C и 5,5 ° C соответственно.

Поскольку продукту требуется много времени, чтобы достичь той же температуры, что и воздух в холодильной камере, скорость охлаждения обычно выражается как время, необходимое для охлаждения продукта на 3/4 или 7/8.

Температура горячей воды и скорость охлаждения Лаборатория

Перейти к содержимому

Вы здесь:

Введение:

Скорость, с которой объект охлаждается (т. е. насколько быстро снижается его температура), зависит от нескольких факторов, в том числе:

• Площадь поверхности
• Объем
• Тип изоляции
• Разница температур с окружающей средой

Для этого исследования влияние будет исследована температура воды при скорости охлаждения . Падение температуры за 5 минут (600 секунд) будет измеряться для 200 мл воды при различных начальных температурах. The average rate of cooling can then be found by:

Apparatus:

• digital stopwatch
• 250ml beaker
• rubber bung
• thermometer
• bunsen burner
• tripod
• gauze
• retort stand and clamp
• Goggles

Контрольные переменные :

• Объем воды. Используемая вода: 150 мл
• Размер стадка (т.е. в комнате: 21°C

Метод:

• Наполните пустой стакан ровно 150 мл воды (проверьте боковую шкалу стакана)
• Установите прибор, как показано выше. Убедитесь, что термометр находится примерно на 2 см выше дна стакана.
• Зажгите бунзеновскую горелку и подожгите синее пламя. Нагрейте воду.
• Когда температура на термометре достигнет 90°C, немедленно выключите горелку.
• Запустите секундомер и время на 5,0 минут.
• Считайте показания термометра на отметке 5,0 минут.
• Перед повторением эксперимента убедитесь, что уровень воды все еще составляет 150 мл (некоторая часть могла испариться) и при необходимости добавьте еще воды.
• Для разных пусковых температур повторите шаги 3-7, но выключите горелку при желаемой температуре.

Results:

Conclusion:

Существует сильная корреляция между средней скоростью охлаждения и начальной температурой: чем выше начальная температура, тем выше средняя скорость охлаждения.