2 Исследовательская работа Тепло и холод

1
Исследование эффективности охлаждения
жидкости разными способами с помощью льда.
Введение:
На уроках физики, изучая явление конвекции, я узнала много об этом
явлнии:
Конве́кция (от лат. convectio — принесение, доставка) — явление переноса
теплоты в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками самого вещества
(неважно, вынужденно или самопроизвольно). Существует т. н. естественная
конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его
неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции, нижние
слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают вверх, а верхние
слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и погружаются вниз, после
чего процесс повторяется снова и снова. При некоторых условиях процесс
перемешивания самоорганизуется в структуру отдельных вихрей и
получается более или менее правильная решётка из конвекционных
ячеек.Различают ламинарную и турбулентную конвекцию.Естественной
конвекции обязаны многие атмосферные явления, в том числе, образование
облаков. Благодаря тому же явлению движутся тектонические плиты.
Конвекция ответственна за появление гранул на Солнце.При вынужденной
(принудительной) конвекции' перемещение вещества обусловлено действием
каких-то внешних сил (насос, лопасти вентилятора и т. п.). Она применяется,
когда естественная конвекция является недостаточно
эффективной.Конвекцией также называют перенос теплоты, массы или
электрических зарядов движущейся средой.
Существует три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и лучистый
теплообмен. Слово «конвекция» образовано от греческого слова convectio —
доставка. Конвекция - это процесс теплопередачи, осуществляемый путем
переноса энергии потоками жидкости или газа.
Явление конвекции можно объяснить законом Архимеда и явлением
теплового расширения тел. При повышении температуры объем жидкости
возрастает, а плотность уменьшается. Под действием архимедовых сил менее
плотная нагретая жидкость поднимается вверх, а более плотная холодная
жидкость опускается вниз. Если же жидкость нагревать сверх, то менее
плотная теплая жидкость там и останется и конвекция не возникнет.Так
устанавливается круговорот жидкости, сопровождающийся переносом
2
энергии от нагретых участков к более холодным. Совершенно аналогичным
образом возникает конвекция в газах.Такой процесс часто называется
естественной конвекцией. Для ее возникновения требуется подогрев
жидкости снизу (или охлаждение сверху), причем нагрев в разных участках
должен быть неравномерным.
Кроме естественной конвекции, возможна и принудительная конвекция. При
принудительной конвекции потоки нагретой (или охлажденной) жидкости
или газа переносятся под действием насосов или вентиляторов. Такая
конвекция используется в тех случаях, когда естественная конвекция
оказывается недостаточно эффективной, а также в состоянии невесомости,
когда естественная конвекция невозможна. Явление возникновения струй
или потоков в нагреваемых или охлаждаемых жидкостях и газах называется
конвекцией. Кроме того, с точки зрения термодинамики конвекция – это
способ теплопередачи, при котором внутренняя энергия переносится
потоками неравномерно нагретых веществ.Теплоообмен конвекцией часто
встречается в быту. Например, отопительные батареи-радиаторы
располагаются вблизи пола под подоконником. Поэтому нагреваемый ими
воздух, поднимаясь вверх, смешивается с холодным воздухом,
опускающимся от окна. В результате в комнате устанавливается почти
равномерная температура. Этого не происходило бы, если бы батареи
располагались у потолка. Конвективные потоки возникают и внутри
кастрюль с жидкостями, которые нагреваются на кухонной плите.
Явление конвекции весьма распространено в природе. Типичными
примерами конвекции в атмосфере являются ветры, в частности бризы и
муссоны. Нагреваясь над одними участками Земли и охлаждаясь над
другими, воздух начинает циркулировать, перенося с собой энергию и влагу.
Явление это весьма сложное. На процесс естественной конвекции
накладывается ряд факторов, в частности суточное вращение Земли, рельеф
местности, влияние морских течений и т. д. Но в основе ветрообразования
лежит именно явление конвекции. Особенно прост и нагляден механизм
возникновения берегового бриза. Днем суша прогревается быстрее воды, у
которой теплоемкость очень велика. Поэтому температура суши выше
температуры воды. Нагретый над сушей воздух поднимается вверх, на его
место поступает холодный воздух с моря, и у поверхности Земли ветер дует с
моря на берег. Ночью картина меняется на противоположную: земля быстрее
остывает, вода сохраняет более высокую температуру, и ветер у поверхности
Земли направлен с берега в сторону моря. С явлением конвекции связаны
процессы горообразования. В первом приближении земной шар можно
3
рассматривать как систему, состоящую из трех концентрических слоев.
Внутри находится массивное ядро, состоящее в основном из металлов
(железа, никеля и т. п.) в виде очень плотной жидкой массы. Радиус ядра
равен примерно 3500 км. Ядро окружают полужидкая мантия и литосфера
общей толщиной около 2900 км, состоящие из горных пород в твердом
состоянии (слово «литосфера» образовано от греческого lithos — камень и
sphaira — шар). Самый верхний слой литосферы, толщиной в среднем 60—70
км,— это земная кора. Литосфера состоит из отдельных плит, которые как бы
плавают на поверхности мантии. Дело в том, что вещество мантии находится
под колоссальным давлением литосферы и приобретает за счет этого
свойства очень вязкого, но все же текучего вещества. Вследствие
неравномерного разогрева отдельных участков мантии, а также разной
плотности горных пород в разных участках мантии в ней возникают
конвективные потоки. Они вызывают перемещения литосферных плит,
несущих континенты и ложа океанов. Там, где литосферные плиты
расходятся, возникают океанические впадины. В других местах, где плиты
сталкиваются и одна из них наползает на другую, образуются горные
массивы. При этом возникают неустойчивые участки с очень болыними
напряжениями — сейсмические зоны. При переходе этих участков в более
устойчивое состояние происходят землетрясения. Вещество мантии обладает
колоссальной вязкостью, поэтому скорость перемещения конвективных
потоков в мантии очень мала. Соответственно мала и скорость перемещения
литосферных плит (около 2—3 см за год). Однако за геологические эпохи
порядка десятков миллионов лет литосферные плиты могут
переместиться на сотни и тысячи километров.
С явлением конвекции связаны процессы глобальной циркульции
атмосферных масс воздуха. Все ветры вызваны конвекционными потоками,
возникающими из-за того, что большая часть энергии Солнца попадает на
Землю вблизи экватора. Когда воздух нагревается, он расширяется и
поднимается, а взамен к экватору устремляется поток более холодного и
плотного воздуха. Так образуется ветер.
С явлением конвекции связаны процессы парения птиц и планеро. Разные
участки земной поверхности нагреваются неодинаково. Из-за этого
неодинаково нагревается и воздух у поверхности. Более теплые и менее
плотные массы воздуха создают восходящие потоки, в которых могут долго
парить птицы и планеры. Мастерство планериста заключается в умении
находить такие потоки и с их помощью преодолевать большие расстояния. С
явлением конвекции связаны процесс дымообразования из труб и кратеров
4
вулкано. Дым из печной трубы или кратера вулкана имеет высокую
температуру и низкую плотность, поэтому поднимается вверх. По мере
остывания дым может снова опускаться в нижние слои атмосферы. Вот
почему трубы, через которые выбрасываются вредные вещества, стараются
делать как можно более высокими.С явлением конвекции связаны процесс
охлаждение продуктов вхолодильнике. Газ фреон, циркулирующий по
трубкам холодильника, охлаждает воздух в верхней части холодильной
камеры. Холодный воздух, опускаясь, охлаждает продукты, а затем снова
поднимается вверх. Раскладывая продукты в холодильнике, старайтесь не
затруднять циркуляцию воздуха. Решетка сзади холодильника
предназначается для отвода тепла, образующегося при сжатии газа в
компрессоре. Механизм ее охлаждения также конвективный, поэтому надо
оставлять пространство за холодильником свободным для конвективных
потоков. С явлением конвекции связана работа отопительной системы дома.
Отопительная система жилого дома также работает с помощью конвекции.
Горячая вода, поступающая в дом, или нагретая в котле, поднимается вверх,
а затем спускается по трубам и распределяется по жилым помещениям,
отдавая тепло в радиаторах или конвекторах.
Существует мнение, что для быстрейшего охлаждения сосуда с горячей
жидкостью лед следует положить сверху, но не снизу.
Я задумалась: А так ли это?
Я изучила данный вопрос конвективного теплообмена
Желая нагреть воду, мы помещаем сосуд с водой над пламенем, а не сбоку от
него. И поступаем вполне правильно, так как воздух, нагреваемый пламенем,
становится более легким, вытесняется со всех сторон кверху и обтекает наш
сосуд. Следовательно, помещая нагреваемое тело над пламенем, мы
используем теплоту источника самым выгодным образом. В нагреваемой
воде происходит аналогичный процесс. Нагреваемая внизу вода, расширяется
и под действием Архимедовой силы поднимается вверх. Процесс
теплообмена идёт интенсивно.
5
Из многочисленных источников я узнала что для быстрейшего охлаждения
сосуда с горячей жидкостью лед следует положить сверху, но не снизу.
Но ведь история физики знает много примеров, когда все думали
стандартным образом, а находился учёный с другими подходами и всё
переворачивалось в физических понятиях.
А может я нашла ту золотую жилу и внесу свой вклад в физику?
Основная часть
Цель эксперимента: исследовать процесс охлаждения
воды с помощью льда и выяснить в каком случае он идет более
эффективно.
Опыты проводила в домашних условиях, при комнатной температуре 200С.
В опыте использовалась стандартная 3-х литровая кастрюля. В нее
наливалось 3 кг воды, при температуре 1000С.
В первой части опытов, я размещала лёд на крышку. Притом выбрала её
такую, что бы было как можно большее соприкосновение с водой. Для
охлаждения использовалось лед, при начальной температуре -110С. Я
использовала пластмассовые одноразовые стаканчики, в которые наливала
200 г воды и замораживала их до температуры -110С. Количество льда
6
меняла при проведении опытов. Лёд достаточно быстро растаял. В процессе
таяния льда, получившаяся вода равномерно стекала вниз. Опыты
проводились 5 раз. Дальше будет идти обработка для средних значений.
Во первой части эксперимента при положении Лёд наверху, весь лёд растаял
за 18 минут и вода охладилась до 580C .
Во второй части эксперимента исследовалось естественное охлаждение воды,
за тот же промежуток времени 18 минут.
В этом случае вода остывает только до 860C.
В третьей части эксперимента исследовался процесс охлаждения воды в
положении Лед внизу
Первоначально эксперимент проводим тоже 18 минут и за это время вода
охладится, в среднем, до 71 0C. Причём часть льда остается
нерасплавленной. Далее опять продолжаем опыт до полного расплавления
льда. Это продолжалось 12 минут и конечная температура воды стала 620C.
Очень интересный результат получился когда маса льда 0,8 кг.
Для него и покажем расчёты.
Составим таблицу для средних значений
7
Масса Масса
воды
Льда
m1,кг
m2,кг
Нач.
Кон.
темпер.
темпер. темпер.
t1
t2
льда t3
3
0,8
100
58
-11
Естественное 3
нет
100
86
Лед наверху
охлаждение
Лед внизу
Нач.
Время
охлаждения
Δt, мин
18
18
3
0,8
100
71
-11
18
Лед наверху
Рассчитаем количество теплоты, которое потеряла вода за счет естественного
охлаждения Q=c m1(t2- t1)
Q1=4190
Дж
*3 кг* (860C-1000C)= -175 980 Дж
0
кг  С
Рассчитаем количество теплоты, которое потеряла вода с учётом таяния льда:
Q2=4190
Дж
*3 кг* (580C-1000C)= -527 940 Дж
0
кг  С
Найдем разность ΔQ= Q2- Q1=527 940 Дж – (-175 980 Дж) =-351 960 Дж.
Таким образом мы, нашли количество тепла которое «потеряла» вода за счёт
таяния льда:
Рассчитаем количество тепла необходимое для того чтобы лёд превратить в
воду при 200С.
Начальная температура льда t3=-110C
Это количество тепла будем рассчитывать исходя из того, что здесь мы
будем наблюдать 3 процесса:
1. Нагревание льда от -110C до 00C
8
Q= cл m2(t0- t3)
2. Плавление льда при постоянной температуре 00C
Q= λm2
3. Нагревание воды от до 00C до 200C.
Q= cл m2(t4- t0)
Сведём это в общую формулу для данного конкретного случая:
Q3= cл m2(t0- t3) + λm2 + cл m2(t4- t0)
Подставим численные значения:
Q3=2100
+ 4190
Дж
Дж
*0,8 кг* (00C –(-110C)) + 330 000
*0,8 кг +
0
кг
кг  С
Дж
*0,8 кг* (200С-0 0C)= 349 520 Дж.
0
кг  С
Получился очень интересный результат: ΔQ (351 960 Дж.) практически
по модулю равно Q3 (349 520 Дж.)
Это означает, что к.п.д. установки равно 100 %. А где же потери на
охлаждение от льда воздуха? Данный результат объясняется тем что вода
медленно стекая по стенкам, нагревалась больше чем до 200С. Кроме того
надо учитывать следующий фактор ведь воздух над льдом, охладившись,
опускается вниз и заменяется окружающим теплым воздухом. Эти факторы
совместно внесли свой вклад в процесс теплообмена. Направление
конвекционных потоков показано на чертеже:
9
Лёд внизу:
Рассчитаем количество теплоты, которое потеряла вода с учётом таяния льда:
Q4=4190
Дж
*3 кг* (710C-1000C)= -364 530 Дж.
0
кг  С
Найдем разность ΔQ= Q4- Q1=-364 530 Дж- (-175 980 Дж)=-188 570 Дж
Таким образом мы, нашли количество тепла которое «потеряла» вода за счёт
таяния льда: ΔQ=-188 570 Дж
В этом случае количество теплоты получилось меньше.
Данный результат объясняется тем, что, когда лёд находится внизу процесс
конвекции в воде проявляется в меньшей степени, а теплообмен между льдом
и водою происходит посредством теплопроводности.
Заключение:
Сравним: Лед наверху ΔQ=-351 960 Дж
Лёд внизу: ΔQ=-188 570 Дж
Анализируя полученные результаты приходим к выводу.
В первом случае процесс охлаждения идет более эффективно.
Вывод: Доказано преимущество первого метода по сравнению со
вторым. Когда лед наверху за 18 минут вода остыла до 580C, когда лёд
внизу только до 710C. Это объясняется отсутствием конвекции во
втором случае. По этому практически в 2 раза уменьшилась теплоотдача
(ΔQ=-351 960 Дж, ΔQ=-188 570 Дж).
Мне не удалось внести, что-то новое в физику. Результат получился
предсказуемым. Но я об этом не сожалею. Я приобрела навыки
10
планирования, проведения эксперимента. Поработала с дополнительной
литературой. Вышла на новый уровень знаний и умений по этой теме. А
новые открытия меня ждут!
Используемые Интернет ресуры:
www.oteple.ru/page.80.html
www.uspens.ru/.../0/index.shtm
www.dostup.at.ua/.../24-1-0-544 www.about-convection.ru/.../190
www.ras.ru/FStorage/download.aspx?Id=cd885ab9-d585.
otvet.mail.ru/question/31299103/
class-fizika.narod.ru/8_4.htm
pda.sb.by/post/15770/
ru.wikipedia.org/wiki/Конвекция
bobrdobr.ru/.../Berenzon_8b_590/
elibrary.ru/item.asp?id=9485833