Использование теплопроводности материалов в повседневной жизни

Министерство образования Нижегородской области

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение «Нижегородский Губернский колледж»

Допустить к защите
«_____» _________

________________

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ

на тему: Использование теплопроводности материалов в повседневной жизни

по дисциплине: физика

Специальность: 09.02.07 Информационные системы и программирование

Выполнила

Студентка _________ А.А. Жулина

подпись

Группа 12П

Руководитель_________ Н.Н. Борышнева

подпись

г. Нижний Новгород

2019 г.

Оглавлени

Введение3

Глава 1. Основная часть5

1. Теплопроводность материалов5

1.1.Особенности теплопроводности материалов, из которых изготовлена кухонная посуда5

1.2. Учет теплопроводности при строительстве7

1.3. Отопительная система8

Глава 2. Исследование13

2.1. Опыт 1. Нагревание различных материалов13

2.2. Опыт 2. Нагревание и охлаждение воды в ёмкостях из разного материала15

Заключение17

Приложения18

Введение

«Истинная и законная цель всех наук состоит в том, чтоб наделять жизнь человеческую новыми изобретениями и богатствами»

— Френсис Бэкон

Тема: «Использование теплопроводности материалов в повседневной жизни».

Данная исследовательская работа посвящена актуальной проблеме использования современных достижений науки в сфере теплопроводности для хозяйственной деятельности человека, предметах домашнего обихода и возможности их рационального применения в повседневной жизни.

Мир физических явлений очень разнообразен. Физика обладает исключительным свойством: изучая простейшие явления, можно вывести общие законы. Меня интересовал вопрос различной теплопроводности материалов. И чем больше я изучаю по данную тему, тем больше понимаю: многие физические законы могут быть получены из моих собственных наблюдений и экспериментов.

С древних времен до наших дней люди задаются вопросом, как согреться и, главное, сохранить полученное тепло. Проблемы поддержания режима температуры в доме, проблемы, связанные с теплой одеждой и посудой, чаще всего вызваны различными заболеваниями, некачественным питанием и неспособностью противостоять природным условиям. Решение этих проблем напрямую связано с теплопроводностью. Человеку важно знать, из какого материала состоит определенный объект, понимать, от чего зависит его теплопроводность, и быть готовым к его реакции в различных температурных условиях.

Цель работы — выявить практическую пользу теплопроводности.

Задачи:

Изучить литературу по теме «теплопроводность различных материалов»

Выяснить значение терминов: теплопроводность,теплоемкость,плотность

Собрать материал об использовании теплопроводности в различных сферах

Провести опыты по различным видам теплопередачи в домашних условиях

Проанализировать полученные результаты

Сделать выводы о значении знания явления теплопроводности в нашей жизни

Гипотеза исследования: тела имеют различную теплопроводность, знания о которой необходимы в жизни.

Объект исследования: бытовые принадлежности.

Предмет исследования: физические явления, происходящие с предметами.

Методы исследования: наблюдение, сравнение, вычисление, эксперимент, анализ.

Глава 1. Основная часть

1. Теплопроводность материалов

Теплопроводность — это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым частям, осуществляемый хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.) [3/ 100]

Теплоемкость— это количество тепла, которое необходимо сообщать единице массы, количеству или объему вещества, чтобы его температура поднялась на один градус. [3/ 100]

Плотность— это скалярная физическая величина, определяемая как отношение массы тела к объему, занимаемому этим телом. [3/ 110]

1.1.Особенности теплопроводности материалов, из которых изготовлена кухонная посуда

Теплопроводность — это очень важный показатель, по которому можно сравнивать различные емкости для удобства и качества, а также безопасности его использования при приготовлении пищи. На рисунке 1 я привела сравнение теплопроводность различных материалов, используемых для изготовления различных блюд (см. Приложение 1).

На диаграмме показано, что теплопроводность серебра и золота очень высока, однако эти металлы очень дорогие, а самая низкая теплопроводность у углеродистой стали и чугуна.

Алюминиевая посуда. Алюминиевые кастрюли легки, долговечны и недороги. Алюминиевая посуда обладает отличной теплопроводностью, поэтому пища готовится быстро. Механическое воздействие может испортить посуду и модель не получится отреставрировать. После приготовления, пища не должна длительное время находиться внутри алюминиевой посуды. Металл вступает в реакцию с органическими кислотами. Алюминий попадает в блюда, а далее — в организм человека, что приводит к серьезному отравлению.

Чугунная посуда обладает достаточной прочностью и служит годами. Поскольку чугун имеет относительно низкую теплопроводность, чугунные котлы нагреваются довольно медленно. Но тепло распределяется равномерно и будет сохраняться дольше. Чугунная посуда не боится царапин, не деформируется, не выцветаeт. Недостатком чугунной посуды является ее склонность к ржавчине, поэтому ее необходимо протирать после мытья. Кроме того, нельзя оставлять еду, приготовленную в чугунной посуде, так как она может окислиться и изменить свой внешний вид и вкус.

Эмалированная посуда. Она сделан из чугуна или железа и покрыта двумя-тремя слоями стекловидной эмали, которые защищает металл от коррозии. Механические свойства совмещенных в ней материалов разные, например, толщина стенок. Иногда, в ходе готовки, в забывчивости ударив ложкой о край кастрюли, эмаль неотвратимо начинает откалываться. Из-под эмали оголяется черный металл, не предназначенный для контакта с пищей. В такой посуде готовить еду уже нельзя, и воду тоже не стоит кипятить. Возможно отравиться соединениями металлов. 

Медная и латунная посуда занимала лидирующее место на кухне сотни лет. Раньше из нее изготавливали котлы, кастрюли, сотейники и ковши. Сейчас в нашем обиходе из этого материала можно встретить в основном только турки для варки кофе. Чтобы избежать вредного воздействия веществ, турки изнутри покрывают слоем пищевого олова. Латунная посуда является менее вредным и более прочным сплавом меди и цинка. Но значительно теряет в показателе теплопроводности, и так же имеет вредное влияние. Но как медь, так и латунь до сих пор используют для производства кухонной посуды, но в сочетании с нержавеющей сталью. Следовательно, стали придают недостающие ей положительные качества.

Посуда из нержавеющей стали. Нержавеющей сталью называют сплав железа с хромом и никелем. Этому сплаву не страшны щёлочи и кислоты, он не влияет на вкусовые качества пищи, легко моется и почти не царапается. Дно такой посуды состоит из нескольких слоёв разных металлов: меди, бронзы и алюминия. Все три металла имеют высокую теплопроводность. Благодаря этому происходит равномерное распределение тепла. К недостаткам стоит отнести высокую стоимость, плохую переносимость перепада температур. Так же вследствие сильного перегрева изделия на огне без достаточного объема жидкости: могут появиться радужные пятна, которые не поддаются удалению.

Вывод: Таким образом, применение различной посуды зависит от ее теплопроводности. Наибольшей теплопроводностью обладают алюминий и медь. Но также я обратила внимание, что ручки у сковородок, чайников, кастрюль делают из дерева или пластмассы, так как эти вещества обладают плохой теплопроводностью (это будет доказано на опыте во 2 главе).

1.2. Учет теплопроводности при строительстве

При выборе материалов для строительства необходимо обращать внимание на характеристики материалов. Одна из ключевых характеристик — теплопроводность. Она отображается коэффициентом теплопроводности (теплоемкость).

Разные материалы имеют разную теплопроводность, и чем она ниже, тем ниже теплопередача от внутренней к внешней среде. Это означает, что зимой в помещении будет жарко, а летом прохладно. Материалы с низкой теплопроводностью используются для изоляции, а материалы с высокой теплопроводностью используются для передачи или отвода тепла. При строительстве различных проектов, в том числе жилых зданий, требуются знания о теплопроводности строительных материалов, в том числе минеральной ваты, пенополистирол, пенополиуретан и т.д.

Диаграмма 2 иллюстрирует разницу в теплопроводности материалов, используемых в строительстве и отделке зданий и помещений. (см. приложение 2)

Кирпич обладает высокой теплопроводностью. Стены из кирпича хорошо сохраняют тепло, но требуют постоянного отопления помещений. В ином случае, кирпич впитает влагу и под весом кладки начнет разрушаться. Дерево имеет более низкую теплопроводность. Этот материал практически не нагревается и не охлаждается, благодаря чему температура внутри помещения быстро стабилизируется. При достаточной толщине стен дерево само по себе может служить теплоизоляцией.

1.3. Отопительная система

Задача каждой системы отопления заключается в этом, для того чтобы результативно предоставить энергию с носителя тепла во здание. Радиаторы предусмотрены с целью увеличения теплообмена накопившейся энергии из системы в помещение. Они представляют собой нагревательное устройство, складывающееся из отдельных, как правило колончатых, составляющих — секций — с внутренними каналами. Внутри каналов циркулирует теплоноситель (в большинстве случаев – вода). Основные характеристики радиатора отопления:

Небольшая масса

Стойкость к коррозии

Показатели теплоотдачи (коэффициент теплоотдачи, толщина стенки, теплопроводность материала стенки)

Стойкость к давлению

Простота ухода

Стоимость

Материал изготовления

В диаграмме 3 показаны коэффициенты теплопроводности для основных материалов изготовления радиаторов. (см. приложение 3).

Чем больше коэффициент, тем менее тепловых издержек будет при передаче энергии. Как видно на диаграмме, наилучшим материалом в целях производства радиаторов считается медь, однако они менее востребованы из-за трудности в производстве и цены. Значительно чаще применяют стальные или алюминиевые модели. Вдобавок встречается использование в конструкции совокупность данных компонентов. Изготовитель обязан обозначать мощь теплоотдачи. Она находится в зависимости от температуры воды в системе отопления в первоначальном и конечном отрезке и температуры в помещении. Почти все без исключения изготовители указывают значение перепада температуры в системе, образец: 90/70 ℃.

Классификация радиаторов по материалу из которого они изготовлены:

чугунные радиаторы;

алюминиевые радиаторы;

стальные радиаторы;

биметаллические радиаторы.

Чугунные радиаторы отопления (см. приложение 4)

Чугунные радиаторы являются типичными для квартир советского периода. К их изъянам относится невысокая теплопроводность чугуна. Нагревание поверхности подобного радиатора вплоть до 45 градусов, потребует температуры теплоносителя в 60-75 градусах, но в системах центрального отопления вода зачастую не доходила до подобной температуры. Невысокая теплопроводность чугуна приводит к значительной инерционности системы, что никак не позволит стремительно менять температуру в помещении. Им не страшны ни ржавая вода, ни бактерии в системе, ни иные «опасности», которые считаются пагубными для иных типов радиатора.

Алюминиевые радиаторы отопления (см. приложение 5)

Алюминиевые радиаторы наиболее распространены на сегодняшний день на рынке, и их перечень пополняется достаточно часто. Значительный «плюс» подобных радиаторов в высокой теплопроводности алюминия. Подобные радиаторы практически моментально разогреваются и дают теплота в здание. Но они весьма восприимчивы к качеству теплоносителя. Алюминий вступает в химическую реакцию с водой. Но оксидная оболочка, возникшая при контакте с воздухом на внутренней поверхности батарей, может быть испорчена химически и механически «грязной» водой. Возобновиться в данной сфере без доступа воздуха она не сможет. Эти радиаторы запрещено на долгое время оставлять в системе с закрытыми кранами. В высококачественных алюминиевых радиаторах создают внутреннее защитное полимерное покрытие. Вдобавок алюминиевые радиаторы восприимчивы к скачкам давления — их не следует использовать в системах центрального отопления, так как вероятен их разрыв из-за гидравлического потрясения.

Стальные радиаторы отопления (см. приложение 6)

Стальные радиаторы не требовательны к условиям, могут иметь применение повсюду. В то же время они имеют высокую теплоотдачу, о чем свидетельствует небольшая толщина стенок радиатора. Не смотря на все свои плюсы, сталь в воде коррозирует, а значит, что период работы подобных радиаторов также ограничен, средним показателем является отметка в 15 лет.

Биметаллические радиаторы отопления (см. приложение 7)

Данный тип радиатора совмещает в себе надежность стальных радиаторов и тепловые характеристики алюминиевых. Биметаллический радиатор представляет собой алюминиевую батарею, внутри которой расположены стальные трубы, по которым циркулирует теплоноситель. Эти радиаторы выдерживают гидравлические удары. Помимо этого, их разрешено применять в системах центрального отопления. Существуют варианты биметаллических радиаторов с медными трубами. Их можно расценивать как безупречный вид радиатора, благодаря высокой теплопроводности меди, и она не коррозирует при контакте с водой. Недочетом считается лишь высокая стоимость.

Вывод: наилучшим вариантом был бы радиатор, полностью изготовленный из меди или серебра, но это будет очень дорого стоить. Во всех перечисленные видах радиаторов можно выделить три экономические группы:

бюджетные радиаторы (простые модели из алюминия и чугуна);

представители среднего класса (модели из нескольких стальных и биметаллических радиаторов);

радиаторы «первого класса» (некоторые модели биметаллических радиаторов, чугунные радиаторы художественного литья, батареи из нержавеющей стали).

Глава 2. Исследование

2.1. Опыт 1. Нагревание различных материалов

Для проведения этого опыта мне понадобились 3 линейки из различных материалов: металл, пластик, дерево. Помимо этого, я буду использовать 3 кусочка льда, и 3 керамические кружки. А так же малярный скотч и ножницы, для закрепления льда (см. приложение 8).

На каждой из линеек, на одинаковой высоте, я закрепила кусочки льда с помощью малярного скотча (см. приложение 9).

Далее я опустила каждую линейку в кружку залила кипятком и начала наблюдение (см. приложение 10).

Спустя 30 секунд металлическая линейка прогрелась. Спустя несколько минут кусочек льда на металлической линейке начал оттаивать интенсивнее остальных. Затем с пластмассовой и еще немного позднее с деревянной (см. приложение 11).

Спустя 15 минут я сняла куски льда. В результате эксперимента стало видно, что сильнее всего растопился лед, который находился на металлической линейке. Кусок чуть больше остался на пластиковой линейке, и меньше всего растаял тот, который был на деревянной. (см. приложение 12)

На этом я завершила опыт и сделала вывод: благодаря свойствам теплопроводности теплота перейдёт с воды к погруженному в неё объекту, а также растопит куски льда. Металл оказался лучшим проводником, нежели пластик и дерево. Собственно, по этой причине кухонную посуду для приготовления еды на плите производят из металла, чтобы они грелись за короткий срок и ускоряли процесс готовки. Дерево и пластмасса недостаточно хорошо проводят тепло. В связи с этим ручки кухонных принадлежностей зачастую производят из дерева.

2.2. Опыт 2. Нагревание и охлаждение воды в ёмкостях из разного материала

Я провела опыт, сперва нагревая воду в алюминиевой кастрюле, кастрюле с металлическим покрытием, а также чугунной. В каждую ёмкость я налила по 1 литру холодной воды, поставила в то же время все емкости на электрическую плиту, включила конфорки на полную мощь и засекла время. В алюминиевой кастрюле вода вскипела первой, спустя некоторый промежуток времени в кастрюле с металлическим покрытием, а в самую последнюю очередь - в чугунной кастрюле. Далее я вновь довела до кипения воду во всех кастрюлях, с целью того что бы вновь сделать воду одной температуры. Так как за то период пока до кипения доходила вода в чугунной кастрюле успела несколько охладеть вода в алюминиевой. Затем начала остужать. Снял кастрюли с конфорок, поставил на стол и засекла время. С помощью термометра для замера температуры воды я узнала, что скорее всех вода охладилась в алюминиевой кастрюле, затем в кастрюле с металлическим покрытием, а всех продолжительнее вода остывала в чугунной кастрюле. (см. приложение 13)

Из данного опыта можно сделать следующий вывод: в ёмкости из материала маленькой плотности (2700 кг/м3) вода дойдет до кипения быстрее, чем в ёмкости с большей плотностью (7300 кг/м3). Теплопроводность материала связана с его плотностью, чем ниже плотность, тем выше теплопроводность.

Заключение

Приступив к экспериментам, я и не подразумевала, что это станет настолько любопытно и познавательно! Наблюдения и опыты дали возможность проверить достоверность теоретических заключений, объяснить известные явления природы и научные данные. Проводимые мной домашние опыты увеличили заинтересованность к изучению предмета.

Цель, определенная мною в начале работы – выявить практическую пользу теплопроводности достигнута. Мною были проведены 2 опыта. В результате наблюдений, сопоставлений, вычислений, экспериментов я сделала соответствующие выводы, на основе которых сформировала советы, которые помогут подобрать для применения в быту различных материалов, опираясь на свойства их теплопроводности. (Приложение 1). Так же при исследовании использованного материала по этому вопросу я ознакомилась с современными данными российских и импортных изготовителей в сфере теплопроводности. (Приложение 2).

Эта работа пополнила мой запас знаний, а также я довольна итогом своей работы. В перспективе мне бы хотелось более тщательно ознакомиться с теплопроводностью материалов, применяемых при отделке и изоляции зданий.

Приложения

Приложение 1

Приложение 2 (Теплопроводность материалов)

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5

Приложение 6

Приложение 7

Приложение 8

Приложение 9

Приложение 10

Приложение 11

Приложение 12

Приложение 13

Таблица 1

Список используемой литературы

https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-svoystv-sovremennyh-teploizolyatsionnyh-materialov - Щербак А. С., «Исследование свойств современных теплоизоляционных материалов», Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Белов, Г. В. Термодинамика в 2 ч. Часть 1: учебник и практикум для академического бакалавриата / Г. В. Белов. — 3-е изд., испр. и доп. — Москва: Издательство Юрайт, 2019. — 264 с.

Бобошина, С. Б. Физика. Тепловые процессы: учебное пособие для академического бакалавриата / С. Б. Бобошина, Г. Н. Измайлов. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва: Издательство Юрайт, 2019. — 118 с.

Деменок С. Л., Теплообмен и гидравлическое сопротивление в трубах и каналах: учебное пособие / С. Л. Деменок — Санкт-Петербург: Страта, 2018. — 306 c.

Дождиков, В. И. Теплообмен: учебное пособие / В. И. Дождиков, А. О. Ганул. — Липецк: Липецкий государственный технический университет, ЭБС АСВ, 2017. — 84 c.

Зарипов, З.И., Теория теплообмена: лабораторный практикум / З. И. Зарипов, М. С. Курбангалеев, А. А. Мухамадиев, И. Х. Хайруллин. — 2-е изд. — Казань: Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2017. — 80 c.

Кудинов, В. А. Теплопроводность и термоупругость в многослойных конструкциях: учебное пособие / В. А. Кудинов, Б. В. Аверин, Е. В. Стефанюк. — Москва: Высшая школа, 2008. — 305 c. 

Стерлигов, В.А., «Источники и системы теплоснабжения», «Отопление» / В. А. Стерлигов, Е. М. Крамченков, Т. Г. Мануковская. — Липецк: Липецкий государственный технический университет, ЭБС АСВ, 2013. — 18 c. 

Суворов, Э. В. Материаловедение: методы исследования структуры и состава материалов: учебное пособие для академического бакалавриата / Э. В. Суворов. — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва: Издательство Юрайт, 2019. — 180 с.

Шабаров, А. Б., Теория тепломассопереноса в нефтегазовых и строительных технологиях: учебное пособие для вузов / А. Б. Шабаров [и др.]; под редакцией А. Б. Шабарова, А. А. Кислицына. — Москва: Издательство Юрайт, 2019. — 332 с. 

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/411638-ispolzovanie-teploprovodnosti-materialov-v-po