ДОНЕЦКАЯ НАРОДНАЯ РЕСПУБЛИКА

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

УРЕЖДЕНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Донецкая Республика Малая Академия Наук учащейся молодежи»

Отделение: технические науки

Секция: материаловедение и технологии

производства материалов

ИССЛЕДОВАНИЕ ВРЕМЕНИ ОСТЫВАНИЯ ЧАШКИ ГОРЯЧИХ НАПИТКОВ

Работу выполнила:

Касаткина Арина Андреевна

ученица 10-А ГБОУ «Школа №147

г.о. Донецк»

Научный руководитель:

Палеева Валентина Николаевна

учитель физики ГБОУ «Школа №147

г.о. Донецк»

специалист высшей категории

Донецк – 2024

Тезисы

Научно-исследовательская работа по теме «Исследование времени остывания чашки горячих напитков»

Автор: Касаткина Арина Андреевна, научное объединение «Юный исследователь»,

ГБОУ «Школа №147 г.о. Донецк»

Научный руководитель: Палеева Валентина Николаевна, учитель физики

ГБОУ «Школа №147 г.о. Донецк» специалист высшей категории

В работе рассмотрен механизм возникновения поверхностного натяжения жидкости. Проведено исследование зависимости времени остывания напитка от плотности, коэффициента поверхностного натяжения жидкости и от рода материала сосуда. Собранные данные в таблицы, обработаны и проанализированы. Сделаны выводы о том, что в большей степени влияет на время остывания горячих напитков.

Объектом исследования являются горячие напитки.

Предмет исследования: напитки с разным составом, разлитые в сосуды из разного материала, и время их охлаждения.

Актуальность темы: Горячие напитки занимают значительную долю в рационе человека, утоляют жажду и восполняют потери воды в организме, обладают тонким приятным ароматом и полезные.

Цель работы: определить время остывания чашки горячих напитков в зависимости от плотности, поверхностного натяжения жидкости и от рода материала сосуда.

Задачи работы: определить плотность, поверхностное натяжение и время остывания взятых для исследования напитков; сделать выводы о том, что в большей степени влияет на время остывания горячих напитков.

Методы исследования: анализ теоретической литературы, эксперимент, наблюдение, сравнение, обобщение.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………..…......................4

РАЗДЕЛ 1.Краткая характеристика параметров исследования………...... 7

1.1.Температура……………………………………………………………..7

1.2.Теплообмен………………………………………………………………9

1.3.Плотность…………………………………………………………….....10

1.4.Ареометр…………………………………………….............................11

РАЗДЕЛ 2.Физические основы поверхностного натяжения жидкости...12

2.1. Коэффициент поверхностного натяжения……………………….….12

2.2.Методы измерения коэффициента поверхностного натяжения…...15

РАЗДЕЛ 3.Исследование времени остывания напитков………………...18

3.1. Определение плотности напитков……………………………….…...18

3.2. Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости……………………………………………………………………...19

3.3 Исследование зависимости времени остывания напитка от материала сосуда, от плотности жидкости и коэффициента поверхностного натяжения…...20

ВЫВОДЫ……………………….…………………………………….…….21

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………........22

ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………….....23

ВВЕДЕНИЕ

Проблема пищи всегда была одной из самых важных проблем, стоящих перед человеческим обществом. Все, кроме кислорода, человек получает для своей жизнедеятельности из пищи. Среднее потребление ее в сутки составляет около 800 г (без воды) и около 2000 г воды. Решение стоящих перед обществом задач требует физически здорового поколения. От того насколько правильно организовано питание учащихся, во многом зависит их здоровье и эффективность учебной деятельности.

Очень горячая и слишком холодная пища не имеют вкуса. То есть, человек не может чувствовать вкус очень горячей и чрезмерно холодной пищи. Пища должна быть тёплой, немного выше температуры тела - 40-45°С. Тёплая пища улучшает аппетит и способствует хорошему пищеварению. Горячие блюда в течение некоторого времени остужайте, а холодные десерты и закуски заранее вынимайте из холодильника, чтобы они успели подогреться.

Слишком горячая пища или напитки раздражают слизистую оболочку полости рта, пищевода и желудка. То же относится и к сильно холодной пище и напиткам. Они также раздражают слизистую оболочку, вызывая переохлаждение тканей. Употребляя слишком часто холодную пищу, организм ослабляется, так как он растрачивает энергию на согревание пищи. Холод ухудшает кровообращение в тканях и органах, а значит холодная еда, попав в пищеварительную систему, снижает функциональность органов пищеварения. Другими словами, гасится огонь пищеварения.

Отдельно стоит сказать о влиянии слишком горячей и слишком холодной пищи на состояние зубов. Такая температура вызывает образование множественных микротрещин в эмали. А это приводит к развитию кариеса. Особенно вредно одновременно употреблять горячие и холодные блюда, например горячий чай и холодное мороженое. В результате такого питания, разрушается эмаль.

Для нашего здоровья не безразлично, будем ли мы принимать напитки горячими, теплыми или холодными. Мы все знаем, что даже вкус напитков в немалой степени зависит от той температуры, при которой мы их принимаем. Врачи утверждают, что долгое употребление исключительно или почти исключительно холодных напитков неблагоприятно сказывается на здоровье. Человек, приверженный к употреблению холодной пищи и питья, становится менее выносливым, его трудоспособность понижается. Негативно действуют на организм горячая пища и горячие напитки. Это приводит к гастриту, острому воспалению желудка, нередко к хроническому катару. Установлено, что горячая пища и питье повышают температуру тела, а холодные — понижают. Слишком горячие напитки способны увеличивать риск заболевания раком пищевода (по некоторым исследованиям в четыре раза). Ученые приходят к выводу, что употребление одновременно большого количества горячего питья может привести к смерти.

Какой температуры необходимо подавать в школьных столовых горячие напитки, что бы они приносили пользу организму? Это навело меня на мысль, что можно точно рассчитать время разлива различных горячих напитков, т.к. приём пищи в школьной столовой осуществляется строго по расписанию. Горячие напитки занимают значительную долю в рационе человека, утоляют жажду и восполняют потери воды в организме, обладают тонким приятным ароматом и полезные. В этом я увидела актуальность своего исследования, а также его практическую направленность.

Гипотеза: Я предполагаю, что время остывания напитков зависит от их плотности, поверхностного натяжения жидкости и рода материала сосуда, в который налит напиток.

Объектом исследования являются горячие напитки.

Предмет исследования: напитки с разным составом, разлитые в сосуды из разного материала, и время их охлаждения.

Цель работы: определить время остывания чашки горячих напитков и его зависимость от плотности, поверхностного натяжения жидкости и рода материала сосуда, в который налит напиток.

Исходя, из этого были поставлены следующие задачи:

Изучить имеющуюся литературу по теме исследования.

Определить плотность взятых для исследования напитков.

Собрать и обработать данные, свести их в таблицы и провести анализ результатов.

Сделать выводы о том, что в большей степени влияет на время остывания горячих напитков.

Дать некоторые рекомендации рабочим столовой о том, в какой промежуток времени до наступления времени обеда необходимо разлить горячие напитки.

Описание методики исследования.

Для решения этих задач работа была организована в несколько этапов: сначала подбор литературы и изучение её по теме работы; на втором этапе - проведение исследования и обработка данных, а на третьем этапе - анализ результатов и выводы по ним.

РАЗДЕЛ 1

Краткая характеристика параметров исследования

1.1 Температура

Центральное место в учении о тепловых явлениях занимает понятие температура. Температура – это физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Любое макроскопическое тело или группа тел при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходят в состояние теплового равновесия. Тепловое равновесие – это такое состояние тел, при котором температура во всех точках системы одинакова.

Температура  характеризует состояние теплового равновесия системы тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру [5, c. 196]

Живые существа способны воспринимать ощущения тепла и холода непосредственно, с помощью органов чувств. Однако точное определение температуры требует, чтобы температура измерялась объективно, с помощью приборов. Такие приборы называются термометрами и измеряют  эмпирическую температуру. В эмпирической шкале температур устанавливаются две реперные точки и число делений между ними — так были введены используемые ныне шкалы Цельсия, Фаренгейта и другие. Если система находится в тепловом равновесии, то температура всех её частей одинакова. В противном случае в системе происходит передача энергии от более нагретых частей системы к менее нагретым, приводящая к выравниванию температур в системе. В молекулярно-кинетической теории температура пропорциональна средней кинетической энергии частиц системы.

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.

1.2 Теплообмен

Практически все явления внешнего мира и различные изменения в человеческом организме сопровождаются изменением температуры. Явления теплообмена сопутствуют всей нашей повседневной жизни.

Теплообмен всегда происходит в определённом направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой». В этом нас убеждают многочисленные наблюдения, даже на бытовом уровне (ложка в стакане с чаем нагревается, чай остывает; кастрюля с горячей водой отдаёт тепло воздуху и остывает, воздух вокруг неё нагревается и т.д.)

Когда температура тел выравнивается, процесс теплообмена прекращается, т.е. наступает тепловое равновесие [5, c.195].

Простое и понятное утверждение о том, что самостоятельно теплота переходит только от тел с более высокой температурой к телам с меньшей температурой, а не наоборот, является одним из основополагающих законов в физике, и называются II законом термодинамики, этот закон был сформулирован в XVIII веке немецким учёным Рудольфом Клаузиусом [3, c. 93] .

1.3 Плотность

Одинаковые объемы жидкостей или газов, такие же по объему твердые тела (из пластика, резины, дерева, металлов и др.) имеют различный вес.
Говорят, что разные вещества обладают различной плотностью.
Плотность вещества зависит: от массы атомов, из которых оно состоит, и от плотности упаковки атомов и молекул в веществе. Чем больше масса атомов, тем больше плотность.

Плотностью жидкости или газа называется количество массы, заключающейся в единице объема. Для определения плотности вещества нужно массу тела m разделить на его объем V. Обычно выражается в граммах на кубический сантиметр (г/см³). Один кубический сантиметр жидкости равен одному миллилитру (мл). В одном литре 1000 миллилитров.
Плотность чистой воды равна 1 г/см³, (1 г/мл, 1 кг/литр, 1000 кг/м³) [1, c. 135] .

Плотность измеряется с помощью ареометра.

1.4 Ареометр

Ареометр (греч.) - в физике  так  называется  прибор,  который  служит  для
определения плотности, а, следовательно, и удельного  веса  тел.  Устройство ареометра основано на  гидростатическом  законе  (Архимедов  закон),  по  которому каждое тело плавает в жидкости столь глубоко погруженным в нее, что  вес вытесненной им жидкости  равен  весу  всего  плавающего  тела.  

Ареометр - это прибор в виде стеклянного поплавка с измерительной шкалой и грузом (внизу), предназначенный для измерения плотности жидкостей и сыпучих тел. Ареометр опускается в жидкость, плотность которой необходимо измерить. В зависимости от плотности жидкости сила Архимеда будет различна, и ареометр будет погружаться в разных жидкостях на разную глубину [1, c. 351].

Раздел 2

Физические основы поверхностного натяжения жидкости

2.1 Коэффициент поверхностного натяжения

Именно вследствие поверхностного натяжения формируется капля, лужица, струя. Летучесть (испаряемость) любой жидкости тоже зависит от сил сцепления молекул. Чем меньше поверхностное натяжение, тем более летуча жидкость. Самым низким поверхностным натяжением обладают спирты и другие органические растворители. Зрительно поверхностное натяжение можно представить следующим образом: если медленно наливать в чашку чай до краев, то какое-то время он не будет выливаться через ободок. В проходящем свете можно увидеть, что над поверхностью жидкости образовалась тончайшая пленка, которая не дает чаю выливаться. Она набухает по мере доливания и только, как говориться, с "последней каплей” жидкость выливается через край чашки.

Так, в Гибралтарском проливе, соединяющем Средиземное море и Атлантический  океан , воды будто разделены пленкой и имеют между собой четкую границу. Каждая из них имеет свою температуру, свой солевой состав, животный и растительный мир. ПРИЛОЖЕНИЕ А. Величина поверхностного натяжения обуславливается различной степенью плотности морской воды, этот фактор, словно стена, которая препятствует смешиванию вод.

Ещё Галилей задумывался над вопросом: почему капли росы, которые он видел по утрам на листьях капу­сты, принимают шарообразную форму? Утверждение, что жидкость не имеет своей формы, оказывается не совсем точным. Собственная форма жидкости — шар как наиболее ёмкая форма.

Силы взаимодействия между молекулами в жидкостях играют существенную роль. Они имеют электромагнитную природу и действуют на расстояниях порядка 10^-9 м.

Выделим внутри жидкости молекулу. Опишем около нее сферу радиусом 10^-9 м (сфера молекулярного действия). На молекулу действуют только те молекулы, которые находятся внутри этой сферы. В результате молекулы, окружающие выделенную молекулу, компенсируют действие друг друга. Иначе обстоит дело с молекулой, находящейся на поверхности жидкости. Она испытывает большее воздействие со стороны молекул жидкости, чем со стороны молекул пара и газа, находящихся над поверхностью жидкости, т. е. на молекулу действует результирующая сила, направленная внутрь жидкости нормально к ее поверхности. Это относится ко всем молекулам поверхностного слоя, толщина которого равна радиусу сферы молекулярного действия.

Следовательно, поверхностный слой оказывает на жидкость давление, называемое внутренним или молекулярным давлением. Это давление велико (для воды, например, около 1 ∙ 10⁹ Н/м²). Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избытком энергии по сравнению с молекулами, находящимися внутри жидкости. В случае равновесного состояния температура постоянна по всему объему жидкости и кинетические энергии молекул будут одинаковы. При переходе молекул из внутренних частей жидкости на ее поверхность они должны совершить работу против направленных внутрь жидкости сил притяжения со стороны других молекул жидкости.

Эта работа идет на увеличение потенциальной энергии молекул, переходящих в поверхностный слой. Таким образом, поверхностный слой жидкости обладает избыточной свободной энергией. Свободной энергией называется та часть потенциальной энергии системы, которая может обратиться в работу. Свободная энергия стремится к минимуму, в силу чего поверхность жидкости стремится к уменьшению. Так, при отсутствии внешних сил жидкость принимает форму сферы (минимальная поверхность).

Следовательно, в поверхностном слое жидкости появляются силы притяжения между молекулами, действующие по касательной к поверхности жидкости. Эти силы называются силами поверхностного натяжения, т. к. они создают в поверхностном слое стремление сократить поверхность жидкости. Сила поверхностного натяжения – сила, которая действует вдоль поверхности жидкости перпендикулярно линии, ограничивающей эту поверхность, и стремится сократить ее до минимума [4, c.211].

2.2 Методы измерения коэффициента поверхностного натяжения

Способы определения коэффициента поверхностного натяжения делятся на статические и динамические. В статических методах поверхностное натяжение определяется у сформировавшейся поверхности, находящейся в равновесии. Динамические методы (метод поднятия жидкости в капилляре) связаны с разрушением поверхностного слоя. В данном исследовании мною

был использован статистический метод (метод падения капель).

Для определения коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва капель используется стеклянная трубка с узким концом. При выходе из трубки размер капли постепенно нарастает, но отрывается она только тогда, когда достигает вполне определенного размера. Это происходит потому, что пока капля недостаточно велика, силы поверхностного натяжения достаточны для того, чтобы противостоять силе тяжести и предотвратить отрыв. Отрыв же произойдет тогда, когда вес капли станет равным силе поверхностного натяжения, удерживающей ее [2, c.116].

И з стеклянной трубки вытекает исследуемая жидкость каплями. При отрыве капли ее вес Р₀ равен силе поверхностного натяжения.

, где , m₀ – масса одной капли жидкости.

, l – длина окружности шейки капли; d – диаметр шейки капли, равный внутреннему диаметру узкого конца бюретки.

Полный текст материала Статья "Исследование времени остывания чашки горячих напитков" смотрите в скачиваемом файле.
На странице приведен фрагмент.