XLVIII Межрегиональная научно-практическая конференция школьников и учащейся молодежи

Омский Научный центр Сибирского отделения Российской академии наук

Региональная общественная организация «Омский совет ректоров»

Омское региональное отделение Всероссийской общественной организации

«Русское географическое общество»

Детская областная общественная организация

«Научное общество учащихся «Поиск»

БОУ «Вольновская СШ»

XLVIII

Межрегиональная научно-практическая конференция

школьников и учащейся молодежи

Тема: «Исследование теплопроводности различных видов ткани»

Учебно-исследовательская работа

Научное направление: физика 7 – 8 класс

Выполнил:

ученик 8 кл.

БОУ «Вольновская СШ»

Научный руководитель:

БОУ «Вольновская СШ»

Омск - 2016

Оглавление

Введение…………………………………………3 Обзор работы ………………………………….4 Обоснование работы………………………..5 Актуальность работы……………………….5 Цели и задачи………………………………. 5 Методы исследования……………………….5 Оборудование………………………………..6 Теоретические обоснования………………...6 Последовательность выполнения

исследования………………………………....9

Ход выполнения работы………….….9 Эксперимент №1……………………...10 Эксперимент №2……………………...11 Эксперимент №3……………………..12 Эксперимент №4……………………..13 Эксперимент №5……………………..14 Вывод…………………………………15 Практическая значимость………………….15 Заключение……………………………………..16 Литература……………………………………..17

Введение

Для расположенной в умеренных широтах северного полушария Омской области, за тысячи километров от морей и океанов присущ континентальный климат, его ещё называют материковым или климатом суши. Такой климат сочетает в себе длинную и холодную зиму, непродолжительное, но теплое, а на юге даже жаркое лето, короткие переходные сезоны: весна, осень.

Характерным для климата Омской области являются сухость воздуха, малая облачность и сравнительно небольшое количество осадков, а также резкие колебания температуры от месяца к месяцу, от одного дня к другому и в течение суток.

Такие особенности климата вызваны географическим положением территории Омской области в центре огромного материка, способного быстро нагреваться днём и летом и столь же быстро охлаждаться ночью и зимой.

Самый холодный месяц в Омской области – январь, его средняя температура -19… -20°C, а самый тёплый – июль, его средняя температура +19… +20°C. Самая низкая температура, наблюдавшаяся в Омской области, составляла -50… -51°C, а самая высокая, + 38… + 40°C. Таким образом, разница в средних температурах самого холодного и самого тёплого месяцев составляет 40°, а разница между самыми низкими зимними и самыми высокими летними температурами составляет 80 - 90°, что подчеркивает континентальность климата Омской области.

Зима в Омской области длится 5 месяцев – с ноября и до конца марта, но в северных районах области зимний период длится до 6 месяцев – с середины октября и до второй декады апреля.

Обычно постоянный снежный покров устанавливается в начале ноября. Тем не менее, зима в Омской области холодная, так как при небольшой высоте солнца в это время года тепла к поверхности земли поступает мало.

В первой декаде декабря наступает резкое похолодание, температура воздуха может опускаться до -30°C, наступают настоящие сибирские морозы. В самые холодные дни зимы температура падает до -40… -45°C. Обычные для Омской области морозные дни с температурой -18… -22°C длятся до конца февраля и переносятся сравнительно легко, так как в такие морозные дни чаще наблюдается безветренная солнечная погода с низкой влажностью воздуха.

В феврале морозы начинают сменяться кратковременными оттепелями, сопровождающимися снегопадами и метелями. Обычно с третьей декады марта начинает устанавливаться положительная температура воздуха, снежный покров уплотняется и подтаивает, появляются проталины, солнце греет всё сильнее и сильнее, чувствуется приближение долгожданной весны.

Среднемесячная температура декабря -14°C, января -19°C, февраля -16,5°C.

В условиях холодного климата возникает проблема соответствующей одежды, которая если не греет, то хорошо сохраняет тепло.

II. Обзор работы

1. Обоснование  работы:

Раздел физики «Тепловые явления» вызвал у меня особый интерес. В результате выполнения данной работы я хотел углубить и закрепить имеющиеся знания по этому разделу физики.

Данную тему я  выбрал, потому что хотел более подробно разобраться в этом физическом процессе.

2. Актуальность работы:

В условиях холодного климата у людей возникает проблема соответствующей одежды, которая должна хорошо сохранять тепло, для этого она должна обладать малой теплопроводностью. Чтобы правильно выбрать теплую одежду, нужно иметь представление о том, какие материалы используются в ней в качестве утеплителя, знать их преимущества и недостатки.

3. Цели  и  задачи

Цель работы:  исследования теплопроводности различных видов тканей  в условиях школьного физического кабинета.

Задачи: -  изучить теоретическую основу понятие теплопроводности;

-  экспериментально исследовать теплопроводность различных 

  видов тканей;

  -  сделать вывод.

4.  Методы исследования:

- изучение  литературы

- сбор информации

- моделирование

- эксперимент

- сравнительный анализ

5. Оборудование: - измерительные цилиндры ( мензурки );

       - экспериментальный материал (образцы тканей);

       - термометры;

       - часы;

       - сантиметровая лента;

- штангельциркуль.

6. Теоретические обоснования.        

Теплопровомдность — это перенос теплоты структурными частицами вещества (молекулами, атомами, электронами) в процессе их теплового движения. Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества. Явление теплопроводности заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, передаётся другому телу при их взаимодействии или передаётся из более нагретых областей тела к менее нагретым областям. Иногда теплопроводностью называется также количественная оценка способности конкретного вещества проводить тепло.

Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием теплорода от одного тела к другому. Однако более поздние опыты, в частности, нагрев пушечных стволов при сверлении, опровергли реальность существования теплорода как самостоятельного вида материи. Соответственно, в настоящее время считается, что явление теплопроводности обусловлено стремлением занять состояние более близкое к термодинамическому равновесию, что выражается в выравнивании температуры.

Характеристики исследуемых видов тканей.

Различные по назначению ткани обладают различными  физическими свойствами и характеристиками: прочность, устойчивость к смятию, способность противостоять к истиранию ( о различные предметы, о тело человека ), усадка, цепкость, воздухопроницаемость, паропроницаемость, водоупорность, теплостойкость. Весьма важными свойствами бытовых тканей являются теплопроводность, т. е. способность ткани пропускать тепло. Ткани, предназначенные для защиты от холода, должны обладать минимальной теплопроводностью.

Так, например, высокая теплостойкость и водоупорность важны для технических тканей, используемых для изготовления одежды пожарников.

Основу всех материалов и тканей составляю волокна. Друг от друга волокна отличаются по химическому составу, строению и свойствам. В основу существующей классификации текстильных волокон положено два основных признака - способ их получения (происхождение) и химический состав, так как именно они определяют основные физико-механические и химические свойства не только самих волокон, но и изделий, полученных из них.

Теплозащитные свойства являются важнейшими гигиеническими свойствами изделий для зимнего периода. Эти свойства зависят от теплопроводности образующих ткань волокон, от плотности, толщины и вида отделки ткани. Самым «холодным» волокном считается лен, так как он имеет высокие показатели теплопроводности, самым «теплым» - шерсть. Наиболее высокие показатели теплозащитных свойств имеют толстые плотные шерстяные ткани с начесом. На теплозащитные свойства одежды существенное влияние оказывает число слоев материала  в  одежды. С увеличением числа слоев материала суммарное тепловое сопротивление  возрастает.

Рассмотрим три вида тканей, образцы которых будем исследовать.

Костюмные ткани – из  натуральных волокон – шерсть.

Шерстью называют волосяной покров овец, коз, верблюдов и других животных. Основную массу шерсти (94-96%) для предприятий текстильной промышленности поставляет овцеводство.

Особенностью шерсти является ее способность к свойлачиванию, что объясняется наличием на ее поверхности чешуйчатого слоя, значительной извитостью и мягкостью волокон. Благодаря этому свойству из шерсти вырабатывают довольно плотные ткани, сукна, драпы, фетр, а также войлочные и валяные изделия. Шерсть обладает малой теплопроводностью, что делает ее незаменимой при выработке пальтовых, костюмно-плательных тканей и трикотажных изделий зимнего ассортимента.

Синтепон — лёгкий, объёмный, упругий нетканый материал, в котором смесь (в том числе вторичных искусственных и натуральных, отходов текстильных производств) полиэфирных волокон скрепляется иглопробивным, клеевым (эмульсионным) или термическим способом.

Синтепон в последнее время чаще всего изготавливают из вторичного полиэфирного сырья (втор-ПЭТ), переплавленных пластиковых отходов (ПЭТ-бутылок, пакетов, одноразовой посуды и т. п.). Это существенно удешевляет продукт, однако критично снижает качественные и эксплуатационные характеристики.

Преимущества синтепона заключаются в лёгкости, хороших теплозащитных свойствах и малом весе, а также в относительной безвредности для человека. Синтепон используют для всех видов утеплённой одежды, в том числе детской, а также для изготовления одеял, покрывал, спальных и бивачных мешков и других текстильных изделий.

Ватин - вязаное полотно с односторонним или двусторонним начёсом. Ватин выпускается хлопчатобумажный, шерстяной, полушерстяной и заменяет вату при шитье тёплой одежды.

Последовательность выполнения исследования.

Ход выполнения работы:

В ходе выполнении данной исследовательской работы было проведено три эксперимента с различными видами тканей. Все образцы имеют одинаковые размеры: длину, ширину и площадь. Площадь образцов совпадает с площадью поверхностью измерительного цилиндра (таблица №1)

  Таблица №1

Параметры исследуемых объектов	Костюмная шерстяная ткань	Синтепон	Ватин
2(драп)	1	Толстый	Тонкий	Серый	Чёрный
Толщина	0,3см	0,1см	1,3 см	0,4 см	0,5 см	0,6 см
Ширина	10 см	10см	10 см	10 см	10 см	10 см
Длина	20 см	20 см	20 см	20 см	20 см	20 см
Площадь	200см2	200 см2	200 см2	200 см2	200 см2	200 см2

Для выполнения эксперимента я оборачивал измерительные цилиндры образцами тканей, закрепляли при помощи булавок. 

Выбранную для эксперимента пару обернутых цилиндров и один не обернутый  наполнял теплой водой  одинаковой температуры. Через равные промежутки времени (5 минут) измерял температуру воды в каждом сосуде, записывал показания в таблицу и для сравнения строил графики.

Эксперимент №1. 

Сначала я исследовал два вида костюмной ткани, взяв образцы одного размера, но разной толщины.

Время	Температура
Костюмная ткань 1	Костюмная ткань 2	Вода
16:23	45	45	45
16:28	43	44	43
16:33	41	42	40,5
16:38	39	40	38
16:23	37	38	36

Для сравнительного анализа построили график, из которого видно, что ткань плохо удерживает тепло. Теплопроводность толстой костюмной ткани хуже, чем тонкой, так как она лучше удерживает тепло.

Эксперимент №2 

В качестве утеплителя одежды в настоящее время часто используют синтепон. Я исследовал теплопроводность синтепона разной толщины. (толстый синтепон и тонкий синтепон) 

Время	Температура
Вода	Толстый синтепон	Тонкий синтепон
14:26	32	32	32
14:31	30	31,9	31,7
14:36	29	30,5	30
14:41	28	29,7	29,3
14:46	27	29,5	28,7

 

График показывает, что теплопроводность толстого синтепона на много меньше, чем у тонкого.

Эксперимент №3 

Исследовал  на теплопроводность два вида ватина: ватин СЕРЫЙ (хлопчатобумажный), ватин ЧЁРНЫЙ (шерстяной)

Время	Температура
Вода	Чёрный ватин	Серый ватин
13:45	41	41	41
13:50	38	38,5	39,5
13:55	36	37	38
14:00	34	36	36,5
14:05	32	34,5	35,3
14:10	31	33,1	34

Теплопроводность ватина почти одинакова, но надо учесть, что серый ватин толще.

Эксперимент № 4

Исследовал утеплители. В качестве утеплителя одежды в настоящее время часто используют синтепон. Для исследования я выбрал первый образец - толстый синтепон  (синтетический материал, легкий, объёмный, упругий, нетканый материал)

Второй образец серый ватин –  натуральный  хлопчатобумажный материал, вязаное полотно с односторонним начесом.

Результаты занесем в таблицу 

Время	Температура
Ватин	Синтепон	Вода
14:35	46	46	46
14:40	44	45	42
14:45	42	43	39
14:50	40	41	37
14:55	38,5	40	35

Построим график 

В результате эксперимента выяснилось, что теплопроводность синтепона хуже, чем у ватина.

Эксперимент №5 

Сравнил теплопроводности синтепона и двух слоев серого ватина.

Результаты  занесем в таблицу 

Время	Температура
Синтепон	Ватин два слоя	Вода
15:10	44	44	44
15:20	41	41,5	38
15:30	38	38	34
15:40	36	36	28,5

Построим график 

Теплопроводность двухслойного ватина и синтепона оказались приблизительно равными.

  Вывод: Таким образом, я убедился, что в условиях школьного физического кабинета можно провести сравнительный анализ теплопроводности тканей, которая идет на изготовление нашей одежды.  В процессе проведения экспериментов  я изучил теплопроводность двух видов костюмных тканей (тонкой и драпа), синтепона и ватина. В результате проведенных опытов  убедился в том, что самой  низкой  теплопроводностью обладает синтепон, затем ватин, драп, и самую большую  теплопроводность имеет тонкая костюмная шерстяная ткань. То есть верхняя одежда, сшитая из драпа и утепленная синтепоном, хорошо сохранит наше тепло, а, значит, защитит нас от зимних холодов.

Практическая значимость 

Теплопроводность тканей играет важную роль в одежде человека, а следовательно в его жизнедеятельности. Человек всегда должен одеваться по погоде, чтобы сохранить свое физическое здоровье. Знание теплопроводности тканей поможет любому человеку в выборе повседневной сезонной одежды.

Исследование в данной области позволяет разобраться в современных достижениях учёта теплопроводности в  одежде и рационально применять их в повседневной жизни. Результаты исследования могут быть использованы на факультативных занятиях по физике, кружках, внеклассных мероприятиях по занимательной физике при изучении темы «Теплопроводность»

III. Заключение

В результате проделанной работы я исследовал на теплопроводность различные виды ткани, научился планировать проведение эксперимента по тепловым явлениям, проводить его, расширил свои знания по этой теме.  Исследовал только несколько видов тканей, в основном натуральные. Современная промышленность чаще использует ткани, изготовленные из синтетических волокон. Эти ткани имеют как преимущества, так и недостатки. Преимущество таких тканей заключаются  в их плохой теплопроводности, следовательно, они хорошо сохраняют наше тепло.

IV. Литературы

География  Омской области. Природа. Население. Хозяйство. /Под ред. , Омск, 2008 г. Большая советская энциклопедия, том 43. стр 473 .-М.: БСЭ. 1954г. . Температура. Библиотечка «Квант». Выпуск 12-М.: «Наука» главная редакция физико-математической литературы, 1981 г-159 с. Энциклопедия для детей « АВАНТА». Физика. т.16.ч.2.-М.: «Аванта+», 2002г.-432с. cross-kpk. ru›ims/files/New/07-tech/