Исследование времени остывания напитков

Исследование времени остывания напитков

Выполнил: Бабин Максим, 13 лет Город Самара Научный руководитель:

Исследование времени остывания напитков

Самара 2010

Оглавление

Введение. 3

1. Краткая характеристика параметров исследования. 4

1.1. Температура. 4

1.2. Теплообмен. 5

1.3. Плотность. 6

1.4. Ареометр. 7

2. Исследование времени остывания напитков. 8

2.1. Описание методики исследования. 8

2.2. Определение плотности напитков. 9

2.3. Исследование зависимости времени остывания напитка от его плотности. 10

2.4. Выводы. 13

Заключение. 13

Приложение 1. Время остывания напитков в фарфоровой кружке. 14

Приложение 2. Время остывания напитков в стеклянном стакане. 15

Введение

Употребление человеком пищи является одним из важнейших источников пополнения внутренней энергии. Совершение любой работы сопровождается затратами энергии. Чем плодотворнее и эффективнее работа, тем выше уровень потребления человеком энергии. И наоборот, чем своевременнее и эффективнее пополнение затрат внутренней энергии, тем результативнее будет работа человека. 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.

Таким образом, от того насколько правильно организовано питание учащихся, во многом зависит их здоровье и эффективность учебной деятельности.

Ни для кого не секрет, что в школьных столовых горячие напитки часто остаются не востребованными, т. к. они либо подаются остывшими и не годны к употреблению, либо чересчур горячими, что делает невозможность их употребление.

Такая ситуация навела меня на мысль, что можно точно рассчитать время разлива различных горячих напитков, т. к. приём пищи в школьной столовой осуществляется строго по расписанию. В этом я увидел актуальность своего исследования, а также его практическую направленность.

1.  Краткая характеристика параметров исследования

1.1.  Температура.

Понятие температуры тела пред­ставляется на первый взгляд прос­тым и понятным. Из собственного повседневного опыта каждый знает, что бывают тела горячие и холодные. Еще с детства нам знакомы выра­жения «температура на улице» и «температура при заболевании» и т. п.

Опыты и наблюдения показыва­ют, что при контакте двух тел, из которых одно мы воспринимаем как горячее, а другое как холодное, про­исходят изменения физических пара­метров как первого, так и второго тела. «Физическая величина, измеряемая термометром и одинаковая у всех тел или частей тела, находящихся в термодинамическом равновесии друг с другом, называется температурой».[1] Когда термометр приводят в контакт с изучаемым телом, мы видим разного рода изменения: движется "столбик" жидкости, меняется объем газа и т. п. Но вскоре между термометром и телом обязательно наступает термодинамическое равновесие – состояние, при котором остаются постоянными все величины, характеризующие эти тела: их массы, объемы, давления и так далее. С этого момента термометр показывает не только свою температуру, но и температуру изучаемого тела. 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. Что­бы процесс измерения не изменил заметно температуру тела, масса тер­мометра должна быть значительно меньше массы тела, температура ко­торого измеряется.

1.2.  Теплообмен.

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

Во время болезни врачи рекомендуют измерять температуру не менее 7-10 минут. Почему? Ведь неоднократно приходилось убеждаться в том, что если температура тела высокая, достаточно держать термометр 2-3 минуты, что бы его показания установились и более не менялись.

Работая с дополнительной литературой, я прочел, что в конце 17 века известнейший английский физик Исаак Ньютон высказал гипотезу: «скорость теплообмена между двумя телами тем больше, чем сильнее отличаются их температуры (под скоростью теплообмена понимаем изменение температуры в единицу времени.) Теплообмен всегда происходит в определённом направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой»[2]. 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.

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.

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).

Основным способом измерения плотности является взвешивание известного объема вещества. Например, взвесьте литровый сосуд, заполните его жидкостью, взвесьте снова, затем вычтите вес сосуда - так вы узнаете вес одного литра жидкости.

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.

2.  Исследование времени остывания напитков

Гипотеза: Я предполагаю, что время остывания напитков зависит от их плотности.

Цель исследования: определить время остывания чашки горячих напитков и его зависимость от плотности.

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, дежурным учителям, директору, о том в какой промежуток времени до наступления времени обеда необходимо разлить горячие напитки.

2.1.  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.

Предметом исследования были взяты: горячие напитки (чай, компот, какао, кисель), разлитые в чашки из различного материала: фарфор, стекло и пластмасса.

2.2.  Определение плотности напитков.

Цель: Определить плотность неизвестной жидкости (исследуемого напитка).

Для выполнения данного эксперимента я использовал ареометр. Исследование проводилось при комнатной температуре; температура напитков составляла 750С

Оборудование: сосуд с напитком и ареометр.

1.  В сосуд наливаем напиток, плотность которого хотим измерить.

2.  С помощью ареометра измеряем плотность данного вещества.

Таблица 1. Плотность напитков

Наименование напитка	Плотность, г/мл
Чай с 2 ложками сахара на стакан	1010
какао с 2 ложками сахара на стакан	1030
Компот	1045
Кисель	1150

Опыты проводились дома при комнатной температуре (20-220С). Концентрация напитков в опытах не учитывалась. В каждом стакане выбранного для исследования напитка (200 мл) растворялось 2 ч. л. сахара (m сах. = 11 г.)

Из таблицы видно, что плотности исследуемых напитков различны, наибольшей плотностью обладает компот и кисель.

2.3.  Исследование зависимости времени остывания напитка от его плотности.

Экспериментальным путем, опросив членов моей семьи, я выяснил наиболее комфортную температуру для питья. Она составила 750С.

Оборудование: секундомер, термометр, сосуды из различного рода материала: фарфор, стекло, пластмассовая кружка.

Сначала я нагревал напитки до температуры 950С. Чтобы определить время остывания напитка, я фиксировал температуру остывания напитка через каждые 2 минуты.

Таблица 2. Исследование времени остывания напитков.

Напиток	Материал сосуда	ρж, кг/м3
пластмассовая кружка	фарфор	Толстое стекло
t, мин	t0С	t, мин	t0С	t, мин	t0С
чай	0	95	0	95	0	95	1010
1	93	1	91	1	92
3	90	3	87	3	88
5	86	5	82	5	83
7	81	7	78	7	79
10	79	10	74	10	75
какао	0	95	0	95	0	95	1020
1	93,5	1	91	1	92
3	90	3	88	3	88,5
5	86	5	83	5	83
7	81	7	79	7	79,5
10	80	10	75	10	76
компот	0	95	0	95	0	95	1085
1	94	1	91,5	1	93,5
3	92	3	90	3	91
5	88	5	85	5	86,5
7	85	7	81,5	7	83
10	82	10	79	10	80,5
кисель	0	95	0	95	0	95	1150
1	95	1	93	1	93
3	93,5	3	89	3	89
5	90	5	86	5	87
7	87	7	81	7	83
10	85	10	80	10	81

Из таблицы видно, что самая высокая скорость остывания у чая и какао, так же у них самая низкая плотность, следовательно, у жидкостей с большей плотностью скорость остывания выше.

Более наглядно это представлено на рисунке. Например,

График 1. Время остывания напитков в пластмассовом стакане.

На графике видна линейная зависимость времени остывания напитка от его плотности. Но поскольку плотности данных напитков не сильно отличаются друг от друга, то и время остывания у них примерно одинаковое.

Кроме того, я обратил внимание на зависимость времени остывания напитка от материала сосуда, в котором он находился.

График 2. Зависимость времени остывания напитка от материала сосуда на примере чая.

Быстрее всего напитки остывают в фарфоровой чашке, а медленнее всего – в пластмассовом стакане.

Затем я определил время, необходимое для остывания напитка до температуры 750С.

Таблица 3. Время, необходимое для остывания напитка до температуры комфортного питья.

Напиток Материал сосуда	Время остывания до 75 0С, мин.
пластмасса	фарфор	стекло
Чай	11	9	10
Какао	11.30	10	10.30
Компот	12	11	11.30
Кисель	14	12	13

Из таблицы видно, что напитки с большей плотностью остывают медленнее. И быстрее всего напитки остывают в тонкой фарфоровой чашке.

2.4.  Выводы.

-  Время остывания напитка линейно зависит от плотности напитка.

-  Время остывания напитка зависит от рода материала сосуда, в котором подают напитки.

-  Но так как в нашей школьной столовой горячие напитки подают в толстостенных стеклянных стаканах, то исходя из данных исследования, делаем вывод, что самое оптимальное время разлива напитков за 10-13 минут до звонка.

Заключение.

В моем исследовании поставленная цель была достигнута. Я определил плотность напитков, подаваемых в нашей школьной столовой, и выявил зависимость времени остывания от их плотности и материала сосуда, в котором они разливаются.

По результатам моего исследования можно дать некоторые рекомендации:

1.  С данной работой можно выступить перед рабочим персоналом школьной столовой, которые непосредственно связаны с питанием учащихся школы.

2.  Результаты работы можно учитывать в школе и дома при подаче горячих напитков во время приема пищи.

В дальнейшем я бы хотел провести исследование с другими жидкостями и проследить зависимость времени их остывания от плотности.

Приложение 1. Время остывания напитков в фарфоровой кружке.

	0мин	1мин	3мин	5мин	7мин	750
Чай	950	910	860	810	770	8мин
Какао	950	910	860	810	770	8мин
Компот	950	920	860	820	780	8мин
кисель	950	930	870	830	790	9мин

Приложение 2. Время остывания напитков в стеклянном стакане

	0мин	1мин	3мин	5мин	7мин	750
Чай	950	920	870	810	770	8мин
Какао	950	920	870	810	770	8мин
Компот	950	940	880	820	780	9мин
кисель	950	930	870	830	800	10мин

Список использованной литературы

1.  , «Курс общей физики»; М., «Наука», 1974.

2.  Справочник по физике и технике. М «Просвещение» 1989г

3.  Учебное пособие под редакцией «Элементарный учебник физики»; М., «Наука», 1985.

4.  А. А Пинский Физика 10 кл. с углубленным изучением физики.

М. Просвещение 1993 г.

5.  «Курс общей физики»; М., «Наука»,1966.

6.  Библиотека «Первое сентября» Я иду на урок физики ч. II М: «Первое сентября» 2000 г.

[1] Учебное пособие под редакцией «Элементарный учебник физики»; М., «Наука», 1985.

[2] «Курс общей физики»; М., «Наука»,1966