Анатація.

В цій експериментальній роботі з фізики досліджуються теплозберігаючи технології і вирішуються проблеми екології. Питання енергія в житті людини, теплоенергетика, способи збереження енергетичних ресурсів, енергозберігаючі технології, використання енергії людиною та охорона природи піднімається тільки на узагальнюючому заняті після вивчення розділу «Кількість теплоти. Теплові машини» у 8-му класі або у 10-му класі.

Нами пропонується простий прилад, виготовлений в шкільній майстерні на уроках трудового навчання, який може бути використаний при демонстраціях на уроках, семінарах,  розв’язуванні експериментальних задач та проведенні фізичного практикуму.

Метою створення приладу є необхідність показати різноманітність видів теплоізоляції та їхню дію. Прилад також створено для того, щоб продемонструвати, які є види теплообміну. З часом виникла потреба наглядно продемонструвати ефективність теплоізоляції і довести, що існує багато матеріалів, які можна ефективно використовувати для теплоізоляції і енергозбереження, а також показати, що теплоізоляційні властивості різних матеріалів різні. 

Фізичний експеремент має мету допомогти учням ближче познайомитися з законами фізики, глибше й докладніше ознайомитися з деякими фізичними явищами й з найбільш важливими фізичними приладами  та набути необхідних навичок в проведенні експерименту.

 

Експерементальна робота:

«Дослідження теплозберігаючих властивостей природних та штучних матеріалів»

 

 

 

 

Актуальність

Основними джерелами енергії (тепла, електрики), що надходить у наші помешкання, є вугілля, газ чи нафта. Вони є невідновлювальними природними ресурсами і рано чи пізно закінчаться.

З використанням цих джерел енергії пов’язано чимало екологічних, соціальних і економічних, а часом, медичних і навіть політичних проблем.

 Через те, що ці  природні ресурси закінчуються, вони постійно дорожчають. Отже, треба серьйозно зайнятися енергозбереженням. 

 Енергозбереження – зменшення кількості енергії, що використовується, тоді коли досягнуті результати – ті ж самі. Воно зменшує зростання вартості енергії і скорочує необхідність в нових електростанціях та імпорті енергії. Одним з способів енергозбереження є підвищення ефективності теплоізоляційних матеріалів.               

Актуальність проблеми енергозбереження обумовлюється значною залежністю України від імпорту енергоносіїв, а також високою енергоємністю національної економіки, житлово-комунального сектора та установ бюджетної сфери. Рівень споживання енергії на опалення в Україні є у 5-8 разів вищим за середньоєвропейські норми, що частково зумовлено відсутністю теплоізоляції у старих будинках. Зараз багато зусиль спрямовано на покращення стану теплоізоляції і теплопостачання. Таким чином утворюються енергозберігаючі будинки.

Зробити будинок теплим допоможе високоякісна теплоізоляція. Застосування сучасних теплоізоляційних матеріалів в будівництві дозволяє значною мірою покращити тепловий захист житлових і промислових будівель, зробити їх більш енергозберігаючими і безпечними.   

 

Прилади та матеріали: прилад для вимірювання теплозберігаючих властивостей природних та штучних матеріалів; ємкості для нагріву «одягнуті» у «сорочки» з різноманітних теплоізолюючих матеріалів; контрольна ємкість, яка не має покриття, і використовується для порівняння; вода, термометр зі шкалою від нуля до 100˚С з як найменшою ціною поділки (1˚С), годинник.

Теоретичні відомості

Теплоізоляція – це метод ізоляції чи відділення одного теплопровідного тіла від іншого за допомогою матеріалу, який тепло не проводить, для зменшення чи перешкоджання передачі тепла.

Теплоізоляція, теплова ізоляція, термоізоляція, захист будинків, теплових промислових установок (або окремих їхніх вузлів), холодильних камер, трубопроводів і іншого від небажаного теплового обміну з навколишнім середовищем. Так, наприклад, у будівництві й теплоенергетиці теплоізоляція необхідна для зменшення теплових втрат у навколишнє середовище, у холодильній і криогенній техніці - для захисту апаратури від притоку тепла ззовні. Теплоізоляція забезпечується спеціальними огородженнями, які виконують з теплоізоляційних матеріалів (у вигляді оболонок, покриттів і т.п.) і ускладнюють теплопередачу; самі ці теплозахисні засоби також називаються теплоізоляцією.  (Мал.1)

При переважному конвективному теплообміні для теплоізоляція використовують огородження, що містять шари матеріалу, непроникного для повітря.

При променистому теплообміні - конструкції з матеріалів, що відбивають теплове випромінювання (наприклад, з фольги, металізованої лавсанової плівки); при теплопровідності (основний механізм переносу тепла) - матеріали з пористою структурою.

Ефективність теплоізоляції при переносі тепла теплопровідністю визначається термічним опором (R) ізолюючої конструкції. Для одношарової конструкції

де d - товщина шару ізолюючого матеріалу, l – його коефіцієнт теплопровідності.

Підвищення ефективності теплоізоляції досягається застосуванням високопористих матеріалів і за допомогою багатошарових конструкцій з повітряними прошарками.

Задача  теплоізоляції будинків - знизити втрати тепла в холодний період року й забезпечити відносну сталість температури в приміщеннях протягом доби при коливаннях температури зовнішнього.

Застосовуючи для теплоізоляція ефективні теплоізоляційні матеріали, можна істотно зменшити товщину й знизити масу конструкцій, що захищають, і в такий спосіб скоротити витрату основних будматеріалів (цегли, цементу, стали й ін.) і збільшити припустимі розміри збірних елементів.

У теплових промислових установках (промислових печах, казанах, автоклавах і т.п.) теплоізоляція забезпечує значну економію палива, сприяє збільшенню потужності теплових агрегатів і підвищенню їх ККД, інтенсифікації технологічних процесів, зниженню витрати основних матеріалів.

Економічну ефективність теплоізоляції в промисловості часто оцінюють коефіцієнтом збереження тепла

де Q₁ - втрати тепла установкою без теплоізоляція,  а Q₂ - c теплоізоляцією.

Вибір різноманітних типів ізоляції для конкретних застосувань визначається в основному здатністю матеріалу не руйнуватися в умовах тривалого впливу робочого діапазону температур.

Можливість ефективного застосування теплоізоляційного матеріалу визначається його фізико-технічними характеристиками і робочими параметрами, такими як густина, теплопровідність, стислість, водовідштовхуючи і водопоглинаючи властивості, вологість, паропроникність, негорючість, звукоізоляційні  характеристики.

Теплоізоляція може мати різні розміри й форми, які зумовлені конкретною сферою її застосування. По складу вона може бути тваринною, рослинною чи мінеральною, а також комбінацією з матеріалів цих типів. Теплоізоляційні матеріали, через характеристику їх застосувань, як правило, є легкими та крихкими. За виключенням деяких специфічних теплоізоляційних матеріалів, таких, як цегла, будівельні блоки та дошки, які мають достатньо високу механічну міцність, у більшості ізоляційних матеріалів міцність невелика.

По виду сировини теплоізоляційні матеріали поділяються на:

• Неорганічні – це ті, які виготовляються на основі різноманітних видів мінерального сировини: гірських порід, шлаків, скла, тобто мінеральна вата, вироби з неї (наприклад, мінераловатні плити – тверді і підвищеної твердості), легкі й пористі бетони (головним чином газобетон і пінобетон), піноскло, скляне волокно, вироби зі спученого перліту. Вироби з мінеральної вати одержують переробкою розплавів гірських порід або металургійних (головним чином доменних) шлаків у склоподібне волокно. Об'ємна маса виробів з мінеральної вати 75-350кг/м³.
• Органічні – це ті, сировиною  для виготовлення яких слугують природні чи синтетичні полімери, тобто їх одержують з переробки деревини й відходів деревопереробки, торфу й іншої органічної сировини. Ці теплоізоляційні  матеріали, як правило, відрізаються низькою водо- і біостійкістю. Зазначених недоліків позбавлені так звані газонаповнені пластмаси (пінопласти, поропласти, стільникопласти й ін.) – високоефективні органічні теплоізоляційні матеріали з об'ємною масою від 10 до 100 кг/м³. Характерна риса більшості органічних теплоізоляційних матеріалів – низька вогнестійкість, тому їх застосовують звичайно при температурах не більше 150ºС.
• Змішані – це ті, які є комбінацією органічних і неорганічних теплоізоляційних матеріалів, тобто їх одержують із суміші мінеральної в'язкої речовини й органічного наповнювача. Вони більш вогнестійкі, ніж органічні.        

По структурі теплоізоляційні матеріали можуть бути комірчасті і  пористі.

По формі розрізняють:

-              гнучкі форми ізоляції (полотно, мати)

-              ізоляція-заповнювач (укладається між поверхнею труби і захисною оболонкою)

-              жорстка ізоляція (у формі напівциліндрів, трубок або сегментів)

-              теплоізоляція зі спіненого поліетилену

-              теплоізоляція зі спіненого каучуку

-              мінеральна вата

Також існує спеціальна теплоізоляція, що застосовується для системи опалення.             

Вибір того чи іншого матеріалу здійснюється у відповідності до умов, за якими буде використовуватись матеріал, та його технічними характеристиками. Головна технічна характеристика матеріалів, за допомогою яких забезпечується теплоізоляція, це теплопровідність. Щоб була досягнута ціль якісної теплоізоляції, матеріал, який застосовується у цих цілях, повинен мати якомога меншу щільність, чим і забезпечується гарна теплоізоляція.

Опис  приладу

В роботі використовується прилад, ідея якого в дослідженні тепло-ізолюючих властивостей різноманітних матеріалів, полягає в тому, щоб забезпечити однакові умови  нагріву ідентичних ємкостей, які покриті різними теплоізоляційними матеріалами і подальшого вимірювання температури для порівняння їх властивостей.

 

Будова, принцип дії та спосіб виготовлення приладу.

1. Засіб нагрівання. Для нагрівання ємкостей найкраще використати лампу розжарювання з настінним вертикальним ламповим патроном. Відомо, що на освітлення така лампа витрачає приблизно 3% електроенергії, решту – на нагрівання. Крім того освітлення привабливе для демонстрації роботи приладу.
2. Ємкості для нагріву. У якості однакових ємкостей можна використати жерстяні банки від соку. Метал чудово нагрівається, легко чиститься наждачною шкуркою, фарбується.
3. Теплоємка рідина.  У якості рідини доцільно використати воду. Вода має високу теплоємкість (с=4200 Дж/кг˚С), доступна, безпечна у використанні, зручна для нагрівання та охолодження при проведенні експериментальних досліджень.
4. Прискорення нагріву. Для прискорення нагріву треба використати кожух з любого тепло ізолюючого матеріалу, який повинен легко зніматись для вимірювань, також повинен робити систему більш ізольованою.
5. Вимірювання температури. Доцільне використання термометра зі шкалою від нуля до 100˚С з як найменшою ціною поділки (1˚С).

Схема приладу представлена на малюнку (Мал. 2). Основою приладу є дерев’яний плоско-паралельний диск діаметром 240мм в центрі якого шурупами закріплено ламповий патрон (Фото 1, 2, 3, 4). Диск має три ніжки для стійкості та зручності підводки шнура до патрону через отвір у центрі. На рівній відстані від центру знаходяться шість однакових деревинних чашечок з бортиками. Стійки виготовлено зі старої лижної палки. Їх висота підібрана так, щоб спіраль лампи знаходилась трохи вище дна баночок. Чашечки мають бортики, їх внутрішній діаметр співпадає з діаметром дна баночок для точної фіксації.

Прилад виготовлено в шкільній майстерні. Основа приладу – диск, а також чашечки виточені на токарному верстаті з використанням планшайби і стандартного набору різців. Отвори для стояк виконані на свердлильному верстаті. Ковпак   виготовлено з поліізолу- теплоізолюючого матеріалу, який має фольговану поверхню і як правило використовується у приміщеннях, як теплоізолюючий матеріал між стіною та батареєю опалення.  Він має форму циліндра. Баночки відчищені наждачною  шкуркою від фарби та полакована, щоб запобігти корозії. Дві баночки пофарбовані чорною фарбою для досліджень.

Для нагрівання використовується лампа розжарювання, що живиться напругою 220В і має потужність 500Вт. У баночки налито однакова кількість води. Баночки «одягнуті» у «сорочки» з різноманітних тепло-ізолюючих матеріалів. Одна баночка контрольна, тобто не має покриття, і використовується для порівняння. При нагрівання використовується ковпак, якай знімається при вимірюваннях.

 

Виконання роботи

1. Учні спочатку читають опис до лабораторної роботи (теоретична підготовка повинна проводитися заздалегідь, так як час, що відводиться на роботу обмежений і в основному йде на монтаж установки, вимірювання и обробки результатів вимірювань).
2. Учні знайомляться з приладом і матеріалами (зразками теплоїзоляції ), які необхідні для проведення роботи. Підбирають різні зразки теплоізолюючих  матеріалів.
3. Приступають до складання приладу у відповідності до опису в інструкції.
4. Проводяться спостереження й зняття показань.
5. Всі результати вимірів записуються в таблиці, які наводяться в інструкції до роботи.
6. При обробці результатів користуються графічним методом, щоб простежити залежність однієї фізичної величини від іншої. Для наочності цю залежність зображують графічно.

 

ІНСТРУКЦІЯ

І. Вимірювання температури води в металевих посудинах з різним типом теплоізолюючого матеріалу в процесі їх нагрівання.

1. Підбирати різні зразки теплоізолюючих  матеріалів.
2. Налаштувати  прилад за описаною схемою.
3. У ємкості налити однаковий об’єм води однакової температури.
4. Виміряти  початкову температуру води  і записати в таблицю 1.
5. На прилад одягнути захисний ковпак і включити  лампу для нагріву.
6. Через 20, 40, 60, 80, 100  хв знову виміряти температуру води  в ємкостях і дані записати у таблицю 1.
7. За результатами досліду побудувати графік залежності температури рідини від часу нагріву для різних теплоізолюючих матеріалів.
8. Зробити висновки.

 

ІІ. Дослідження процесу охолодження тих самих обєктів.

1. Виключити лампу.
2. Виміряти температуру рідини в ємкостях через 20, 40, 60, 80, 100  хв  і дані записати у таблицю 2.
3. За результатами досліду побудувати  графік залежності температури рідини від часу охолодження  для різних теплоізолюючих матеріалів.
4. Зробити висновки.

 

 

Таблиця 1

Час   Матеріал	Т е м п е р а т у р а
	τ=0 хв.	τ=20 хв.	τ=40 хв.	τ=60 хв.	τ=80 хв.	τ=100 хв.
скляна поверхня з шаром повітря	16	21	25	30	35	39
хутро	16	26	33	40	47	55
металізована лавсанова плівка	16	20	23	26	33	37
гума	16	32	38	47	58	67
лінолеум	16	27	34	43	51	58
поролон	16	24	28	32	38	45
пінопласт	16	22	26	32	37	41
мінеральна вата	16	25	32	38	45	55
фетр	16	25	31	41	49	58

Таблиця 2

	Т е м п е р а т у р а
	τ=0 хв.	τ=20 хв.	τ=40 хв.	τ=60 хв.	τ=80 хв.	τ=100 хв.
скляна поверхня з шаром повітря	85	80	78	77	76	76
хутро	85	77	71	69	68	67
металізована лавсанова плівка	85	81	78	76	76	75
гума	85	76	68	62	60	58
лінолеум	85	78	73	70	69	66
поролон	85	78	74	71	69	68
пінопласт	85	79	75	70	68	67
мінеральна вата	85	75	70	70	69	69
фетр	85	76	73	72	71	71

Експериментальна задача

Порівняти швидкість зміни температури ємкостей  з різними тепло- ізоляторами з  чорною і блискучою поверхнею без ізоляції.

Контрольні запитання

1. Які види теплопередачі ви знаєте?
2. Для чого використовується теплоізоляція?
3. Що називається питомою теплоємністю?
4. Як виміряти об’єм води налитої в ємності приладу?
5. Як  у цій роботі зменшуються витрати тепла внаслідок випромінювання?
6. Яким чином можна прискорити процес нагрівання ємкостей з водою?
7. Чому для дослідження взяли воду, а не іншу рідину?
8. Які з величин, що вимірюються мають більший вплив на результат і тому повинні точно вимірюватись?
9. Чому графіки, що побудовані при нагріванні рідини не симетричні графікам, які побудовані при її охолодженні?
10. Чи необхідно в процесі вимірювань перемішувати рідину? Чому?

 

Висновки

Було наочно  продемонстровано ефективність теплоізоляції і доведено, що існує багато матеріалів, які можна ефективно використовувати для теплоізоляції і енергозбереження, а також показано, що теплоізоляційні властивості різних матеріалів різні. За даними вищенаведених таблиць бачимо, що металізована лавсанова плівка має кращі  показники, а значить, знаходить найдоцільніше застосування в господарстві.

В дослідженні було визначено можливості та роботу приладу для вимірювання теплопровідності різних матеріалів.

Переваги приладу:

• його наочність (при демонстрації дуже добре видно, які матеріали використовуються, як змінюється температура);
• його доцільність (наглядно продемонструвати ефективність теплоізоляції);
• можливість зміни об’єктів спостереження, видів теплоізоляції;
• можливість порівняння ефективності теплоізоляції з тілами чорного кольору і блискучими;
• простота виготовлення приладу (використовуються відходи деревини, проста вода, термометри і прилад можна виготовити в будь-якій шкільній майстерні).
• прилад можна застосовувати на лекціях для підтвердження теоретичних відомостей і на практичних заняттях для порівняння різних видів теплоізоляційних матеріалів.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мал. 1

Мал. 2

Фото 1

Фото 2

Фото 3

Фото 4