III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ РАЗНЫХ ТЕЛ
Шимко Е.В.
Автор работы награжден дипломом победителя второй степени
Диплом школьника      Диплом руководителя
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение.

Сегодня очень остро стоит вопрос рационального использования тепловых и энергетических ресурсов. Непрерывно прорабатываются пути экономии тепла и энергии с целью обеспечения энергетической безопасности развития экономики, как страны, так и каждой отдельной семьи.

Дом теряет тепло через ограждающие конструкции (стены, окна, крыша, фундамент), вентиляцию и канализацию. Основные потери тепла идут через ограждающие конструкции — 60–90% от всех теплопотерь.

Расчет теплопотерь дома нужен, как минимум, чтобы правильно подобрать котёл. Также можно прикинуть, сколько денег будет уходить на отопление в планируемом доме. Также можно благодаря расчётам провести анализ финансовой эффективности утепления, т.е. понять окупятся ли затраты на монтаж утепления экономией топлива за срок службы утеплителя.

Понятие теплопроводности материалов изучается в школе в 8 классе. Теплопроводность — это процесс переноса энергии от теплой части материала к холодной частицами этого материала (т.е. молекулами).

Мы решили исследовать теплопроводность различных веществ и материалов, а также определить какие современные утеплители являются наиболее эффективными.

Таким образом, мы определили тему нашей работы.

Тема: Исследование теплопроводности различных веществ.

Цель исследования:

Определить коэффициент температуропроводности разных веществ, и выявить из современных строительных утеплителей лучшие изоляторы тепла.

Методы исследования:

  •  
    1. Теоретические (изучение литературы, Интернет сайтов, Указов президента РФ и т.д.).

    2. Эмпирические ( измерение температуры, времени).

    3. Математические (вычисление коэффициента, определение цен утеплителей)

Объект исследования: Различные вещества и строительные теплоизолирующие материалы.

Предмет исследования: Теплопроводность веществ.

Гипотеза:

  • Если температура вещества за определённый промежуток времени меняется незначительно, то данное вещество обладает плохой теплопроводностью, т.е. хорошо удерживает тепло.

  • Эффективные изоляторы тепла имеют низкий коэффициент температуропроводности.

2.Основная часть.

В современных условиях повышения цен на топливо изменились и подходы к тепловой защите зданий, возросли требования к строительным материалам. Любой дом нуждается в утеплении и системе отопления. Поэтому при теплотехническом расчёте ограждающих конструкций важен расчёт показателя теплопроводности.

Теплопроводность – это такое физическое свойство материала, при которой тепловая энергия внутри тела переходит от самой горячей его части к более холодной. Значение показателя теплопроводности показывает степень потери тепла жилыми помещениями.

Коэффициент теплопроводности - является физическим параметром вещества и в общем случае зависит от температуры, давления и рода вещества. В большинстве случаев коэффициент теплопроводности для различных материалов определяется экспериментально с помощью различных методов. Большинство из них основано на измерении теплового потока и изменения температур в исследуемом веществе.

В школьных условиях сложно определить энергию, проходящую через поверхность. Поэтому в своей работе мы решили определить не энергию, а изменение температуры за единицу времени. Этот коэффициент называется коэффициентом температуропроводности .

Коэффициент температуропроводности ( а) - служит мерой скорости, с которой пористая среда передает изменение температуры с одной точки в другую за единицу времени.

Для определения коэффициента мы собрали простую установку, штатив, держатель и термометр, держатель для образцов, лампа накаливания на 100 Вт, как источник нагрева.

2.1. Исследование теплопроводности газов.

Цель: Определение коэффициента температуропроводности газов.

Как известно, газы - плохие проводники тепла. Из-за большого расстояния между молекулами, энергия долго переходит от молекулы к молекуле, т.е время изменения температуры будет большим.

Условия эксперимента: мы взяли пробирку, снизу нагревали воздух в пробирке лампой накаливания, а термометром измерили температуру в пробирке. Начальная t термометра 20°C.

Температура около лампы 65°C.

Вещество

t- время

Изменение температуры

t

Коэффициент

температуро

проводности

°C/ мин.

Воздух

5 мин

3 °C

0,6

 

10 мин

10°C

1

Среднее значение

0,8

Вывод: Воздух плохо проводит тепло, это доказывает вычисленный коэффициент температуропроводности = 0,8 °C/ мин.

Если мы оставляем небольшие промежутки воздуха между отделочными материалами стен, пола и т.д., то мы уменьшаем потери энергии.

2.2.Исследование теплопроводности жидкости.

Цель: Исследование теплопроводности различных жидкостей и определение их коэффициента температуропроводности.

Условия эксперимента: мы наливали воду, подсолнечное масло и спирт в пробирку, снизу нагревали лампой накаливания, а термометром измерили температуру в пробирке.

Внешние факторы, влияющие на данные эксперимента: температура окружающей среды.

Начальная t термометра 16°C, t около лампы 65°C.

Жидкости

t-температура

Изменение

температуры

t- время

коэффициент температуро

проводности

°C/ мин.

Вода

30 °C

40 °C

14

24

5 мин

10 мин

2,8

2,4

Среднее 2,6

Спирт

36°C

50°C

20

34

5 мин

10 мин

4

3,4

Среднее 3,7

Масло

44°C

62°C

28

46

5 мин

10 мин

5,6

4,6

Среднее 5,1

Вывод: Вода обладает самой большой теплоёмкостью из данных жидкостей, т.е. затрачивает большую энергию при нагревании. Это объясняет результаты опыта: вода нагревается медленнее масла и спирта, поэтому её средний коэффициент температуропроводности наименьший и равен 2,6°C/ мин , у масла 3,7°C/ мин, у спирта 5,1°C/ мин.

Самым хорошим проводником тепла является спирт, имеющий наибольший коэффициент температуропроводности.

Вода является самым хорошим изолятором тепла.

  1.  
    1. Исследование теплопроводности твёрдых тел.

Воздух и вода плохо пропускают тепло, т.е. это хорошая теплозащита. Мы знаем примеры: озимые хлеба под снегом, шуба, многокамерные стеклопакеты окон и т.д. Но для теплоизоляции дома, квартиры используют твёрдые тела.

Именно твёрдые вещества – утеплители помогают сохранить тепло в доме.

2.3.1. Определение коэффициента температуропроводности различных видов стекла и других материалов.

Мы исследовали теплопроводность материалов, которые наиболее часто используются в строительстве.

Название

Изменение температуры

t

Коэффициент

температуро-

проводности

E=∆ t/ t (°C /мин)

 

5 мин

10 мин

 

Среднее значение

Простое стекло

9

10

1,5

1

1,25

Оргстекло

13

17

2,6

1,7

2,15

Оргстекло (зелёное)

9

13

1,5

1,3

1,4

Оцинкованное железо

5

10

1

1

1

Гипсокартон

8

12

1,6

1,2

1,4

Ламинат

7

10

1,4

1

1,2

Вывод: Самым низким коэффициентом температуропроводности из трёх видов стекла обладает, по нашим данным, простое стекло. Именно простое стекло используют в стеклопакетах для окон с целью теплоизоляции.

Популярные строительные материалы для отделки стен и пола – гипсокартон и ламинат имеют низкий коэффициент температуропроводности 1,4 °C/ мин и 1,2 °C/ мин, поэтому они неслучайно являются лидерами по теплоизоляции из всех исследуемых твёрдых материалов.

Оцинкованное железо , имеет коэффициентом температуропроводности = 1,0 , это говорит о том, что при покрытии крыш этим материалом мы значительно можем уменьшить потери тепла из дома.

2.3.2.Определение коэффициента температуропроводности различных строительных материалов.

Для выполнения этого исследования, мы отправились в магазин стройматериалов «Алекс-строй». Нам любезно предоставили образцы современных теплоизоляционных материалов: минеральная вата, стекловата, джутовое волокно, изолон, пеноплекс и джермафлекс.

Мы решили определить лучший изолятор тепла, соединяя эти образцы с гипсокартоном, который используют для выравнивания стен помещений. Соединяя гипсокартон с утеплителем можно получить эффективную теплозащиту своего дома.

Начальная t термометра=16°C, t около лампы =65°C.

Название

Изменение температуры

t

Коэффициент

температуро-

проводности

E=∆ t/ t (°C /мин)

 

5 мин

10 мин

 

Среднее значение

Гипсокартон

8 °C

12°C

1,6

1,2

1,4

Гипсокартон + минеральная вата

6 °C

8°C

1,2

0,8

1

Гипсокартон +стекловата

7 °C

8

1,4

0,8

1,1

Гипсокартон +джутовое полотно

8 °C

10 °C

1,6

1

1,3

Гипсокартон + пеноплекс

7 °C

8 °C

1,4

0,8

1,1

Гипсокартон + изолон

7 °C

9 °C

1,4

0,9

1,15

Гипсокартон + джермафлекс

7 °C

10 °C

1,4

1

1,2

Вывод: Из данных таблицы видно, что строительные утеплители существенно уменьшают коэффициент температуропроводности. Самый малый коэффициент температуропроводности 1,0 °C/ мин имеет сочетание гипсокартона с минеральной ватой или пеноплексом 1,1°C/ мин. Таким образом, самая эффективная теплозащита стен помещений будет изоляция с помощью мин.ваты или пеноплекса.

2.3.3.Определение наиболее выгодного теплоизолятора по цене за 1 кв.м.

Теплоизолятор

Цена за 1 кв.м.

Приемлемость цены

Мин.вата

   

Стекловата

   

Джутовое волокно

   

Пеноплекс

   

Изолон

   

Джермафлекс

   

Вывод: Наиболее выгодным по цене является теплоизолятор - …., но с учётом эффективности теплоизоляции лучше выбирать …

:

3.Заключение.

Теплопроводность различных веществ – эта тема, которую мы изучаем в 8 классе, имеет важное практическое применение.

При огромных ценах на отопление каждый человек начинает задумываться о том, как сохранить тепло в доме.

Чтобы оценить уровень теплоизоляции материалов мы ввели новую величину - коэффициент температуропроводности, который вычисляли, измеряя время и температуру, секундомером и термометром.

Вычислив, коэффициент температуропроводности мы определили, что самые хорошие изоляторы тепла – это воздух и вода. Но для утепления домов используют твёрдые материалы. Современное производство предлагает многообразие утеплителей. Мы выбрали только частовстречающиеся теплоизоляторы в магазине стройматериалов «Алекс-строй». Из них мы определили , что самым лучшим изолятором тепла является гипсокартон и ламинат, и ещё лучше в сочетании с минеральной ватой, изолоном или пеноплексом.

Наша гипотеза о том, что лучшие теплоизоляторы имеют низкий коэффициент температуропроводности, подтвердилась.

Таким образом, актуальность темы сохранения тепла в доме привела нас к важным выводам, которые мы можем использовать в жизни . Мы убедились, что затраты на утеплители к строительным материалам окупаются в короткое время теплом и уютом в наших домах.

4.Список литературы.

  1. https://ru.wikipedia.org/wiki/

  2. www.rg.ru/2010/12/31/deti-inform-dok.htm

  3. https://ru.wikipedia.org/wiki