Исследование самодельных термосов

В нашем исследовании были рассмотрены термодинамические свойства двух самодельных термосов в сравнении с термодинамическими характеристиками стеклянной бутылки, взятой за основу при их изготовлении и покупного термоса с металлической колбой.

Для сборки экспериментальных образцов мы решили использовать подручные средства: в качестве колбы - стеклянную бутылку объёмом 1 литр; как изолирующие материалы - скотч, газету, монтажную пену, полотенце. Эти материалы были выбраны нами по следующим причинам:

• благодаря наличию теплоизоляционных свойств;
• своей доступности и простоте использования.

Измерения проведены электронным термометром (-50°С; +330°С), максимальной точностью ±1° С и электронными часами.

Температура окружающей среды составляла 20° С.

Методика создания самодельных термосов

Образец № 1: была взята пустая стеклянная бутылка 1 литр, которую поставили в пластиковую трубу и залили монтажной пеной.

Образец № 2: была взята пустая стеклянная бутылка 1 литр, которую завернули в газету и, закрепив ее скотчем, обернули полотенцем.

Образец № 3: стеклянная бутылка объёмом 1 литр (контроль).

Образец № 4: покупной термос объёмом 1 литр с металлической колбой.

Для проведения эксперимента в термосы залили кипяток (t = 98,6°С).

Продолжительность остывания составила t = 2,5 часа = 9000 с, после чего был сделан контрольный замер температуры.

Нами проведены расчеты:

• энергосбережения и энергетических потерь каждого термоса по формуле:

Q = cm(t2-t1) (Дж), где с – 4179 (Дж/кг•К) удельная теплоемкость воды, m – 1 (кг) масса воды, t1 – 98,6°С начальная температура воды t2 – конечная температура;

- мощности энергосбережения и энергопотерь: P = Q / t (Вт).

Проведен сравнительный анализ теплосберегающих свойств и энергетических потерь самодельных термосов в сравнении с исходным материалом (бутылкой) и покупным термосом, представлены соответствующие выводы и рекомендации.

Результаты изменения температуры воды в образцах за 2,5 часа приведены в Приложении 1.

Как видно из таблицы, образец № 1 держит тепло лучше, чем термосы других образцов: температура снизилась на 8,42 % от начальной. Хуже всех же держит тепло контрольный образец № 3: снижение температуры за 2,5 часа составило 29,42 %.

Изначально количество энергии во всех четырех термосах было одинаково и составляло 412,05 кДж. Исходя из данных таблицы 1, нами проведены расчеты теплосбережения и теплопотерь и их мощности, проведено сравнение опытных образцов № 1 и № 2 с контрольными образцами № 3 и № 4.

В процессе остывания воды образцы выделили в окружающую среду определенное количество теплоты. Расчеты количества потерянной теплоты (Q, Дж) и мощности теплопотерь (P, Вт) приведены в Приложении 2.

Как видно из таблицы, максимальные теплопотери в контрольном образце № 3 составили около 121,2 кДж при мощности теплопотерь 13,5 Вт. Минимальные теплопотери были в образце № 1 и составили около 34,7 кДж при мощности 3,9 Вт.

Термос сохраняет тепло дольше, если обладает высокими теплосберегающими свойствами. Данные теплосбереждения (Q, Дж) и мощности термосов (P, Вт) приведены в Приложении 3.

Как видно из таблицы, образец №1 обладает высокими теплосберегающими свойствами (377,4 кДж) при большей мощности термоса (41,9 Вт). Самыми низкими теплосберегающими свойствами обладает контрольный образец № 3 (290,9 кДж) при меньшей мощности (32,3 Вт).

В результате проведённого эксперимента нами было исследовано количество сохраненной и выделенной термосами теплоты, рассчитана мощность термосов и теплопотерь, проведено сравнение теплосберегающих характеристик самодельных термосов с исходным материалом (стеклянной бутылкой) и покупным термосом с металлической колбой.

Начальная температура кипящей воды составила 98,6°С, что укладывается в значения температуры кипения воды по Московской области – от +98,5°С до +101,0°С в зависимости от рельефа.

На изменение температуры в термосах в течение времени влияли способ и материал изоляции колбы от окружающей среды:

• Теплопотери термоса из монтажной пены (образец № 1) и газеты в сочетании с тканью (образец № 2) в сравнении с контрольным образцом № 3 – неизолированной стеклянной бутылкой были ниже в 3,5 и 2,4 раза соответственно.
• Теплоизоляционные свойства монтажной пены (образец № 1) оказались выше не только изоляционных свойств газеты в сочетании с тканью на 4,28% (образец № 2), но и покупного термоса с металлической колбой (образец № 4) на 2,06 %.
• Теплоизоляционные свойства вакуума в сочетании с металлической колбой (образец № 4) выше, чем теплоизоляционные свойства газеты и материи в сочетании со стеклянной колбой (образец № 2) на 2,18 %.

Таким образом, материал колбы существенно влияет на сохранность тепла жидкости в термосе. Свойства по теплосбережению монтажной пены в сочетании со стеклянной колбой оказались выше свойств металлической колбы в сочетании с воздушной/вакуумной изоляцией.

Таким образом, для термосов различной конструкции нами на основе экспериментальных данных рассчитаны теплосберегающие характеристики и теплопотери. Расчёты, проведённые двумя независимыми способами – по количеству теплоты (Q,Дж) и мощности (P, Вт) по теплосбережению и теплопотерям дали совпадение.

Выводы:

1. Материал, из которого изготовлена колба термоса, ощутимо влияет на теплосберегающие свойства: термос со стеклянной колбой сохраняет температуру лучше термоса с металлической колбой того же объёма.
2. Материал и способ изоляции колбы термоса от теплообмена с окружающей средой оказывают заметное влияние на сохранность тепла жидкости в термосе. В самодельных термосах пористые материалы лучше поддерживают температуру в колбе.
3. Из подручных средств можно собрать термос, устраивающий своими термодинамическими качествами по сохранению температуры содержащейся в нём жидкости. Наша гипотеза подтвердилась.

Опираясь на навыки и знания, приобретённые при постановке данного эксперимента, мы можем дать следующие рекомендации для сборки термоса в полевых условиях:

• использовать в качестве изолирующих пористые материалы,
• в качестве колбы использовать емкости из стекла.

Полученный материал будет актуален в качестве дополнительного на уроках физики в 8-9 классах.

Для написания данной работы были использованы ресурсы Сети Интернет.

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Перейти к содержанию
проекта "Исследование термодинамических характеристик термосов"