Исследование изменения температуры воды при различных условиях

В этой работе мы с вами должны будем сравнить скорости изменения температуры остывающей воды в стакане и в калориметре; а также установить зависимость изменения температуры от времени.

Для выполнения этой работы мы будем использовать оборудование из комплекта № 7 в составе: измерительный цилиндр (мензурка), два термометра, секундомер, калориметр и стеклянный стакан. На столе у проверяющих дополнительно вы найдёте: чайник с термостатом и термометр, измеряющий температуру воздуха в помещении.

Всем вам известно, что если на долгое время жидкость, например воду, оставить в открытом сосуде, то со временем её количество уменьшится. Почему так происходит?

Для ответа на эти вопросы давайте вспомним, что молекулы вещества в любом его агрегатном состоянии находятся в тепловом движении. При этом модули и направления скорости молекул меняются самым случайным образом. И несмотря на то, что среднее значение кинетической энергии молекул при заданной температуре имеет определённое значение, скорость отдельной молекулы может быть, как больше, так и меньше средней. Наиболее быстрые молекулы, находящиеся в верхних слоях жидкости, могут преодолеть силы притяжения к другим молекулам и покинуть жидкость. А так как молекулы с большой энергией есть всегда, то со временем количество жидкости в сосуде будет уменьшаться, а над жидкостью будет образовываться пар.

Явление превращения жидкости в пар называют парообразованием.

Принято различать два вида парообразования — испарение и кипение.

Напомним, что испарение — это процесс парообразования, происходящий со свободной поверхности жидкости, граничащей с газообразной средой или вакуумом.

Итак, при испарении жидкость покидают молекулы с большой энергией. А это значит, энергия оставшихся молекул жидкости уменьшается. Следовательно, уменьшается и температура жидкости.

Скорость испарения жидкости зависит от многих факторов. Например, она зависит от рода жидкости. Это и понятно, ведь у разных жидкостей силы взаимодействия молекул неодинаковые.

Скорость испарения жидкости зависит от её температуры: чем она выше, тем скорость испарения жидкости больше. И это неудивительно, поскольку чем выше температура, тем больше скорость движения молекул, и, соответственно, их кинетическая энергия. Значит, большее число молекул способно преодолеть силы притяжения и выйти за пределы поверхности жидкости.

Скорость испарения жидкости зависит от её площади свободной поверхности: чем больше площадь, тем больше скорость испарения. Дело в том, что в этом случае большее число молекул оказывается на поверхности жидкости. Значит и большее число молекул способны преодолеть взаимное притяжение и вылететь из жидкости.

Наконец, скорость испарения зависит от движения воздуха над свободной поверхностью жидкости. Объясняется это тем, что при испарении молекулы не только покидают поверхность жидкости, но и возвращаются обратно. А поток воздуха уносит вылетевшие из жидкости молекулы, освобождая место другим.

Вспомнив основную теорию, мы можем приступить к самой работе. Итак, для начала нарисуем рисунок нашей экспериментальной установки (если этого будет требовать условие). В начале мы нарисуем стакан с водой и калориметр. Внутри каждого сосуда изобразим термометры, на которых укажем начальную и конечную температуры воды.

Теперь запишем формулу, по которой будем рассчитывать скорость остывания воды. Итак, скорость остывания равна отношению разности температур в начальном и конечном состояниях, к промежутку времени, за который произошло это изменение температуры:

Результаты прямых измерений мы с вами будем заносить в таблицу. В первую строку мы с вами будем записывать значения промежутков времени в минутах (они нам даны по условию задания). Во второй строке мы будем записывать температуру воды в стакане. В третьей — температуру воды в калориметре. А в последней строке мы укажем температуру воздуха в помещении (её можно посмотреть на термометре у экспертов).

Теперь приступим непосредственно к работе. Итак, для начала вы должны на столе у экспертов налить в стакан и калориметр 100 г горячей воды из чайника. Не забудьте посмотреть или спросить температуру воды в чайнике — это и будет начальная температура воды. Её значение необходимо будет занести в таблицу

На рабочем месте опустите в калориметр и стакан термометры. Теперь необходимо каждые две минуты снимать показания с обоих термометров и заносить их в таблицу

По прошествии 12 мин достаньте термометры из сосудов. Промокните их и уберите в футляр.

Прямые измерения мы с вами завершили. Теперь давайте рассчитаем скорость остывания воды в сосудах на заданных интервалах времени.

Таким образом видим, что скорость остывания воды в калориметре ниже, чем в стакане. И это не удивительно, если вспомнить, что этот прибор предназначен для уменьшения теплообмена между содержимым внутреннего сосуда и внешней средой.

И нам ещё необходимо построить графики остывания воды в стакане и в калориметре. На оси абсцисс мы будем отмечать время в минутах. А на оси ординат — температуру в °С.

Как видим, графики у нас получились нелинейными. Это говорит нам о том, что чем больше разность температуры воды и окружающей среды, тем скорость остывания воды выше.

Итак, в выводе мы напишем, что при одинаковых условиях скорость остывания воды в стакане выше, чем скорость остывания воды в калориметре. При этом чем больше разность температуры воды и окружающей среды, тем скорость остывания воды выше.

Во второй части работы мы с вами должны будем сравнить процессы остывания горячей воды в узком и широком сосудах.

Оборудование мы будем использовать практически такое же. Единственное что, мы заменим калориметр на широкий сосуд (например, на тарелку).

Теория у нас остаётся та же, поэтому приступим непосредственно к работе.

Итак, для начала нарисуем рисунок нашей экспериментальной установки (если этого будет требовать условие). Сначала мы нарисуем широкий сосуд и стакан с водой. Внутри каждого сосуда изобразим термометры, на которых укажем начальную и конечную температуры воды.

Теперь запишем формулу, по которой будем рассчитывать скорость остывания воды. Итак, скорость остывания равна отношению разности температур в начальном и конечном состояниях, к промежутку времени, за который произошло это изменение температуры:

Результаты прямых измерений мы с вами будем заносить в таблицу. В первую строку мы с вами будем записывать значения промежутков времени в минутах (они нам даны по условию задания). Во второй строке мы будем записывать температуру воды в стакане. В третьей — температуру воды в широком сосуде. А в последней строке мы укажем температуру воздуха в помещении (её можно посмотреть на термометре у экспертов).

Теперь приступим непосредственно к работе. Итак, для начала вы должны на столе у экспертов налить в стакан и широкий сосуд по 100 г горячей воды из чайника. Не забудьте посмотреть или спросить температуру воды в чайнике — это и будет начальная температура воды. Её значение необходимо будет занести в таблицу

На рабочем месте опустим в сосуды термометры и будем каждые две минуты снимать с них показания и заносить значения температур в таблицу

По прошествии 12 мин достаньте термометры из сосудов. Промокните их и уберите в футляр.

Прямые измерения мы с вами завершили. Теперь давайте рассчитаем скорость остывания воды в сосудах на заданных интервалах времени.

Таким образом видим, что скорость остывания воды в стакане ниже, чем в широком сосуде. И это не удивительно, если вспомнить, что скорость испарения жидкости зависит от площади её свободной поверхности: чем больше площадь, тем больше скорость испарения, так как большее число молекул оказывается на поверхности жидкости и может вылететь из неё.

И нам ещё необходимо построить графики остывания воды. Па оси абсцисс мы будем откладывать время в минутах. А по оси ординат — температуру в °С.

Как видим, графики у нас получились нелинейными. Это говорит нам о том, что чем больше разность температуры воды и окружающей среды и чем больше площадь свободной поверхности жидкости, тем скорость остывания воды выше.

Тогда в выводе мы напишем, что скорость остывания воды в широком сосуде выше, чем в стакане при прочих равных условиях.