concepte cheie
fizică
transfer de căldură
izolație
știința materialelor

introducere
Ce faci când se face foarte frig în timpul iernii? Probabil că porniți încălzitorul, puneți un strat suplimentar de haine sau vă înghesuiți sub o pătură caldă. Dar te-ai gândit vreodată de ce o jachetă te ajută să rămâi cald? De ce hainele noastre sunt fabricate din țesături și nu din folii? Aflați răspunsurile în această activitate; rezultatele dvs. ar putea chiar să vă ajute să găsiți cea mai bună modalitate de a rămâne cald în frig!,

fundal
căldura este o formă de energie. Aveți nevoie de energie pentru a încălzi ceva: de exemplu, o ceașcă de ceai. Pentru a vă face ceaiul, probabil că utilizați energie din electricitate sau gaz. Cu toate acestea, odată ce ceaiul este fierbinte, nu va rămâne fierbinte pentru totdeauna. Lăsați o ceașcă de ceai pe masă pentru o vreme și știți deja că va deveni mai rece cu cât așteptați mai mult. Acest lucru se datorează unui fenomen numit transfer de căldură, care este fluxul de energie sub formă de căldură. Dacă două obiecte au temperaturi diferite, căldura curge automat de la un obiect la altul odată ce sunt în contact., Energia termică este transferată de la obiectul mai fierbinte la cel mai rece. În cazul ceaiului, căldura lichidului este transferată în aerul înconjurător, care este de obicei mai rece decât ceaiul. Odată ce ambele obiecte ating aceeași temperatură, transferul de căldură se va opri. Transferul de căldură prin mișcarea fluidelor (lichide sau gaze) se numește convecție.un alt tip de transfer de căldură este conducția, în care energia se deplasează printr-o substanță (de obicei un solid) de la o particulă la alta (spre deosebire de convecție, unde este materia încălzită în sine care se mișcă)., Un mâner oală obtinerea fierbinte ar fi un exemplu de conducere.căldura poate fi, de asemenea, transferată prin radiații. S-ar putea să fi experimentat asta stând în jurul unui foc de tabără. Deși nu atingeți focul, îl puteți simți radiând căldură în față, chiar dacă este rece afară. Dacă vă place să vă beți ceaiul fierbinte, ați putea întreba cum poate fi redus transferul de căldură și cum ceaiul nu se răcește? Răspunsul este izolarea termică., Izolarea înseamnă crearea unei bariere între obiectul fierbinte și cel rece care reduce transferul de căldură fie prin reflectarea radiației termice, fie prin scăderea conducerii termice și a convecției de la un obiect la altul. În funcție de Materialul barierei, izolația va fi mai mult sau mai puțin eficientă. Barierele care conduc căldura foarte slab sunt izolatori termici buni, în timp ce materialele care conduc căldura foarte bine au o capacitate scăzută de izolare. În această activitate, veți testa CE materiale fac izolatori termici buni sau răi cu ajutorul unui pahar de apă fierbinte., Ce material credeți că va fi cel mai eficient?

Materiale

• Cinci borcane de sticlă cu capace
• Foarfece (și adulți pentru a ajuta cu tăiere)
• Caseta
• folie de Aluminiu
• folie cu Bule
• Lână eșarfă sau alte haine de lână
• Cartea
• apa de la robinet Fierbinte
• Termometru
• Frigider
• Timer
• Hârtie de scris
• Pix sau creion

Pregătire

• se Taie o bucată de folie de aluminiu, folie cu bule și hârtiei (au un adult să vă ajute, dacă este necesar)., Fiecare piesă trebuie să fie suficient de mare pentru a se potrivi de trei ori în jurul părților laterale ale borcanului de sticlă.
• luați bucata de folie de aluminiu și înfășurați-o în jurul laturilor unuia dintre borcane. Ar trebui să aveți trei straturi de folie în jurul borcanului de sticlă. Utilizați banda pentru a atașa folia la borcan.
• apoi, înfășurați un alt borcan cu folia cu bule, astfel încât sticla să fie acoperită și în trei straturi. Asigurați-vă că lipiți folia cu bule pe borcan.
• utilizați hârtia tăiată pentru a înfășura un al treilea borcan în trei straturi de hârtie. Încă o dată, atașați hârtia la borcanul de sticlă.,
• luați un alt borcan de sticlă și înfășurați eșarfa sau altă țesătură de lână în jurul borcanului. Faceți doar trei straturi de ambalaj și asigurați-vă că eșarfa rămâne atașată la borcan.
• lăsați ultimul borcan Fără ambalaj. Acesta va fi controlul tău.

procedura

• umpleți fiecare borcan cu aceeași cantitate de apă caldă de la robinet.
• utilizați termometrul pentru a măsura temperatura în fiecare borcan. Puneți degetul în apa fiecărui borcan (aveți grijă dacă apa de la robinet este foarte caldă)—cum se simte temperatura apei?,
• notați temperatura pentru fiecare borcan și închideți capacele. Sunt toate temperaturile la fel sau există diferențe? Cât de mari sunt diferențele?
• deschideți frigiderul și puneți toate cele cinci borcane înăuntru. Asigurați-vă că sunt încă învelite în siguranță. Simțiți temperatura frigiderului—cum se simte temperatura acestuia?
• puneți termometrul în frigider. Ce temperatură citește termometrul când îl puneți în frigider? după ce toate borcanele sunt în frigider, închideți ușa frigiderului și setați cronometrul la 10 minute., Ce crezi că se va întâmpla cu borcanele și apa caldă în acest timp?
• după 10 minute, deschideți frigiderul și luați toate borcanele afară. Borcanele se simt diferite?
• deschideți fiecare borcan, unul câte unul și măsurați temperatura apei cu termometrul. De asemenea, simțiți temperatura cu degetul. S-a schimbat temperatura? Cum s-a schimbat în funcție de termometru?
• repetați măsurarea temperaturii pentru fiecare borcan și notați temperatura pentru fiecare material de ambalare. Temperatura din fiecare borcan s-a schimbat în același mod?, Ce material de ambalaj a dus la cea mai mică schimbare de temperatură și care a dus la cea mai mare?
• pentru o comparație mai bună, calculați diferența de temperatură de la începutul și sfârșitul testului pentru fiecare borcan (temperatura începând față de temperatura după 10 minute în frigider). Din rezultatele dvs., puteți spune care material este cel mai bun sau cel mai slab izolator termic?
• Extra: temperaturile vor continua să se schimbe într-un mod similar pentru fiecare material? Puteți închide din nou fiecare borcan și le puteți pune înapoi în frigider pentru încă 10 minute., Rezultatele sunt diferite de data aceasta sau la fel?
• Extra: temperatura apei se schimbă la fel în frigider ca în congelator sau la temperatura camerei? Repetați testul, dar de data aceasta, în loc să puneți borcanele de sticlă în frigider, puneți-le în congelator sau păstrați-le la temperatura camerei. Cât de mult se schimbă temperatura apei în 10 minute? Diferitele materiale de ambalare se comportă diferit?
• Extra: încercați să găsiți alte materiale care credeți că sunt izolatoare termice bune sau rele și testați-le. Ce material funcționează cel mai bine?, Vă puteți gândi la un motiv pentru care?
• Extra: dacă scoateți borcanele din frigider după 10 minute, probabil că măsurați încă o diferență de temperatură între apa din borcan și temperatura din frigider. Puteți păstra borcanele de sticlă mai mult timp în frigider și măsurați temperatura la fiecare 15 până la 30 de minute. Cât durează până când temperatura apei nu se mai schimbă? Care este temperatura finală a apei din interiorul paharului?
• Extra: pe lângă alegerea materialului izolator potrivit, care sunt alte modalități de îmbunătățire a izolației termice?, Repetați acest test cu un singur material de ambalare. De data aceasta schimba grosimea stratului izolator. Găsiți o corelație între grosimea stratului de izolație și schimbarea temperaturii în frigider?

observații și rezultate
apa caldă s-a răcit semnificativ în timpul celor 10 minute din interiorul frigiderului? Deși temperatura frigiderului este foarte scăzută, apa caldă are o temperatură ridicată., Pe măsură ce energia termică curge de la obiectul fierbinte la obiectul rece, energia termică din apa caldă va fi transferată în aerul rece din jur în interiorul frigiderului odată ce ați pus borcanele de sticlă în interior. Cel mai important mecanism de transfer de căldură în acest caz este convecția, ceea ce înseamnă că aerul chiar lângă borcanul fierbinte este încălzit de apa fierbinte. Apoi, aerul cald este înlocuit cu aer rece, care este, de asemenea, încălzit. În același timp, aerul rece răcește apa din interiorul borcanului. Căldura apei calde este transportată departe de fluxul de aer rece în jurul Cupei., Dacă ați lăsat borcanele în frigider suficient de mult, este posibil să fi observat că temperatura se schimbă până când apa caldă atinge temperatura din interiorul frigiderului. Fără o diferență de temperatură între apă și frigider, transferul de căldură se va opri.căldura din apă este, de asemenea, pierdută prin conducere: transferul de căldură prin material, care depinde de conductivitatea termică a materialului însuși. Borcanul de sticlă poate conduce căldura relativ bine. Observați că atunci când atingeți borcanul de sticlă cu apă fierbinte, paharul se simte și el fierbinte., Ce efect au avut diferitele materiale de ambalare? Ar fi trebuit să observați că, cu materialele de ambalare, temperatura apei după 10 minute în interiorul frigiderului a fost mai mare comparativ cu controlul neambalat. De ce? Împachetarea borcanului de sticlă reduce transferul de căldură de la apa caldă la aerul rece din interiorul frigiderului. Utilizarea materialelor de ambalaj care au o conductivitate termică foarte scăzută reduce pierderile de căldură prin conducere. În același timp, izolatorul poate perturba sau reduce fluxul de aer rece în jurul vasului de sticlă, ceea ce duce la pierderi de căldură mai mici prin convecție.,o modalitate de reducere a convecției este crearea de buzunare de aer în jurul borcanului, de exemplu, prin utilizarea izolatoarelor cum ar fi folie cu bule, țesătură sau lână, care au o mulțime de buzunare de aer. Aerul, în general, este un bun izolator termic, dar poate transmite căldură prin convecție. Cu toate acestea, dacă buzunarele de aer din interiorul materialului izolant sunt separate unul de celălalt, fluxul de căldură de la un buzunar de aer la altul nu se poate întâmpla cu ușurință. Acesta este motivul pentru care ar fi trebuit să măsurați cea mai ridicată temperatură în borcanul învelit în bule și în borcanul învelit în țesătură., Acest lucru explică, de asemenea, de ce majoritatea hainelor noastre sunt confecționate din țesături și de ce rămâi mai cald atunci când îți pui o geacă suplimentară. Hârtia și folia facilitează scăparea căldurii, deoarece nu au multe buzunare de aer.transferul de căldură—pentru copii, de la probleme de Fizică din lumea reală
cum animalele stau calde cu grăsime, de la Scientific American
Cum funcționează un termos?(pdf), din știința zilnică
activitatea științifică pentru toate vârstele!, de la Science Buddies

această activitate a adus la tine în parteneriat cu Science Buddies