Загальна інформація
Застосування
Рис. 1: установка досліду
Теплопровідність - це один зі способів передавання теплоти від тіла до тіла. Теплопровідність виникає через різницю температур тіл. При цьому теплота переходить із ділянок із вищою температурою до ділянок із нижчою температурою.
Коли зранку готують чашку кави, спершу в чашку наливають холодне молоко, а потім доливають каву. Спочатку теплою стає верхня частина, а нижня лишається ще холоднішою. Лише через кілька хвилин кава в усій чашці стане однаково теплою.
Інша інформація (1/2)
Попередні знання
Учні мають мати попередні знання про теплопровідність і знати теплопровідність води.
Принцип
Посудину з водою зазвичай нагрівають знизу. Нагріта вода тоді через меншу густину піднімається вгору. Так виникає теплова конвекція, яка рівномірно прогріває весь вміст посудини. Щоб продемонструвати теплопровідність води, треба цю теплову конвекцію унеможливити. Це вдається, якщо нагрівати лише поверхню певної кількості води й вимірювати температуру як у верхній, так і в нижній частині.
Інша інформація (2/2)
Навчальна мета
У досліді «Теплова конвекція в рідинах і газах» обговорювали теплообмін через зміну густини. У цьому досліді теплову конвекцію унеможливлюють. Попри це теплообмін спостерігається. Причина - теплопровідність, або теплова дифузія, за якої від теплішої до холоднішої ділянки переходить лише теплова енергія. Досліджують теплопровідність води.
Завдання
Учні мають у цьому досліді глибше зрозуміти теплопровідність у воді, спостерігаючи зміну температури між нижньою і верхньою ділянками.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Теорія
Теплопровідність - це один зі способів передавання теплоти крізь тіла через різницю температур. При цьому теплота переходить із ділянок із вищою температурою до ділянок із нижчою температурою.
Передавання теплоти залежить додатково від матеріалу речовини, різниці температур, розміру тіла і часу.
Кожна речовина проводить теплоту по-різному. Є добрі провідники теплоти (наприклад, мідь), але є й погані (наприклад, вода). Теплопровідність води становить 0,60 Вт/(м·К).
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Магнітна демонстраційна дошка PHYWE зі штативом, демо з фізики | 02150-00 | 1 |
| 2 | Затискний тримач, d = 0..13 мм, на магнітному тримачі | 02151-07 | 2 |
| 3 | Муфта на магнітному тримачі | 02151-01 | 1 |
| 4 | Стрілка для демонстраційної дошки, 4 шт. | 02154-01 | 1 |
| 5 | Тримач для сітки, магнітний | 02163-00 | 1 |
| 6 | Дротяна сітка з керамікою, 160 x 160 мм | 33287-01 | 1 |
| 7 | Лабораторний стакан, боросилікатне скло, низька форма, 600 мл | 46056-00 | 1 |
| 8 | Занурювальний кип'ятильник, 300 Вт, 220...250 В | 05947-93 | 1 |
| 9 | Термоіндикаторні смужки | 04260-00 | 1 |
| 10 | Занурювальний зонд, NiCr-Ni, нержавіюча сталь, -50...400°C | 13615-03 | 1 |
| 11 | Струбцина | 02014-01 | 2 |
| 12 | Демонстраційний універсальний вимірювальний прилад, ADM3 | 13840-00 | 1 |
Складання та виконання
Складання (1/3)
Рис. 2: Обладнання
1. Закріпи на нижньому краї магнітної дошки тримач для сітки і поклади на нього сітку.
Зауваження: тут замість підставки використано тримач для сітки, бо він має більшу силу магнітного притягання.
2. Наповни хімічний стакан на 600 мл приблизно 500 мл води і постав його на сітку.
3. Наклей на зовнішній бік хімічного стакана вертикально шматок термоіндикаторної смужки.
Складання (2/3)
4. Закріпи в магнітній муфті ручку занурювального кип'ятильника і розмісти його над хімічним стаканом на магнітній дошці. Занур при цьому кип'ятильник у воду до позначки мінімуму.
5. З'єднай штекер температурного давача з ADM 3, який стоїть на підлозі.
6. Утримуй кожним із затискних тримачів (0..13 мм) по одному із двох занурювальних давачів за ручку і розмісти їх так, щоб один давач заходив у воду приблизно на 1 см, а другий сягав приблизно на 1 см над дном хімічного стакана. Занурювальні давачі не повинні торкатися спіралі кип'ятильника.
Рис. 3: схема досліду
Складання (3/3)
Примітка:
Поводячись із занурювальним кип'ятильником, обов'язково дотримуйся інструкції з експлуатації. Кип'ятильник має термозапобіжник, який спрацьовує за кілька секунд і, якщо кип'ятильник працює без води, назавжди вимикає його задля захисту. Через це кип'ятильник під час роботи має бути завжди занурений у воду щонайменше до позначки мінімуму, а перед вийманням із води його треба вимкнути.
Виконання (1/2)
Рис. 4
1. Після завершення складання установки увімкни занурювальний кип'ятильник, увімкнувши штекер у розетку.
2. Потім спостерігай за показами температури і за термоіндикаторною смужкою. (Її можна використовувати багато разів, бо при охолодженні зміна кольору повертається назад.)
3. Коли вода в ділянці кип'ятильника почне кипіти, витягни штекер кип'ятильника і так вимкни його.
4. Спостерігай далі за показами температури і за індикаторною смужкою.
Виконання (2/2)
Примітка:
Охолодження води триває дуже довго. При цьому не обов'язково спостерігати за процесом увесь час. Досить короткого початкового спостереження після початку охолодження і ще одного спостереження, скажімо, через 10–15 хвилин після вимкнення, щоб проаналізувати загальний перебіг процесу.
Протокол
Спостереження (1/2)
Рис. 5: Спостереження за термоіндикаторним папером
Після вмикання занурювального кип'ятильника температура на верхньому занурювальному давачі неухильно зростає, тоді як на нижньому спочатку лишається незмінною. У верхній ділянці поблизу кип'ятильника першою помітна й зміна кольору індикаторної смужки (з оранжевого на червоний). У подальшому перебігу досліду зміна кольору повільно поширюється.
Коли вода у верхній ділянці кипить, термометр там показує значення понад 90 °C. У нижній ділянці температура лишається трохи вищою за кімнатну (за початкової температури майже 20 °C температура на нижньому давачі під час кипіння становить близько 21,5 °C).
Спостереження (2/2)
Після вимкнення занурювального кип'ятильника можна спостерігати спад температури у верхній ділянці. Це, однак, відбувається значно повільніше, ніж перед тим нагрівання. Крім того, спостерігається подальше повільне поширення зміни кольору на індикаторній смужці. Температура біля дна повільно, але неухильно зростає далі.
До того ж забарвлення індикаторної смужки тримається довго.
Опрацювання результатів
Занурювальний кип'ятильник нагріває лише верхні шари води, тоді як у нижній ділянці вона лишається холодною, тобто температура зростає лише повільно. Причина - відсутність теплової конвекції, яка інакше перемішувала б різно нагріті маси води.
Забарвлення індикаторної смужки засвідчує температури понад 45 °C. І тут стає очевидно, що вода спершу нагрівається біля поверхні.
Після вимкнення занурювального кип'ятильника температура у верхній ділянці знову спадає, бо теплота віддається навколишньому повітрю. Попри це температура в нижній ділянці зростає далі. Повільну зміну температури в нижній ділянці під час нагрівання і під час охолодження верхньої ділянки води можна пояснити теплопровідністю у воді. Теплопровідність води дуже мала (табличне значення = 0,598 Вт/(м·К)), тому теплота поширюється у воді дуже повільно. Різниця температур тримається у воді довго. Водночас це пояснює і дуже повільне охолодження, помітне за тривалим забарвленням індикаторної смужки.
Завдання
Питання
Питання