热身!

类型

物理科学

年级

8年级

困难

中期硬

成本

大约40美元

安全问题

• 会有电力使用成人将在场监督
• 加热会很热所以钳将用于测试材料的锅放在炉子上,戴着耐热手套和衣服。一个成年人将监督和协助。
• 测试材料将非常热即使在初始加热所以耐热手套和衣服会穿而采取读数。一个成年人将监督和协助。
• 液体测试材料将煮,可能溅射护目镜,耐热手套和耐热衣服会穿而相互作用测试材料。一个成年人将监督和协助。
• 易燃物体可能点燃如果热材料放在或所有易燃对象将被删除从附近的实验。感烟探测器已经检查和操作。一个成年人将监督和协助。

客观的

这个实验的目的是确定是否存在相关热容和热之间保留和识别材料的最高品质如果是用作温暖。

材料

对于这个实验,一个需要以下材料,杂货店和百货商店。沙子和石头时,建议去一个公园或海滩上找到他们。所有的材料都是现成的。

• 200克的水
• 200克的蔬菜/食用油
• 50克的盐
• 50克沙
• 50克小苏打
• 50克的小砾石
• 一块石头重约50克
• 2汤匙的黑色墨水或食用色素
• 7松饼罐-电动范围
• 红外测温仪
• 防护眼镜
• 耐热手套和衣服
• 厨房秤测量少量的能力
• 1计时器
• 1秒表
• 永久性标记
• 18个标签
• 1热板站
• 钳

介绍

我的灵感来源于这个实验我在俄罗斯一个冬天。我greatgrandmother住在一个小村庄,那里没有暖气。她一夜之间不能使用壁炉,因为如果她打开烟囱百叶窗,所有的热量会通过顶部逃脱。她不能关闭快门,因为那可能会窒息的烟雾会呆在房子里面的热量。我建议加热一块巨石像我看见在桑拿。那时我开始怀疑corellation之间热容(的时间/热对象)所需要的能量和热量滞留的时间(一个对象保持热移除热源之后)。我也开始怀疑这材料在一夜之间将是最好的使用作为一个温暖我的曾祖母。

为背景研究术语和概念

热在分子水平上是无序的传输能量。热量是由原子和分子的运动出现在所有matter.The焦耳用符号写成J表示,用于测量的力学等效热。开尔文是计量单位的热力学温标(绝对)。从绝对零度开始,规模的理论最低温度问题可以在那里将是一个完全没有热量约-273°C。热容可以被描述为所需的热能提高温度的一个单位一个单位的一种物质的温度。热量保留是多长时间的测量一个物体被加热后,保持温暖。它可以表示为一个对象的时间冷却到一定程度。

研究问题

• 热容和热保留有关系吗?它是什么?
• 材料的热容最高?
• 材料最好的热量保留品质?
• 这材料是最实用的使用作为一个温暖吗?

实验的程序

准备

1. 测量和记录的平均温度和红外在房间里!温度计。可以通过几个墙壁的温度,发现平均水平
2. 每个测试材料的测量出50克
   1. 重松饼罐的材料
   2. 减去的重量松饼锡和添加或删除材料总重量
3. 把墨水倒/食用色素,一汤匙,在白色的材料:盐和小苏打。试图让一个甚至扩散到中心。墨水将使一个更精确的测量和红外测温仪与测量金属表面白色或麻烦。
4. 标签每个锡杯,秒表和定时器为每个测试材料相应的字母
   1. “A”的水
   2. 小苏打的“B”
   3. “C”的蔬菜/食用油
   4. “D”的沙子
   5. “E”的小砾石
   6. “F”的盐
   7. “G”的石头
5. 一定要穿上防护服、手套和护目镜之前实验。

第1部分:确定比热容

1. 比热容可以表示为:

C = Q *时间/物质的量/ΔT !

(称为公式1)C是热容,Q是热能!转移到项目,和ΔT Tf - Ti, Tf是最后的温度和Ti是初始温度。

2. DetermineQ: Q是热能转移到物品的数量。它是!表达焦耳(焦耳=瓦特/秒)。因为水的比热容是已知的(4.18焦耳/克),问可以确定通过50克的水的温度,加热10秒,记录温度后,发现温差(ΔT),和所有这些部分插入公式1已知的热容的水。方程应该看起来像:4.18 = Q * 10 s / 50克/ΔT问方程计算结果将被用于计算的所有其他材料的热容问的影响范围,而不是正在加热的材料类型。
3. 确定时间、物质的量和ΔT:为此,参加考试项目,,重50克,物质的量是50。记录其温度。然后,加热10秒钟的松饼锡和立即记录其温度。时间是10秒。最后,ΔT Tf - Ti,或者最后和开始的温度之间的差别。
4. 计算热容:现在把第2步和第3步中的部分!公式1。它应该像:C =问(第3步)* 10(时间、步骤3)/ 50克,步骤3)/ΔT (Tf - Ti,步骤3)
5. 重复步骤3和4的其他材料。问的条件,时间和物质的量是常数为每个项目。

第2部分:确定热量保持品质

1. 50克的材料添加到每一个松饼锡(准备:步骤2)
2. 把电动范围最大
3. 锡烛台”一个“范围使用钳和启动秒表
4. 采取与红外(IR)温度计读数每30秒,直到测试材料达到70°摄氏度的温度
5. 立即停止秒表和松饼罐使用钳的范围。把它放在热板
6. 重置秒表,然后启动它
7. 阅读后30秒:
   1. 三用红外温度计读数并记录
   2. 发现平均
   3. 记录任何的观察与测试材料
8. 重复步骤7 5分钟
9. 现在阅读每一分钟直到秒表打10分钟(参见步骤7 a和7 b找出)
10. 把最后一个阅读15分钟(参见步骤7 a和7 b找出)
11. 记录任何的观察与测试材料
12. 重复步骤3 - 9的材料标记为“B”,“C”,“D”,“E”、“F”和“G”
13. 记录任何其他观察!

结果

在实验观察

在整个实验过程中,观察几个有趣的现象:

• 最初,实验范围不包括计算的效率。然而,在实验过程中,数字不匹配(针对已知的水热容检查)所以这是决定计算效率。惊人,只有97.99瓦的范围的1500瓦走向加热样品。这可以解释为,松饼锡覆盖只有一小部分的燃烧器和释放出的热量范围稀释到周遭的空气中。
• 温度计显示的温度。这是决定!多阅读每一次,消除异常值,然后计算算术平均数。
• 当温度测量第一次的材料,然后听他们的,截然不同的阅读材料。在进一步的研究,这是由于金属表面红外温度计无法阅读。
• 墨水,用来增加红外温度计的准确性!白色物质,使凝结和固化就加热,形成一种粘结在小苏打和盐。高温固化是一种已知的墨水的性质。
• 罐头开始动摇加热后,需要与钳。这是最有可能造成的三件事:罐头不均匀的底部,与气温升高分子运动增加,液体沸腾时稍微有接近沸点。
• 一些材料”(石、小碎石、沙子和盐)的温度甚至在他们远离热源,首先这是归因于温度计的失败但它出现在好几个场合,即使电池温度计的改变。

数值数据

实验有四个主要部分:确定热容,确定热!保留的品质,看到第一个影响第二个(讨论!结论),最后看使用特定材料的实用性是温暖的。

热容

实验的第一部分是确定测试样品的比热容。这些能力表达数据表和图如下所示:

从这个图表,我们可以看到,小苏打的热容最高6.46焦耳每克,石头的紧随其后在6.33焦耳每克。盐热容最低2.64焦耳每克和小砾石第二3.47焦耳每克。因此,需要最少的能源最的能量来加热热盐和小苏打。

热量保持品质

实验的第二部分是看到激烈的对象保留它的温暖。下面的图显示了测试材料的温度变化的时间15分钟。

图显示的最后15分钟的实验中,石头仍然是最热的在315.15 k温度盐最冷时在303.15 k。其他物品的温度(最高到最低订购):沙- 312.8 k,油- 311.3 k,小砾石307.8 - 308.4 k水,和小苏打- 307.8 k。盐、石头、沙子和小砾石继续加热,即使他们远离热源。油和水跟着他们的趋势线最当小砾石最突然的热损失。

这个图,然而,不给我们一个完整的测量热量的保留,因为它反映了一个不恰当的定义热保留。

定义热保留:

如何衡量热量的问题在整个实验过程中保持上涨几次。因为没有正式的单位或公式用于定义保留热量,有必要创建案例——热保留的具体定义。

# 1)温度下降的一个方法来衡量热量保留被认为是初始温度和最终温度之间的差异。这将给一个数字表示法在实验材料失去了多少热量。这种类型的测量就好了如果一个人只关心最后的结果比如如果一个人做饭,需要的食物是一定温度后15分钟。然而,如果一个是使用材料作为热,人会关心在实验温度,而不是之后。由于这个原因,这个测量不能用来测量热量保留。

# 2)温度的算术平均值第二测量热量保留合理的方法是采取所有的温度测量的算术平均值。这种方式比其他两个,因为它会反映温度的上升或下降。然而,这样的错误是,它不会显示一组温度之间的差别,例如,这可能是10,8日和0(最后一滴)和6,6和6(持续低温)。出于这个原因,意思是不能用来计算热保留对这个实验的目的。

# 3)温度函数的积分最后的方法来测量热量保留在这个实验中使用的一个选择是,将每个材料的函数积分。简单地说,一个积分函数的线之间的区域,x -轴。一般来说,函数的积分计算涉及复杂的计算,但是在这个实验中,只需要找到每一个梯形的面积形成的部分材料的a点和B点之间的函数,在x轴上的距离,两个垂线的长度从点a和B轴。人会然后添加所有的梯形区域找到整个函数的积分。这个测量是最准确的,因为它不仅考虑温度对所有点的每个函数也显示了整个实验的温度变化

给一个更准确的衡量每个材料的热量保持品质,每个材料的图形计算的积分。这些结果反映在图如下。

从这个图表,我们可以看到沙滩上有最好的热量保留(尽管其最终温度只有第二高)。然而,这将是最好的使用作为一个温暖,是因为它有一个更高的温度在整个实验过程中,尽管气温下降。

连接这些点

虽然前面的图表允许比较热容和保持品质的材料,他们从来没有显示这两个在一起。下一页上的图是一个散点图,轴反映热量保留在k *秒,y轴反映了焦耳每克的热容。

看看这张图支持更高的热容的假设意味着更好的保留热量,反之亦然,你可以看看左边的点最远的;还应该在图上最低。一般来说,一个点应该按比例在x轴和y轴。例如,如果一个点在轴,它应该是在x轴上,等等。

做完这张支票,它变得明显,大多数的材料支持假说(5 7)唯一的例外是小苏打和小碎石,但它可以预测,在大规模试验中,大约70%的材料测试将支持这一实验的假设。

实用性而有些项目可能保留热量很长一段时间,一个好温暖的需要实践,能够快速有效地加热。下面的图显示了测试材料的加热率。

结论

假设

最初的实验问题是是否热容高意味着好的保留热量,因此使一个特定的材料适合作为身体的温暖。我的假设是,更高的热容将意味着更好的保留热量和一块石头会有最高的热容。这个实验的结果支持了假设以多种方式。大多数材料的结果表明,更高的热容意味着更好的热量保留。即使石头没有最高的热容,它热容测试中名列第二,第三最高热量保留。小苏打,最高的热容,结果热保留最低的国家之一。然而,推断,这仍然没有对抗的假设,因为小苏打结果可能是不正确的:小苏打是白色和白色物质更有潜力与红外温度计误差。不稳定的时间表小苏打的保留结果支持这个解释。总的来说,尽管数据从这个实验中普遍地支持这个假设,更多的材料需要测试有决定性的结果。

结果

热容

大部分的热容的部分实验结果。大多数实验演示中使用的固体热容比液体高,预计这将显示是否进行进一步测试。然而,实验也给了一些意想不到的结果。小苏打,热容甚至超过最高的石头。这是最有可能的,因为它是挤在锡,使它几乎像石头。此外,盐热容时,最低是固体,它预计将有一个更高的热容。正如上面提到的,然而,这些材料都是白色,可能影响他们的结果。墨水是用来变黑的材料,使结果更加准确,但即使潜在的错误是高于其他材料。

热量保留

正如预期的那样,绝对有一个连接材料的热容和热之间保持品质。基于小样本的使用在这个实验中,我们可以得出结论,一个更高的热容意味着更好的热量保留。还有其他一些有趣的结果在实验中。首先,他们非常接近时,液体温度更高的平均下降了30秒。另一个有趣的事实是,盐,石头,小砾石和沙都继续越来越热,即使他们远离热源,如热量保留温度图。相同的图还显示这些条目接着通常陡温度下降比那些温度不会增加post-heating。一个有趣的事实是,沙子和小碎石都有温度下降后十分钟,比其他材料要激烈的多。

实用性和使用作为一个温暖

真实的一面这个实验是利用自然的可能性测试材料的长手套,而不是商业、化工产品。调查使用的实用性,创建一个图(见结果)显示材料的加热速度。这是很重要的,因为大多数商业温暖瞬间或需要加热几分钟。图表表明,大多数项目的热容和热保留品质最初热的时间较长。当所有的样品达到70°C的目标温度或在2分钟内343.15 k, 45秒,每个样品只有50克,甚至不足以完全填满一个松饼锡。而更大数量的材料将有更好的热保持品质,它必须加热时间的时间和体积大,特别是在石头,让它不切实际的温暖。如果用户规模无关,然而,大量的材料可以用于一个温暖的,如果它不会动如一夜之间使用。总体,样本有理论可能被用作温暖,没有一个是小的或实际足以让他们比较商业的长手套。

解释结果

密度对热容的结果提供了一个解释。下表显示了测试材料的密度。盐可以被排除在外,因为潜在的错误与红外测温仪。然后,除了小砾石和水,材料表明,密度越大,意味着一个更高的热容。热量滞留砾石的品质可以解释为松散的岩石缝隙的方式,允许在气流和冷却而不是顶部与其他液体。另一个可能的科学解释材料的热容是其分子排列。热容是多少能量的测量需要提高温度1 k的物质和热量是由振动引起的原子和分子的物质。因此,热容可以表示为使这些分子和原子所需要的能量和振动速度移动。固体,分子排列通常是严格的,有更多的债券之间的分子。正因为如此,它可以推断,这将是更难固体分子的移动,这意味着需要更多的能量来提高它的温度(热容高)。 In liquids, where the molecular arrangement is more loose and random, there are less bonds between the molecules, meaning it would take less energy to move them, hence a lower heat capacity.

进一步的研究

改进

有几个事情可能已经完成改善实验。一个限制是测试的样品数量;更多的样品会允许更确凿的结论。实验误差的一个潜在来源是红外测温仪。电池耗尽,取代了在实验中,这可能影响结果。更贵的温度计会最有可能提供更精确的读数。如果重复这个实验,将采取更多的措施来克服白颜色的问题。另一个更昂贵的设备,可以使用热量计,这可能给了更精确的结果。

后续的问题

这个实验的数据引发了许多新的研究问题,会导致后续实验。其中一个是看看或密度如何影响热容。在实验中,密集的项目如石头和泡打粉有更高的热容比密度较低的项目,如松散的碎石或水。出现的另一个问题涉及到为什么有些项目的继续加热后从热源中删除。这是特别有趣,因为它只发生在一些测试样品。

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