Лабораторная работа № 3, страница 102, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 2. Изменения агрегатного состояния вещества. Параграф 26. Лабораторные и исследовательские работы. Лабораторные работы - страница 102.

Условие.

Лабораторная работа № 3

Исследование изменения температуры остывающей воды с течением времени

Цель работы

Исследовать изменение температуры воды при её остывании; сравнить процесс остывания горячей воды с процессом остывания горячей воды, в которую поместили капельку масла; сравнить процессы остывания горячей воды в узком и широком сосудах.

Оборудование и материалы

Стакан, горячая вода, термометр, часы, растительное масло, блюдце (или широкая тарелка), миллиметровая бумага.

Ход работы

Опыт 1

• Осторожно налейте в стакан горячую воду.

• Опустите в стакан с горячей водой термометр и через равные промежутки времени (1—5 мин) записывайте его показания в таблицу в своей тетради.

Опыт 2

• Осторожно налейте в стакан горячую воду приблизительно такого же объёма и температуры, как в первом опыте.

• На поверхность воды накапайте несколько капель растительного масла.

• Опустите в стакан с водой термометр и через равные промежутки времени (1—5 мин) записывайте его показания в таблицу в своей тетради.

Опыт 3

• Осторожно налейте в стакан горячую воду приблизительно такого же объёма и температуры, как в первом опыте. Перелейте воду из стакана в блюдце.

• Опустите в блюдце с водой термометр и через равные промежутки времени (1—5 мин) записывайте его показания в таблицу в своей тетради.

Время, мин
Температура воды (опыт 1), $^\circ$C
Температура воды с мас- лом (опыт 2), $^\circ$C
Температура воды в широком сосуде (опыт 3), $^\circ$C

• Сравните изменение температуры воды в опытах 1 и 2, в опытах 1 и 3.

• По результатам измерений в опытах 1, 2 и 3 постройте график зависимости температуры воды от времени.

• Сделайте выводы.

Решение.

Для выполнения заданий, сперва заполним таблицу гипотетическими данными, основанными на физических принципах остывания жидкости. Предположим, начальная температура воды 80°C, а измерения проводятся каждые 3 минуты.

Время, мин: 0 | 3 | 6 | 9 | 12 | 15
Температура воды (опыт 1), °C: 80 | 72 | 65 | 59 | 54 | 50
Температура воды с маслом (опыт 2), °C: 80 | 75 | 70 | 66 | 62 | 59
Температура воды в широком сосуде (опыт 3), °C: 80 | 65 | 54 | 46 | 40 | 35

Сравните изменение температуры воды в опытах 1 и 2, в опытах 1 и 3.

При сравнении результатов опытов 1 и 2 видно, что вода, на поверхность которой добавили растительное масло (опыт 2), остывает медленнее, чем чистая вода в таком же стакане (опыт 1). За 15 минут вода в опыте 1 остыла на $80°C - 50°C = 30°C$, а в опыте 2 — на $80°C - 59°C = 21°C$. Это объясняется тем, что масляная пленка на поверхности воды препятствует испарению. Испарение — это процесс, при котором с поверхности жидкости улетают наиболее быстрые молекулы, унося с собой энергию, что приводит к охлаждению. Уменьшение интенсивности испарения замедляет процесс остывания.

При сравнении результатов опытов 1 и 3 видно, что вода в широком сосуде (блюдце, опыт 3) остывает значительно быстрее, чем вода в узком сосуде (стакане, опыт 1). За 15 минут вода в опыте 1 остыла на $30°C$, а в опыте 3 — на $80°C - 35°C = 45°C$. Это связано с тем, что в широком сосуде площадь свободной поверхности воды, с которой происходит теплообмен с окружающей средой, гораздо больше. Увеличение площади поверхности приводит к увеличению скорости теплоотдачи за счет всех основных механизмов: испарения, конвекции и излучения.

Ответ: Вода с маслом (опыт 2) остывает медленнее, чем чистая вода (опыт 1), из-за уменьшения испарения. Вода в широком сосуде (опыт 3) остывает быстрее, чем вода в узком сосуде (опыт 1), из-за большей площади поверхности теплообмена.

По результатам измерений в опытах 1, 2 и 3 постройте график зависимости температуры воды от времени.

Для построения графика необходимо на миллиметровой бумаге начертить две перпендикулярные оси. Горизонтальную ось (ось абсцисс) обозначить как «Время, $\text{t}$, мин», а вертикальную (ось ординат) — как «Температура, $\text{T}$, °C». Нужно выбрать удобный масштаб, например, по оси времени 1 см = 3 минуты, а по оси температуры 1 см = 10°C.

Затем, используя данные из таблицы, для каждого опыта нужно нанести на координатную плоскость точки, соответствующие измерениям температуры в разные моменты времени. После этого следует соединить точки для каждого опыта плавной линией. В результате получится три графика на одной координатной плоскости.

Описание ожидаемого графика:
1. Все три кривые начнутся в одной точке на оси ординат (например, $t=0$, $T=80°C$).
2. Все кривые будут убывающими, показывая процесс остывания. Наклон кривых будет наибольшим в начале и будет уменьшаться со временем, по мере приближения температуры воды к температуре окружающей среды.
3. Кривая для опыта 3 (вода в блюдце) будет самой крутой, то есть будет идти ниже других, что соответствует самому быстрому остыванию.
4. Кривая для опыта 1 (вода в стакане) будет менее крутой, чем кривая для опыта 3.
5. Кривая для опыта 2 (вода с маслом) будет самой пологой, то есть будет идти выше других, что соответствует самому медленному остыванию.
Таким образом, при любом моменте времени $t > 0$ будет выполняться соотношение температур: $T_{опыт\,2} > T_{опыт\,1} > T_{опыт\,3}$.

Ответ: На графике зависимости температуры от времени будут построены три убывающие кривые, выходящие из одной начальной точки. Самая крутая кривая будет соответствовать опыту 3 (широкий сосуд), самая пологая — опыту 2 (вода с маслом), а кривая для опыта 1 (чистая вода в стакане) будет находиться между ними.

Сделайте выводы.

На основе проведенных опытов и анализа полученных данных можно сделать следующие выводы о процессе остывания воды:

1. Скорость остывания жидкости зависит от условий на ее поверхности, в частности, от интенсивности испарения. Создание на поверхности воды масляной пленки (опыт 2) уменьшает испарение, что приводит к замедлению процесса остывания по сравнению с открытой поверхностью (опыт 1).

2. Скорость остывания жидкости зависит от площади ее свободной поверхности, с которой происходит теплообмен с окружающей средой. Чем больше площадь поверхности (опыт 3, блюдце), тем интенсивнее идет теплообмен за счет испарения, конвекции и излучения, и тем быстрее остывает жидкость по сравнению с жидкостью в сосуде с меньшей площадью свободной поверхности (опыт 1, стакан).

3. Основными видами теплопередачи, определяющими скорость остывания горячей воды в открытом сосуде, являются испарение, конвекция и тепловое излучение. Управление этими процессами (например, изменением площади поверхности или созданием пленки на ней) позволяет изменять скорость остывания.

Ответ: Скорость остывания воды зависит от площади свободной поверхности и интенсивности испарения. Увеличение площади поверхности ускоряет остывание, а уменьшение испарения (с помощью масляной пленки) замедляет его.