Как сделать термоскоп дома
Термоскоп своими руками
На приборе, называемом термоскопом (рис. 9), вы сможете наблюдать передачу тепла излучением. Для такого прибора, кроме бутылки, пробки и стеклянной трубки, нужно иметь еще две жестяные полоски размером 25Х8 мм, вырезанные из консервной банки, и дощечку или фанерную длиною в 150 мм и шириною 30-35 мм. Стеклянную трубку изогните под прямым углом. Длина одного колена изогнутой трубки должна быть 50-60 мм, а второго — 180-200 мм. Как изгибать стеклянные трубки?ЛИ В этом вам может помочь вышеприведенная статья.
Просмотр содержимого документа
«Термоскоп своими руками»
Жылудың теориясының пайда болуы
Огромный класс физических явлений, которые мы наблюдаем постоянно в повседневной жизни, связан с теплотой. Сейчас мы считаем, что при нагревании тела происходит увеличение его внутренней энергии, при охлаждении – ее уменьшение. При контакте тел с разной температурой происходит теплообмен, в процессе которого более нагретое тело передает часть свой внутренней энергии менее нагретому телу. Но для того, чтобы сформулировалить сами понятия температуры и энергии потребовалось более двух столетий, вплоть до опытов Джоуля, исследовавшего взаимопревращение различных видов энергии, и открытия Броуном движения пыльцы в капле воды. Сначала же, для того чтобы исследовать теплоту, нужно было придумать прибор для ее измерения – термометр.
Уже в XVII веке термометры были широко распространены, Галилей поводил измерения температуры. Производились они термоскопом – прибором, в котором столбик воды в тонкой и длинной (около 50 см) запаянной трубке поднимался или опускался в зависимости от температуры так же, как и в современном термометре, а позже температуру измеряли прямыми аналогами нашего термометра. Как видно из рисунка, термоскопы измеряли давление и температуру одновременно, так что использовать их в качестве измерительного прибора было сложно, а вот уже термометры можно было градуировать, и Габриель Фаренгейт (1686–1736) ввел температурную шкалу, применяющуюся в наше время. Чуть позже, в 1730 г., появилась шкала Рене Реомюра (1683–1757). А шкала, предложенная в 1694 г. Карло Ренальдини, использующая как опорные точки температуры кипения и замерзания воды, утвердилась после предложения Цельсия (1701–1744) разбить отрезок между этими точками на 100 градусов.
Рис. 1. Схема термоскопа Галилея, термоскоп (отсутствует трубка) и термометры середины XVII века
Интервал температур, которые могли быть получены к середине XVIII века, был достаточно значителен – от точки замерзания ртути (–40 °C) до точки возгонки алмаза(около 4500 °C). Низкие температуры получались с помощью охлаждающих смесей, а высокие – интенсивным поддувом кислорода или фокусировкой солнечных лучей.
О том же, что именно измеряется термометром, мнения были самые противоречивые. Не смотря на то, что нагревание тел при трении наблюдал еще Бойль, большую популярность имела теория теплорода – невесомая жидкость, избыток которой приводит к нагреванию тел, недостаток – к охлаждению. (Вспомните, какие еще невесомые жидкости с похожими свойствами «изобретались» для объяснения явлений, природа которых была еще невыяснена.) В противовес теплороду выдвигались теории, связывавшие тепло с движением молекул.
Даниил Бернулли в «Гидродинамике» (1738 г.) представлял воздух как совокупность мельчайших частиц, а температуру и давление газа на стенки – как результат движения частиц и их столкновений со стенками.
Михаил Ломоносов в 1744 г. представил в Академическое собрание свою работу «Размышления о причине теплоты и холода». Она была опубликована только через шесть лет,в 1750 г., вместе с другой, более поздней, работой «Опыт теории упругости воздуха». В отличие от Бернулли, Ломоносов пытался объяснить еще и колебательные свойства воздуха, поэтому он ввел предположение о вращательном движении частиц. В этой же работе предполагалось существование абсолютного нуля температур – состояния, в котором молекулы любого тела неподвижны.
В опубликованной в 1750 г. работе «Размышления о количестве теплоты, которое должно получаться при смешении жидкостей, имеющих определенные градусы теплоты» Рихман решил задачу о температуре, которая установится в смеси двух жидкостей, взятых при разных температурах.
В 1777 г.Лавуазье и Лаплас, построив ледяной калориметр, определили удельные теплоемкости различных тел. Казалось бы, все основные положения газово-кинетическойтеории к концу XVIII века уже были созданы, все качественные эксперименты поведены, но были некоторые эксперименты, не позволяющие ни теории теплорода, ни кинетической теории окончательно утвердиться.
Эксперименты Джозефа Блэка (1728—1799)
В 1762 г. Джозеф Блэк обнаружил, что для плавления льда нужна теплота. Т. е., если нагревать смесь воды и льда, температура смеси некоторое время (пока не растает лед) изменяться не будет, несмотря на то, что тепло подводится. Почему это происходит и куда девается теплота, было не понятно. Теплоту, нужную для плавления льда, назвали «скрытой», и этот термин – «скрытая теплота плавления» – можно и сегодня встретить в литературе. Так же ведет себя жидкость при кипении – до тех пор, пока не закончится процесс испарения, температура подниматься не будет. Ни теплород, ни кинетическая теория того времени объяснить опыты Блэка не могли.
Видеофрагмент 1. Скрытая теплота
Заметим, что постоянство температуры смеси лед–вода к этому времени уже использовалось в термометрах – ведь для калибровки точек отсчета (0 °C и 100 °C) нужно, чтобы смесь хорошо держала температуру.
Эксперименты Бенджамина Румфорда (1753–1814) и Гемфри Дэфи (1778–1829)
Рис. 2. Страница из работы Румфорда
Объяснить это явление, используя теорию теплорода, было невозможно, поскольку не было тела с более высокой температурой, которое могло бы передать теплород сверлу. Но оппоненты предположили, что теплород выделяется из металла при образовании металлических стружек. Тогда Румфорд использовал тупое сверло, при котором образуется меньше стружек, следовательно, должно выделится меньше теплорода. Однако наблюдался противоположный эффект – температура еще больше повышалась. Из опытов Румфорд сделал заключение, что теплота может создаваться без ограничений, что теплота – это свойство самого вещества.
Следующий опыт Румфорд провел, поместив в вакуум два тела – нагретое и холодное. Из его теории следовало, что в вакууме, без контакта тел, передачи тепла не будет. К сожалению экспериментатора, холодное тело нагревалось, а теплое – охлаждалось. Объяснить этот опыт без привлечения теплорода казалось невозможным.
Еще один эксперимент Румфорда был бы решающим, если был доведен до конца. В стакан наливался концентрированный раствор соли, сверху аккуратно доливалась чистая вода. Существование границы соляной раствор–вода доказывалось тем, что на ней могла лежать капля гвоздичного масла – ее плотность больше плотности воды, но меньше плотности соляного раствора. Постепенно раствор соли проникал в воду – это было бы невозможно без движения молекул, ведь соль тяжелее воды. Если бы у этого эксперимента было продолжение – зависимость скорости диффузии от температуры, понятие температуры в значительной степени прояснилось бы.
Ученик Румфорда, английский ученый Гемфри Дэфи, продолжил его опыты, нагревая трением кусочки льда. Два куска льда он поместил их в сосуд, из которого был откачан воздух, и с помощью часового механизма растопил их.
Опыты Вильяма Гершеля (1738–1822)
В 1800 г. английский астроном Вильям Гершель опубликовал работу «Опыты по преломляемости невидимых солнечных лучей». Он разместил термометры в темном помещении за пределами спектра – и с красной стороны спектра, и с синей. Термометры с синей стороны не нагревались, а с красной стороны спектра шел интенсивный нагрев. Невидимые лучи, переносящие тепло, были названы «инфракрасными». Таким образом, стало понятным, как передается тепло через вакуум.
Термоскоп своими руками
На приборе, называемом термоскопом (рис. 9), вы сможете наблюдать передачу тепла излучением. Для такого прибора, кроме бутылки, пробки и стеклянной трубки, нужно иметь еще две жестяные полоски размером 25Х8 мм, вырезанные из консервной банки, и дощечку или фанерную длиною в 150 мм и шириною 30-35 мм. Стеклянную трубку изогните под прямым углом. Длина одного колена изогнутой трубки должна быть 50-60 мм, а второго — 180-200 мм. Как изгибать стеклянные трубки?ЛИ В этом вам может помочь вышеприведенная статья.
Просмотр содержимого документа
«Термоскоп своими руками»
Жылудың теориясының пайда болуы
Огромный класс физических явлений, которые мы наблюдаем постоянно в повседневной жизни, связан с теплотой. Сейчас мы считаем, что при нагревании тела происходит увеличение его внутренней энергии, при охлаждении – ее уменьшение. При контакте тел с разной температурой происходит теплообмен, в процессе которого более нагретое тело передает часть свой внутренней энергии менее нагретому телу. Но для того, чтобы сформулировалить сами понятия температуры и энергии потребовалось более двух столетий, вплоть до опытов Джоуля, исследовавшего взаимопревращение различных видов энергии, и открытия Броуном движения пыльцы в капле воды. Сначала же, для того чтобы исследовать теплоту, нужно было придумать прибор для ее измерения – термометр.
Уже в XVII веке термометры были широко распространены, Галилей поводил измерения температуры. Производились они термоскопом – прибором, в котором столбик воды в тонкой и длинной (около 50 см) запаянной трубке поднимался или опускался в зависимости от температуры так же, как и в современном термометре, а позже температуру измеряли прямыми аналогами нашего термометра. Как видно из рисунка, термоскопы измеряли давление и температуру одновременно, так что использовать их в качестве измерительного прибора было сложно, а вот уже термометры можно было градуировать, и Габриель Фаренгейт (1686–1736) ввел температурную шкалу, применяющуюся в наше время. Чуть позже, в 1730 г., появилась шкала Рене Реомюра (1683–1757). А шкала, предложенная в 1694 г. Карло Ренальдини, использующая как опорные точки температуры кипения и замерзания воды, утвердилась после предложения Цельсия (1701–1744) разбить отрезок между этими точками на 100 градусов.
Рис. 1. Схема термоскопа Галилея, термоскоп (отсутствует трубка) и термометры середины XVII века
Интервал температур, которые могли быть получены к середине XVIII века, был достаточно значителен – от точки замерзания ртути (–40 °C) до точки возгонки алмаза(около 4500 °C). Низкие температуры получались с помощью охлаждающих смесей, а высокие – интенсивным поддувом кислорода или фокусировкой солнечных лучей.
О том же, что именно измеряется термометром, мнения были самые противоречивые. Не смотря на то, что нагревание тел при трении наблюдал еще Бойль, большую популярность имела теория теплорода – невесомая жидкость, избыток которой приводит к нагреванию тел, недостаток – к охлаждению. (Вспомните, какие еще невесомые жидкости с похожими свойствами «изобретались» для объяснения явлений, природа которых была еще невыяснена.) В противовес теплороду выдвигались теории, связывавшие тепло с движением молекул.
Даниил Бернулли в «Гидродинамике» (1738 г.) представлял воздух как совокупность мельчайших частиц, а температуру и давление газа на стенки – как результат движения частиц и их столкновений со стенками.
Михаил Ломоносов в 1744 г. представил в Академическое собрание свою работу «Размышления о причине теплоты и холода». Она была опубликована только через шесть лет,в 1750 г., вместе с другой, более поздней, работой «Опыт теории упругости воздуха». В отличие от Бернулли, Ломоносов пытался объяснить еще и колебательные свойства воздуха, поэтому он ввел предположение о вращательном движении частиц. В этой же работе предполагалось существование абсолютного нуля температур – состояния, в котором молекулы любого тела неподвижны.
В опубликованной в 1750 г. работе «Размышления о количестве теплоты, которое должно получаться при смешении жидкостей, имеющих определенные градусы теплоты» Рихман решил задачу о температуре, которая установится в смеси двух жидкостей, взятых при разных температурах.
В 1777 г.Лавуазье и Лаплас, построив ледяной калориметр, определили удельные теплоемкости различных тел. Казалось бы, все основные положения газово-кинетическойтеории к концу XVIII века уже были созданы, все качественные эксперименты поведены, но были некоторые эксперименты, не позволяющие ни теории теплорода, ни кинетической теории окончательно утвердиться.
Эксперименты Джозефа Блэка (1728—1799)
В 1762 г. Джозеф Блэк обнаружил, что для плавления льда нужна теплота. Т. е., если нагревать смесь воды и льда, температура смеси некоторое время (пока не растает лед) изменяться не будет, несмотря на то, что тепло подводится. Почему это происходит и куда девается теплота, было не понятно. Теплоту, нужную для плавления льда, назвали «скрытой», и этот термин – «скрытая теплота плавления» – можно и сегодня встретить в литературе. Так же ведет себя жидкость при кипении – до тех пор, пока не закончится процесс испарения, температура подниматься не будет. Ни теплород, ни кинетическая теория того времени объяснить опыты Блэка не могли.
Видеофрагмент 1. Скрытая теплота
Заметим, что постоянство температуры смеси лед–вода к этому времени уже использовалось в термометрах – ведь для калибровки точек отсчета (0 °C и 100 °C) нужно, чтобы смесь хорошо держала температуру.
Эксперименты Бенджамина Румфорда (1753–1814) и Гемфри Дэфи (1778–1829)
Рис. 2. Страница из работы Румфорда
Объяснить это явление, используя теорию теплорода, было невозможно, поскольку не было тела с более высокой температурой, которое могло бы передать теплород сверлу. Но оппоненты предположили, что теплород выделяется из металла при образовании металлических стружек. Тогда Румфорд использовал тупое сверло, при котором образуется меньше стружек, следовательно, должно выделится меньше теплорода. Однако наблюдался противоположный эффект – температура еще больше повышалась. Из опытов Румфорд сделал заключение, что теплота может создаваться без ограничений, что теплота – это свойство самого вещества.
Следующий опыт Румфорд провел, поместив в вакуум два тела – нагретое и холодное. Из его теории следовало, что в вакууме, без контакта тел, передачи тепла не будет. К сожалению экспериментатора, холодное тело нагревалось, а теплое – охлаждалось. Объяснить этот опыт без привлечения теплорода казалось невозможным.
Еще один эксперимент Румфорда был бы решающим, если был доведен до конца. В стакан наливался концентрированный раствор соли, сверху аккуратно доливалась чистая вода. Существование границы соляной раствор–вода доказывалось тем, что на ней могла лежать капля гвоздичного масла – ее плотность больше плотности воды, но меньше плотности соляного раствора. Постепенно раствор соли проникал в воду – это было бы невозможно без движения молекул, ведь соль тяжелее воды. Если бы у этого эксперимента было продолжение – зависимость скорости диффузии от температуры, понятие температуры в значительной степени прояснилось бы.
Ученик Румфорда, английский ученый Гемфри Дэфи, продолжил его опыты, нагревая трением кусочки льда. Два куска льда он поместил их в сосуд, из которого был откачан воздух, и с помощью часового механизма растопил их.
Опыты Вильяма Гершеля (1738–1822)
В 1800 г. английский астроном Вильям Гершель опубликовал работу «Опыты по преломляемости невидимых солнечных лучей». Он разместил термометры в темном помещении за пределами спектра – и с красной стороны спектра, и с синей. Термометры с синей стороны не нагревались, а с красной стороны спектра шел интенсивный нагрев. Невидимые лучи, переносящие тепло, были названы «инфракрасными». Таким образом, стало понятным, как передается тепло через вакуум.
Как сделать термоскоп
Первый в истории термоскоп — термоскоп Филона.
Позднее флорентийские ученые усовершенствовали термоскоп Галилея, добавив к нему шкалу из бусин и откачав из шарика воздух.
В 17 веке воздушный термоскоп был преобразован в спиртовой флорентийским ученым Торричелли. Прибор был перевернут шариком вниз, сосуд с водой удалили, а в трубку налили спирт. Действие прибора основывалось на расширении спирта при нагревании, — теперь показания не зависели от атмосферного давления. Это был один из первых жидкостных термометров.
Как сделать термос
Давайте разберёмся, как же устроены фабричные изделия. Их конструкция затрудняет теплообмен хранимого объекта с внешней средой. Температура тела связана со скоростью колебания его молекул.
Тепло может передаваться либо путём соударения молекул (теплопроводность), либо при помощи инфракрасного излучения.
Современные термосы работают по принципу сосуда Дьюара, изобретённого в конце 19 века. Состоят из двух металлических сосудов, вставленных один в другой, между которыми откачен воздух. Металлическая поверхность отражает инфракрасное излучение, а вакуум обеспечивает низкую теплопроводность.
Наш самодельный термос также основан на конструкции Дьюара, только вместо вакуума будет утеплитель, а вместо металлических сосудов — пластиковые бутылки. Для отражения инфракрасного излучения используем бытовую алюминиевую фольгу, в которую обернём внутренний сосуд.
Утеплитель
Ключевым элементом конструкции является утеплитель. Что же можно использовать в качестве утеплителя:
Простейшим утеплителем могут служить шарики из кусочков бесплатных газет. Недостаток газет — плохая переносимость контакта с водой. Источники пенопласта: упаковка бытовой техники, лотки для овощей. Из него легко сделать крошку.
Рулонный пенополиуретан также используется в качестве упаковочного материала. Продаётся в хозяйственных магазинах. Монтажная пена — тот же пенополиуретан, но в аэрозольном баллончике. Практически идеальный материал, однако есть у нее неприятное свойство: расширяется так сильно, что внутренний сосуд может деформироваться, а если в его роли выступает стеклянная бутылка, то и лопнуть. Пластиковую же необходимо предварительно наполнить водой, чтобы не потеряла форму.
Внимание! Стеклянные бутылки лучше не сочетать с монтажной пеной.
Основной критерий выбора утеплителя — наличие того или иного материала. Предполагаем, что конструкция одноразовая (или близко к тому) и затраты на изготовление должны быть минимальными.
Материал внутреннего сосуда
Достоинством термоса из двух пластиковых бутылок является феноменальная ударопрочность. Им даже в футбол можно поиграть. На этом достоинства и заканчиваются. В пластиковую бутыль нельзя наливать кипяток.
Во-первых, она деформируется, а во-вторых выделяются вредные вещества. Максимальная температура воды не должна превышать примерно 80 градусов.
Чтобы скомпенсировать этот недостаток, можно использовать стеклянную бутылку. Наливать кипяток в неё лучше в два этапа. Сначала налить небольшой объем и взболтать, а потом долить оставшееся количество. Иначе есть вероятность, что она лопнет.
Сборка термоса
Важно! Термос из пластиковых бутылок предназначен, только для холодных напитков.
Важно! Утеплитель нужно обязательно утрамбовать, иначе внутренняя бутылка будет болтаться и прокручиваться относительно внешней.
Испытание термоса
Термос на основе бутылок объёмом 1 и 3 литра с утеплителем из шариков газетной бумаги наполнили водой с температурой 80 градусов и поместили на мороз.
Через два часа температура снизилась до 40 градусов. Можно сделать вывод, что самодельный термос сохраняет тепло примерно в 9 раз хуже, чем безымянный китайский.
Более простая конструкция
Допустим, что у вас есть только бутылка на 0.5 литра. Оборачиваем её фольгой. Надеваем два пуховых носка или обматываем шерстяным шарфом. Надеваем чёрный пластиковый пакет и обклеиваем его скотчем. Получится термос из серии «лучше, чем ничего».
Что нужно для изготовления термоса
Если у вас есть небольшая фляжка для алкогольных напитков, то в зимнее время она может послужить вам неплохим термосом. Объем таких фляжек редко превышает 250 мл. Впрочем, когда жажда одолевает, то даже стаканчик воды может существенно облегчить ваше положение.
Наливаем во фляжку тёплой воды, но не кипятка, чтобы не обжечься. Кладем её в карман рубашки или жилета с большим количеством карманов. Сверху надеваем свитер и зимнюю куртку. Благодаря плоской форме, скрытое ношение не доставляет особых проблем. Температура воды будет постоянно равна температуре вашего тела, что в холодное время года очень даже неплохо. Согреться не получится, но жажду вы утолите легко.
Важно! Перед использованием убедитесь, что фляжка не протекает.
Мы выяснили, что сделать в домашних условиях примитивный термос не так уж сложно, но подобные конструкции существенно уступают промышленным образцам по теплоизолирующим свойствам. Изготавливать их целесообразно только при отсутствии возможности приобрести фабричное изделие.
Первый в истории термоскоп — термоскоп Филона.
История термодинамики началась, когда в 1592 году Галилео Галилей создал первый прибор для наблюдений за изменениями температуры, назвав его термоскопом. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шарик с припаянной стеклянной трубкой. Шарик нагревали, а конец трубки опускали в воду. Когда шарик охлаждался, давление в нем уменьшалось, и вода в трубке под действием атмосферного давления поднималась на определенную высоту вверх. При потеплении уровень воды в трубки опускался вниз. Недостатком прибора было то, что по нему можно было судить только об относительной степени нагрева или охлаждения тела, так как шкалы у него еще не было.
Позднее флорентийские ученые усовершенствовали термоскоп Галилея, добавив к нему шкалу из бусин и откачав из шарика воздух.
В 17 веке воздушный термоскоп был преобразован в спиртовой флорентийским ученым Торричелли. Прибор был перевернут шариком вниз, сосуд с водой удалили, а в трубку налили спирт. Действие прибора основывалось на расширении спирта при нагревании, — теперь показания не зависели от атмосферного давления. Это был один из первых жидкостных термометров.