Загальна інформація
Застосування
Рис. 1: установка досліду
Теплопровідність - це вид теплопередачі, за якого теплота передається крізь тіла від ділянок з вищою температурою до ділянок з нижчою температурою.
Теплопровідність трапляється всюди в побуті, наприклад каструля. Коли каструля торкається дном конфорки, через деякий час нагрівається вся каструля. Коли чашка води стоїть у холодильнику, вона охолоджується швидше.
Інша інформація (1/2)
Попередні знання
Учні мають мати попередні знання про теплопровідність і теплопровідну здатність.
Принцип
У цьому досліді досліджують теплопровідність різних матеріалів. Для цього порівнюють між собою мідь, алюміній, латунь і скло: U-подібні стрижні з них одним кінцем занурюють у гарячу воду. Теплота переноситься вздовж стрижнів, що роблять видимим термоіндикаторні смужки, які змінюють колір. У другій частині досліду завдяки теплопередачі нагрівається водяна баня на другому кінці стрижня.
Інша інформація (2/2)
Навчальна мета
Треба показати, що теплопровідність залежить від матеріалу. Теплота може переноситися крізь тверде тіло.
Завдання
Під час цього досліду учні мають докладніше зрозуміти теплопровідність у різних твердих тілах і порівняти теплопровідність міді, алюмінію, латуні та скла.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Теорія
Теплопровідність - це вид теплопередачі крізь тіла, зумовлений різницею температур. Теплота завжди переноситься від ділянок з вищою температурою до ділянок з нижчою температурою.
Передану теплоту всередині речовини можна обчислити,
Отже, справджується:
= теплопровідність речовини; = площа поперечного перерізу речовини; = час теплопровідності; = різниця температур; = довжина
У досліді площа поперечного перерізу речовини, час теплопровідності, різниця температур і довжина однакові, тож вирішальну роль відіграє теплопровідність речовини.
Обладнання
Складання та виконання
Складання 1 (1/2)
Рис. 2: Обладнання
Дослід 1
1. Установи дві колби Ерленмейера на демонстраційну дошку за допомогою затискних тримачів (29 – 36 мм). Вони правлять за резервуар для гарячої води.
2. Установи на дошку два затискні тримачі (0 – 13 мм) назовні та вісь між колбами Ерленмейера. Підбери відстань так, щоб U-подібні стрижні могли лягти, як на рис. 3.
3. Насунь на вісь шматок силіконового шланга для теплоізоляції.
Складання 1 (2/2)
4. Поклади U-подібні стрижні в такому порядку (зліва направо, за спаданням теплопровідності) одним кінцем на вінця колби Ерленмейера, а другим - на затискний тримач (0 – 13 мм) або на вісь: мідь, алюміній, латунь і скло.
5. Наклей дві термоіндикаторні смужки (розрізані посередині) на стрижні так, щоб вони симетрично були на однаковій відстані від колби Ерленмейера.
6. Спершу знову зніми стрижні з установки й поклади їх напоготові на стіл.
Рис. 3: складання частини досліду 1
Складання 2 (1/2)
Дослід 2
1. Установи тримач для дротяної сітки посередині демонстраційної дошки й постав на нього дротяну сітку та лабораторний стакан на 400 мл. (рис. 4)
2. Закріпи ліворуч і праворуч від тримача сітки два світлі стакани в затискних тримачах (26 – 36 мм).
3. Устав U-подібно зігнуті мідний та алюмінієвий стрижні, як на рис. 5, одним кінцем у лабораторний стакан, а другим - у світлий стакан. За потреби підправ положення стаканів. Цього разу індикаторних смужок не використовуй.
Рис. 4: складання частини досліду 2
Складання 2 (2/2)
4. Знову зніми U-подібні стрижні з установки й поклади їх напоготові.
5. Наповни світлі стакани водою до рівня на 2 мм нижче від вінець.
6. З'єднай штекер температурного зонда з ADM 3.
7. Закріпи температурний зонд на магнітній демонстраційній дошці за допомогою магнітного тримача й увімкни вимикач живлення.
Рис. 5: світлий стакан зблизька
Виконання 1
Дослід 1
1. Доведи воду в лабораторному стакані до кипіння занурювальним кип'ятильником.
2. За допомогою лійки обережно налий окріп в обидві колби Ерленмейера так, щоб вони були якомога повніші по вінця.
3. Тепер якомога одночасніше поклади підготовані стрижні в установку й запусти секундомір.
4. Спостерігай за зміною кольору індикаторних смужок. (Смужки можна використовувати багаторазово.)
Виконання 2
Дослід 2
1. Наповни лабораторний стакан водою й доведи її до кипіння занурювальним кип'ятильником.
2. Визнач початкову температуру води у світлих стаканах.
3. Поклади U-подібні стрижні з міді та алюмінію якомога одночасніше між лабораторним стаканом і світлим стаканом і запусти секундомір.
4. Виміряй температури через 5 хв, 10 хв і 15 хв.
Протокол
Спостереження 1 (1/2)
Тривалість до зміни кольору індикаторних смужок спостерігають і записують.
| Матеріал | Тривалість |
| Мідь | прибл. 20 с |
| Алюміній | прибл. 30 с |
| Латунь | прибл. 45 с |
| Скло | почервоніння немає |
Табл. 1: початок почервоніння
Спостереження 1 (2/2)
Почервоніння смужки спостерігають і записують через 1,5 хв і через 3 хв.
| Матеріал | через прибл. 1,5 хв | через прибл. 3 хв |
| Мідь | 75% | 100% |
| Алюміній | > 50% | 75%, тонко сходить нанівець до кінця |
| Латунь | 25% | 30% |
| Скло | зовсім ні | зовсім ні |
Табл. 2: почервоніння смужки
Опрацювання результатів 1
1. Колір термоіндикаторної смужки змінюється з жовтогарячого на червоний, коли температура піднімається вище за 40 °C.
2. Теплота поширюється в стрижнях з різною швидкістю. Нагрівання стає видимим завдяки почервонінню смужок і є мірою теплопровідності матеріалу. Якщо впорядкувати матеріали від доброї до поганої теплопровідності, дістанемо такий порядок: мідь - алюміній - латунь - скло
3. Насамперед для алюмінію та латуні індикаторна смужка додатково показує, що навіть після тривалого спостереження вздовж стрижня зберігається спад температури: з одного боку стрижень занурений у гарячу воду (температура прибл. 80 °C), а в зоні смужки температура змінюється з понад 40 °C до менш ніж 40 °C.
Спостереження 2
Початкова температура 24,5 °C
| t у хв | T Cu в °C | T Al в °C | Cu в °C | Al в °C |
| 5 | 24,5 | 24,5 | 0 | 0 |
| 10 | 26,3 | 25,3 | 1,8 | 0,8 |
| 15 | 27,5 | 25,9 | 3,0 | 1,4 |
Табл. 3: результати частини досліду 2
Опрацювання результатів 2
1. Температура у світлих стаканах спочатку зростає лише повільно, бо стрижні мусять спершу нагрітися. Аж коли встановиться (майже сталий) спад температури між гарячим і холодним кінцями стрижня, підвищення температури у світлих стаканах стає мірою теплоти , яка переноситься крізь стрижень.
2. Тому зміну температури у стаканах обчислюють від моменту t = 5 хв (див. таблицю 3). Стакани містять однакову кількість води з питомою теплоємністю . Справджується
3. Підвищення температури у стакані з мідним стрижнем приблизно вдвічі більше, ніж з алюмінієвим, отже, теплопровідність міді приблизно вдвічі більша за теплопровідність алюмінію.
Примітка (1/3)
Потік енергії крізь стрижень залежить від теплопровідності , площі поперечного перерізу та довжини стрижня, а також від різниці температур ( ) між гарячим і холодним кінцями стрижня.
Справджується:
Примітка (2/3)
| Матеріал | у Вт / (м·К) |
| Мідь | 384 |
| Алюміній | 220 |
| Латунь | 111 |
| Скло | 1 |
Табл. 4: теплопровідність матеріалів
Примітка (3/3)
Друга частина досліду показує, що крізь металевий стрижень переноситься теплота, проте вона дає змогу лише грубо порівняти теплопровідності міді та алюмінію. Для кількісного визначення теплопровідностей стрижень мав би бути товщим відносно своєї довжини та ізольованим збоку, щоб звести до мінімуму втрати теплоти. Крім того, температуру гарячої води треба було б підтримувати сталою. Для цього придатний прилад для вимірювання теплопровідності (арт. № 04518-01) з товстими, ізольованими мідними та алюмінієвими стрижнями й двома калориметричними посудинами як тепловими резервуарами.
Завдання
Питання
Питання