Исследование времени остывания чашки горячих напитков

Употребление человеком пищи является одним из важнейших источников пополнения внутренней энергии. Совершение любой работы сопровождается затратами энергии. Чем плодотворнее и эффективнее работа, тем выше уровень потребления человеком энергии. И наоборот, чем своевременнее и эффективнее пополнение затрат внутренней энергии, тем результативнее будет работа человека.

Таким образом, от того насколько правильно организовано питание учащихся, во многом зависит эффективность их учебной деятельности. Ни для кого не секрет, что в школьных столовых горячие напитки часто остаются не востребованными, т. к. они либо подаются остывшими и не годны к употреблению, либо чересчур горячими, что делает невозможность их употребление. Такая ситуация навела меня на мысль, что можно точно рассчитать время разлива различных горячих напитков, т. к. приём пищи в школьной столовой осуществляется строго по расписанию. В этом я увидела актуальность своего исследования, а также его практическую направленность.

Для выполнения данного эксперимента я выбрала один из изученных мною способ определения плотности жидкости и удобный для данного случая: метод взвешивания тела в воздухе и неизвестной жидкости.

Оборудование: Сосуд с неизвестной жидкостью (напиток), сосуд с водой, тело из набора калориметрических тел, динамометр, нить.

1. С помощью динамометра определяем вес тела в воздухе (P1), в воде (P2) и в неизвестной жидкости (P3):

2. Записываем уравнение для архимедовой силы FA=ρgV, действующей в воде FA2 и неизвестной жидкости FA3.

Архимедова сила, действующая на тело в воде, равна: FA2=P1-P2 = ρ0Vg, а в неизвестной жидкости: FA3=P1-P3=ρVg.

Плотность неизвестной жидкости легко рассчитать из системы уравнений:

FA2=P1-P2 = ρ0Vg ρ=(P1-P3)/Vg,

FA3=P1-P3=ρVg V=(P1-P2)/ρ0g,

ρ=(P1-P3/P1-P2)ρ0.

Описание эксперимента №2 Определение коэффициента поверхностного натяжения напитка с помощью капилляра в зависимости от её температуры и плотности.

Оборудование: капилляры (медицинские для забора крови), термометр, стакан с горячим напитком.

1. Нальем в стакан напиток, нагретый до температуры 900С, опустим в него термометр и капилляр. Измеряем высоту подъема напитка в капилляре. Заносим данные в таблицу.

2. Остужая напитки до300С, измеряем высоту столба жидкости в капилляре при нескольких промежуточных температурах. Заносим данные в таблицу.

3. С использованием табличных данных по плотности напитков (полученных в предыдущем эксперименте) при определенных температурах измерения рассчитываем коэффициент поверхностного натяжения σ исследуемых напитков: σ =hρgr/2

4. Заполняем таблицу.

Описание эксперимента №3 Исследование зависимости времени остывания напитка от его плотности и поверхностного натяжения.

Оборудование: секундомер, термометр, сосуды из различного рода материала: фарфор, стекло (тонкое и толстое), металлическая кружка.

1. Определить время остывания напитка. Провести эксперимент, фиксируя температуру остывания напитка через каждую минуту. Данные занести в таблицу.

2. Построить модель остывания, используя электронные таблицы.

По полученным данным построить графики зависимости времени остывания от температуры t(t0C) сделать выводы.

Температура и способы её измерения

Температура. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа устанавливает связь легко измеряемого макроскопического параметра — давления с такими микроскопическими параметрами газа, как средняя кинетическая энергия и концентрация молекул. Но, измерив давление газа, мы не сможем узнать по отдельности ни среднее значение кинетической энергии молекул, ни их концентрацию. Следовательно, для нахождения микроскопических параметров газа нужны измерения еще какой-то физической величины, связанной либо с концентрацией, либо со средней кинетической энергией молекул.

Еще в XVIII в. М. В. Ломоносов высказал предположение о том, что изменение скорости хаотического движения молекул связано с изменением температуры тела.

Понятие температуры тела представляется на первый взгляд простым и понятным. Из собственного повседневного опыта каждый знает, что бывают тела горячие и холодные. Еще с детства нам знакомы выражения «температура на улице» и «температура при заболевании» и т. п.

Опыты и наблюдения показывают, что при контакте двух тел, из которых одно мы воспринимаем как горячее, а другое как холодное, происходят изменения физических параметров как первого, так и второго тела. Процесс передачи энергии, происходящий при контакте горячего и холодного тел и сопровождающийся изменениями ряда физических параметров, называется теплопередачей.

Через некоторое время после установления контакта между любыми телами изменения макроскопических параметров тел прекращаются. Такое состояние тел называется тепловым равновесием. Во всех частях системы тел, находящихся в состоянии теплового равновесия, температура одинакова, если при контакте двух тел никакие их физические параметры, например объем, давление, не изменяются, то между телами нет теплопередачи и их температура одинакова. Температура как макроскопический физический параметр определяет возможность теплопередачи от одного тела к другому и направление теплопередачи.

В повседневной жизни наиболее распространен способ измерения температуры с помощью жидкостного термометра. Здесь для измерения температуры используется свойство жидкостей при нагревании расширяться. Для измерения температуры тела термометр приводят с ним в контакт, между телом и термометром осуществляется процесс теплопередачи до установления теплового равновесия. Чтобы процесс измерения не изменил заметно температуру тела, масса термометра должна быть значительно меньше массы тела, температура которого измеряется.

Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение

Молекулы вещества в жидком состоянии расположены почти вплотную друг к другу. В отличие от твердых кристаллических тел, в которых молекулы образуют упорядоченные структуры во всем объеме кристалла и могут совершать тепловые колебания около фиксированных центров, молекулы жидкости обладают большей свободой. Каждая молекула жидкости, также как и в твердом теле, «зажата» со всех сторон соседними молекулами и совершает тепловые колебания около некоторого положения равновесия. Однако, время от времени любая молекула может переместиться в соседнее вакантное место. Такие перескоки в жидкостях происходят довольно часто; поэтому молекулы не привязаны к определенным центрам, как в кристаллах, и могут перемещаться по всему объему жидкости. Этим объясняется текучесть жидкостей. Из-за сильного взаимодействия между близко расположенными молекулами они могут образовывать локальные (неустойчивые) упорядоченные группы, содержащие несколько молекул. Это явление называется ближним порядком.

Пример ближнего порядка молекул жидкости и дальнего порядка молекул кристаллического вещества: 1 – иллюстрирует отличие газообразного вещества от жидкости на примере воды. Молекула воды H2O состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, расположенных под углом 104°. Среднее расстояние между молекулами пара в десятки раз превышает среднее расстояние между молекулами воды. В отличие, где молекулы воды изображены в виде шариков, дает представление о структуре молекулы воды.

Водяной пар (1) и вода (2). Молекулы воды увеличены примерно в 5·107раз.

Вследствие плотной упаковки молекул сжимаемость жидкостей, т. е. изменение объема при изменении давления, очень мала; она в десятки и сотни тысяч раз меньше, чем в газах.

Наиболее интересной особенностью жидкостей является наличие свободной поверхности. Жидкость, в отличие от газов, не заполняет весь объем сосуда, в который она налита. Между жидкостью и газом (или паром) образуется граница раздела, которая находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Молекулы в пограничном слое жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены другими молекулами той же жидкости не со всех сторон. Силы межмолекулярного взаимодействия, действующие на одну из молекул внутри жидкости со стороны соседних молекул, в среднем взаимно скомпенсированы. Любая молекула в пограничном слое притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости (силами, действующими на данную молекулу жидкости со стороны молекул газа (или пара) можно пренебречь). В результате появляется некоторая равнодействующая сила, направленная вглубь жидкости. Если молекула переместиться с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного взаимодействия совершат положительную работу. Наоборот, чтобы вытащить некоторое количество молекул из глубины жидкости на поверхность (т. е. увеличить площадь поверхности жидкости), надо затратить положительную работу внешних сил ΔAвнеш, пропорциональную изменению ΔS площади поверхности: ΔAвнеш=σΔS.

Зависимость поверхностного натяжения жидкости от температуры

Коэффициент σ называется коэффициентом поверхностного натяжения (σ>0). Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения равен работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу.

Следовательно, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами внутри жидкости потенциальной энергией. Потенциальная энергия Ep поверхности жидкости пропорциональна ее площади: Ep=Aвнеш=σS.

Из механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Отсюда следует, что свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.

Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (т. е. от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости.

Сечение сферической капли жидкости.

Вблизи границы между жидкостью, твердым телом и газом форма свободной поверхности жидкости зависит от сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела (взаимодействием с молекулами газа (или пара) можно пренебречь). Если эти силы больше сил взаимодействия между молекулами самой жидкости, то жидкость смачивает поверхность твердого тела. В этом случае жидкость подходит к поверхности твердого тела под некоторым острым углом θ, характерным для данной пары жидкость – твердое тело. Угол θ называется краевым углом. Если силы взаимодействия между молекулами жидкости превосходят силы их взаимодействия с молекулами твердого тела, то краевой угол θ оказывается тупым (рис. 4). В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность твердого тела. При полном смачивании θ=0, при полном несмачивании θ=180°.

Высота поднятия жидкости в капиллярных трубках

Подъем смачивающей жидкости в капилляре.

Капиллярными явлениями называют подъем или опускание жидкости в трубках малого диаметра – капиллярах. Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, несмачивающие – опускаются.

Изображена капиллярная трубка некоторого радиуса r, опущенная нижним концом в смачивающую жидкость плотности ρ. Верхний конец капилляра открыт. Подъем жидкости в капилляре продолжается до тех пор, пока сила тяжести Fт, действующая на столб жидкости в капилляре, не станет равной по модулю результирующей Fн сил поверхностного натяжения, действующих вдоль границы соприкосновения жидкости с поверхностью капилляра: Fт=Fн, где Fт=mg=ρhπr2g, Fн=σ2πrcosθ.

Отсюда следует:

При полном смачивании θ=0, cosθ=1. В этом случае

Выводы и рекомендации.

В заключение моей работы, проанализировав все полученные и обработанные в таблицах результаты, можно сделать некоторые выводы и дать рекомендации по учету времени остывания горячих напитков.

Выводы:

1. Время остывания напитка линейно зависит от плотности напитка и от его коэффициента поверхностного натяжения.

2. Время остывания напитка зависит от рода материала сосуда, в котором подают напитки.

3. Но так как в нашей школьной столовой горячие напитки подают в толстостенных стеклянных стаканах, то исходя из данных исследования, делаем вывод, что самое оптимальное время разлива напитков за 8 - 12 минут до звонка.

Рекомендации:

По результатам данного исследования можно дать некоторые рекомендации:

1. С данной работой можно выступить перед рабочим персоналом школьной столовой, которые непосредственно связаны с питанием учащихся школы.

2. Результаты работы можно учитывать при подаче горячих напитков учащимся во время обеда.

3. Результаты работы можно использовать на уроках физики для активизации познавательной деятельности учащихся.