Исследовательская работа «Исследование скорости остывания кофе от… или инструкция для любителей напитков»

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение основная общеобразовательная школа поселка Баляга, Петровск-Забайкальского района, Забайкальского края

«Исследование скорости остывания кофе от… или инструкция для любителей напитков»

Выполнил:

Ученик 9а класса

Свинкин Никита

Проверил:

Учитель физики

Романова Ольга Ивановна

2017

Оглавление:

Аннотация……………………………………………………………………………2

Введение…………………………………………………………………………… 3

Теоретическая часть………………………………………………………………  4

Эксперименты……………………………………………………………………… 5

Выводы и наблюдения………………………………………………………………………… 8

Заключение………………………………………………………………………     9

Литература……………………………………………………………………………10

Аннотация

Чтобы понять, как лучше и быстрее остудить кофе, я исследовал зависимость остывания напитка от разных факторов (добавление сахара, материал, из которого сделана емкость с кофе и т. д.). Сначала я выдвинул гипотезу, узнал природу переноса тепла от кофе к окружающему пространству из дополнительных источников. Затем я провел ряд экспериментов, с помощью которых я получил определенные данные, впоследствии сгруппированных и внесенных в таблицу. Составил по таблицам графики, наглядно показывающие зависимость скорости остывания кофе от различных факторов. Проанализировал их и сделал вывод, наверняка полезный многим любителям бодрящего напитка.

Подробнее рассказывается на следующих страницах работы.

Введение

Актуальность исследования.

Актуальность этого исследования обусловлена частотой встречи с таким объектом в повседневной жизни как кофе. «Напиток бодрости», который позволяет увеличить время работоспособности, «прогоняет» сон и усталость, что очень важно для современного, вечно спешащего и вечно неуспевающего куда-то человека. В настоящее время – время компьютерных технологий, доступности информации и скорости ее распространения, усиленного ритма жизни каждый из нас хотел бы на миг остановиться, задуматься о смысле жизни  в руках с чашечкой хорошего кофе. Однако, попробовав его, мы по обыкновению обжигаемся, поскольку он очень горячий. Что делать? Добавить сахар в кофе или подождать некоторое время, пока он остынет до нужной температуры. Если желательно, чтобы кофе остыл как можно быстрее, что лучше – добавить сахар сразу после приготовления или немного подождать, прежде чем добавит его? На этот вопрос получим ответ в ходе выполнения исследования.

Выдвижение гипотезы.

Предположим, что начальная температура кофе 90°С, однако наслаждаться кофе можно, когда температура опустится ниже 75°С. Допустим, что при 90°С добавление сахара понижает температуру кофе на 5°С. Если вы торопитесь и хотите охладить кофе как можно быстрее, будете ли вы добавлять сначала сахар и ждать, пока кофе остынет, или же подождете до тех пор, пока кофе остынет до 80°С, а затем добавите сахар? Может быть, скорость остывания будет больше в пластмассовых стаканчиках?

Цель и задачи работы.

В экспериментальной работе проводится исследование скорости остывания кофе от времени добавления сахара. Цель работы – определить зависимость скорости остывания кофе от времени добавления сахара.                                     

Задачи исследования:

·       Проверить, влияет ли время добавления сахара (через 5 минут, через 10 минут) на скорость остывания кофе при неизменных других параметрах.

·       Рассмотреть природу переноса тепла от кофе к окружающим телам.

Метод исследования.

Экспериментальный.

Теоретическая часть

Природа переноса тепла от кофе к окружающему пространству сложна и включает в себя механизм конвекции, излучения, теплопроводности и испарения.

Теплопроводность — способность материальных тел к переносу энергии (теплообмену) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела, осуществляемому хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.

Механизм теплопроводности в жидкостях резко отличен от механизма теплопроводности в газах, и имеет много общего с теплопроводностью твердых тел. Эти колебания передаются смежным молекулам, и таким образом энергия теплового движения передается постепенно от слоя к слою. Этот механизм обеспечивает лишь сравнительно очень малую величину коэффициента теплопроводности.

Конвекция — вид теплообмена, при котором внутренняя энергия передается струями и потоками. Существует т. н. естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова. При некоторых условиях процесс перемешивания самоорганизуется в структуру отдельных вихрей и получается более или менее правильная решётка из конвекционных ячеек.

При вынужденной (принудительной) конвекции перемещение вещества обусловлено действием внешних сил 

 В жидкости или в твердом теле при любой температуре существует некоторое количество молекул, кинетическая энергия которых превышает модуль потенциальной энергии их связи с остальными частицами вещества. Испарение – это процесс, при котором с поверхности жидкости или твердого тела вылетают частицы, кинетическая энергия  которых превышает потенциальную энергию  их связи с остальными частицами вещества

Во время процесса испарения жидкость покидают самые быстрые молекулы и, следовательно, средняя скорость оставшихся молекул в жидкости становится меньше. А это значит, что внутренняя энергия испаряющейся жидкости начинает уменьшаться. Таким образом, если энергия не поступает к жидкости извне, испаряющаяся жидкость начинает охлаждаться.

Эксперименты

Для проведения эксперимента необходимо выделить две части исследования. Первая часть заключается в определении скорости остывания кофе в керамическом стаканчике от времени добавления сахара. Необходимое оборудование – это два керамических стаканчика, сахар и два термометра.

1 эксперимент:

Наливаем горячий кофе в стаканчики. Температура окружающего воздуха равна 22°С. Измеряем одновременно температуру в первом и во втором стаканчике. Результат заносим в таблицу. Через 10 минут от начала эксперимента во второй керамический стаканчик добавляем сахар. Продолжаем дальше измерять температуру и результат записываем в таблицу.

Остывание чашечки кофе с сахаром, помещенной в керамический стакан. Температура регистрировалась через 5 минут.

Время, мин.	0	5	10	15	20	25	30
Т, °С	85	70	64	58	50	46	40

Остывание чашечки кофе с сахаром, добавленным через 10 минут от начала эксперимента, помещенным в керамический стакан. Температура регистрировалась через 5 минут.

Время, мин.	0	5	10	15	20	25	30
Т, °С	85	75	60	54	47	40	38

Графики изменения температуры остывания кофе в керамических стаканчиках

Анализ графика

Голубой линией обозначен график для первого случая. Сахар добавлен в начале. Температура понижается и скорость остывания на этом участке больше. Через 10 минут сахар добавлен во второй стаканчик и температура кофе понизилась и оказалась меньше, чем в первом стаканчике.

Вторая часть эксперимента – определение скорости остывания кофе в пластмассовых стаканчиках.

2 эксперимент:

Наливаем горячий кофе в пластмассовые стаканчики. Фиксируем начальную температуру, через 10 минут добавляем в один из пластмассовых стаканчиков сахар. Продолжаем регистрировать температуру и данные заносим в таблицу.

Остывание чашечки кофе с сахаром, помещенной в пластмассовый стакан. Температура регистрировалась через 5 минут

Время, мин.	0	5	10	15	20	25	30
Т, °С	80	70,5	61,5	53	48	44	42

Остывание чашечки кофе с сахаром, добавленным через 10 минут от начала эксперимента, помещенным в пластмассовый стакан. Температура регистрировалась через 5 минут.

Время, мин.	0	5	10	15	20	25	30
Т, °С	87	72	56	51	45	41	38

Графики изменения температуры остывания кофе в пластмассовых стаканчиках

Анализ графика

Из графика видно, что скорость остывания кофе не одинаковая. Если в кофе добавить сахар не сразу, то он остынет раньше.

Выводы и наблюдения

Из результатов экспериментов видно, что скорость остывания кофе зависит от времени добавления сахара. Если сахар добавить позже, то температура кофе понизится раньше. У более нагретых тел скорость изменения температуры больше. В пластмассовых стаканчиках процесс изменения температуры кофе происходит также. Чем выше первоначальная температура тел, тем больше скорость ее изменения.

Заключение

Проведенные исследования нельзя считать исчерпывающими. Затронутые вопросы не охватывают всей проблемы целиком. Можно провести исследование скорости изменения температуры от формы сосуда, от времени добавления молока. Провести эксперимент с разными сортами кофе.

Литература

1.     «Исследовательская работа школьников». Научно-методический и информационно публицистический журнал. Редакция «Народное образование»

2.     Развитие исследовательской деятельности учащихся. Методический сборник. – М.: Народное образование, 2001.

3.     https://www.tutoronline.ru

4.     https://ru.wikipedia.org