Misiune

Poate vă amintiți exemplul de anul trecut de „Ceai la cinci” 1. Cu toate acestea, nu trebuie să știți acest lucru pentru a rezolva cu succes această sarcină. În el, Mato 2 a ajuns la faptul tulburător că, dacă ar turna apă fierbinte dintr-un ceainic în ceașca sa preferată, o anumită cantitate de apă ar fi epuizată înainte ca ceaiul să se răcească suficient pentru a fi băut.

Dar știi cum merge. Fizicienii teoretici calculează ceva, dar realitatea este adesea diferită. Prin urmare, măsurați-l cu sinceritate de data aceasta. Încercați să aflați experimental cât de mult ceai și cât de repede „scade” în ceașcă în funcție de temperatura inițială. Pentru experimente, încercați ambele cupe deschise și închise. Pe baza rezultatelor, încercați să estimați dacă evaporarea sau expansiunea termică se află în spatele pierderii de ceai. Când vă proiectați experimentul, vă puteți inspira din soluția eșantion pentru sarcina „Ceaiul la cinci”. Vă recomandăm să folosiți un recipient înalt (de exemplu, cilindru de măsurare) pentru măsurare.

Cei care nu au reușit, sau cei care nu au rezolvat FKS anul trecut, îl vor găsi în prima rundă a seriei de vară din anul 31st

Atenție, nu Mato care a fost în exemplele din prima și a doua rundă ... ↩

Așadar, amenințările de anul trecut s-au împlinit și sarcina este din nou aici, de data aceasta într-un format experimental. Ei bine, un pic de ajutor, la urma urmei, voi lua un ceainic, voi fierbe apă, voi turna ceai, voi măsura picătura de câteva ori și l-am echipat. Nouă puncte gratuit. Sau poate nu.

Deci, să fierbem apă și între timp vom vorbi despre ce, cum și de ce o vom face. Sarcina este atât de miloasă încât ne spune că este vorba în principal de expansiunea termică a apei în sine și de dorința ei de a se evapora în spațiul înconjurător în timpul frigului. Ați oferit deja o rațională teoretică amănunțită și ce calcule în jurul întregului fenomen conștiinței voastre tulburate în rolul de anul trecut Tea at Five 1, deci nu ne vom ocupa în detaliu.

Procedura de măsurare

Citit? Deci, când suntem suficient de entuziasmați teoretic, putem trece la măsurarea în sine. În primul rând, să ne gândim la faptul că, în loc de ceainic, este mai bine să folosiți un recipient obișnuit și închis, cum ar fi un cristal de familie dobândit în timpul unei călătorii la IKEA sau o ceașcă cilindrică de gem moștenită de la străbunica. În plus, cupa cu gem are avantajul că este alimentată în mod normal cu un capac, cu ajutorul căruia prima parte a măsurătorii poate fi efectuată cu ușurință. Dacă nu avem un capac, vom folosi, de exemplu, o folie transparentă, pe care o vom strânge în jurul capătului perforat al cupei cu o bandă elastică pentru siguranță.

Poate că este clar pentru toată lumea că, dacă închidem bine ceașca, greutatea - și, prin urmare, cantitatea reală, adică numărul de particule - a ceaiului din el nu se poate schimba, așa că alte fenomene trebuie să fie responsabile pentru orice modificare a volumului. Dacă excludem influența extratereștilor sete din a patra dimensiune, care își aduc fraierii în ceașcă chiar și fără a sparge paharul, schimbarea volumului va trebui acum să fie expansiunea termică a ceaiului în sine.

Cu toate acestea, pe lângă containere, avem nevoie de alte echipamente profesionale. În primul rând, folosim un dispozitiv sofisticat pentru încălzirea apei, cum ar fi un ceainic electric sau o sobă cu gaz. În al doilea rând, va trebui să măsurăm greutatea inițială a apei cu ceva, așa că vom folosi cântare de bucătărie sau, într-un mediu mai cultural, cântare de laborator, resp. microbalanta digitala. Și în al treilea rând, un termometru, fie el alcoolic sau digital, ar fi util. În orice caz, ar trebui să poată rezista la o temperatură de cel puțin \ (\ SI \) .

Desigur, am dori să măsurăm volumul cu ceva. Acest lucru se poate face în mai multe moduri, de exemplu prin intermediul unui cilindru de măsurare, seringi, măsurarea corectă a containerului și integrarea ulterioară a secțiunii transversale pe întreaga sa înălțime ... Cu toate acestea, deoarece avem greutatea la îndemână, valorile densității sunt convertite în volum.

Nu în ultimul rând, ne dăm seama că nu trebuie să măsurăm temperatura pentru diferite temperaturi inițiale, dar putem spune că fiecare măsurare a temperaturii va fi începutul unei noi măsurători a cursului în funcție de temperatura inițială. Astfel economisim o cantitate mare de energie electrică, timp și, mai presus de toate, proprii nervi. 2

La început, măsurăm greutatea cupelor uscate goale, inclusiv toate capacele, capacele și benzile de cauciuc. Această greutate nu este interesantă pentru noi și, spre marea noastră fericire, nu se schimbă în timp, așa că o putem scădea direct din valorile arătate de greutate fără a mai zgâria. Alternativ, dacă avem o greutate ușor mai inteligentă, o putem tara cu o ceașcă goală, adică să setăm greutatea cupei goale ca valoare de referință. Marcăm apoi valorile deja reduse, tarate, în tabel. Cu toate acestea, dacă nu avem o greutate inteligentă, notele cu siguranță includ valori „brute”, practic facem toate corecțiile în liniște atunci când scriem raportul, nu în laboratorul de ardere și murdărire și deloc din cap.!

Acum turnați apă clocotită în pahar la o înălțime fixă ​​(de exemplu până la semn sau marginea superioară) și transferați-o cu atenție pe cântar. Cu capătul zdrențuit al mâinii, apucați de termometru și introduceți partea de acțiune (adică rezervorul de alcool sau senzorul) în apă și așteptați până când valoarea s-a stabilizat. Este posibil ca temperatura să scadă rapid chiar sub punctul de fierbere, deoarece apa face schimb de energie nu numai cu aerul, ci și cu o ceașcă relativ rece. Dar nu contează, nicăieri nu este scris că trebuie să începem să măsurăm la punctul de fierbere. Este chiar mai bine să așteptați un timp scurt pentru ca temperatura să se schimbe atât de repede.

Măsurare

Am efectuat întreaga măsurare de două ori cu două cupe diferite, gem și obișnuit. După cum am promis, am cântărit mai întâi cupe goale, deschise (\ (m_o \)) și închise (\ (m_z \)). Le vom scădea greutățile din greutățile totale măsurate. Apoi îmbătrânim cântarul de fiecare dată, umplem paharele nedeschise cu apă la temperatura camerei și le cântărim din nou. Astfel obținem masa de apă \ (m_v \) și o convertim în volumul unei cești. Chiar și cu valoarea \ (\ rho = \ SI \) nu vom face o mare greșeală.

greutățile măsurate ale cupei și volumele calculate cup \ (m_o/\ si \) \ (m_z/\ si \) \ (m_v/\ si \) \ (V/\ si \)
IKEA \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \)
gem \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \)

În prima parte, am măsurat scăderea volumului cauzată de expansiunea pur termică: am umplut ambele pahare cu apă proaspăt prinsă până la marginea superioară, închise cu grijă (sau stricate) și cântărite. Apoi îi lăsăm să stea câteva ore (peste noapte). Până dimineața, ambii aveau temperatura camerei \ (\ SI \) .

ceai
Pahar experimental, închis cu folie de plastic

Ulterior, am deschis paharele și le-am acoperit cu apă stând de aceeași temperatură până la vârf. Am cântărit din nou cupele și am transformat diferența în \ (\ Delta V \). În cele din urmă, am exprimat expansiunea termică volumetrică pentru \ (\ Delta T \), \ (\ beta = 1 - \ frac \) .

volumul și expansiunea termică a apei cup \ (V_0/\ si \) \ (\ Delta V/\ si \) \ (\ Delta T/\ si \) \ (\ beta/1 \)
IKEA \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \)
gem \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \)

Ambele măsurători arată că aproximativ \ (\ SI \) volumul de apă din ceainic se pierde din cauza răcirii.

În partea a doua, am lăsat ochelarii descoperiți. Le-am reumplut cu apă fierbinte și am măsurat temperatura și greutatea întregii cupe și am înregistrat datele în tabel. Apoi am repetat această procedură în anumite momente până când apa s-a răcit la temperatura camerei.

Aparat experimental: sticlă de apă și echilibru digital. Temperatura apei este măsurată cu un termometru digital

În mod ideal, a doua parte a măsurătorii ar trebui repetată de mai multe ori. Datorită condițiilor în schimbare, în special schimbării mari a umidității din cameră, nu am reușit. Considerăm acuratețea termometrului la nivelul \ (\ SI \). Cantitățile \ (\ tau_ \ mathrm \) și \ (\ tau_ \ mathrm \) exprimă greutatea relativă comparativ cu prima măsurare - o reprezentăm în grafice, deoarece nu ne pasă de dimensiunea reală a cupei.

cursul scăderii greutății apei din ambele cupe \ (t/\ si \) \ (T_ \ mathrm/\ si \) \ (m_ \ mathrm/\ si \) \ (\ tau_ \ mathrm \) \ (T_ \ mathrm/\ si \) \ (m_ \ mathrm/\ si \) \ (\ tau_ \ mathrm \)
\ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \)
\ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \)
\ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \)
\ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \)
\ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \)
\ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \)
\ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \)
\ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \) \ (\ num \)

În cele din urmă, vizualizăm datele în două grafice. În primul grafic reprezentăm greutatea în funcție de timpul scurs, în cel de-al doilea reprezentăm temperatura curentă. Pentru completare, vom arăta în graficul „zero” cum s-a schimbat temperatura cu timpul.

Dependența temperaturii apei \ (T \) de timpul scurs Graficul dependenței greutății relative a apei \ (\ tau \) de timpul scurs Dependența greutății relative a apei \ (\ tau \) de temperatură

Dependența de timp a pierderii în greutate este exponențială la prima vedere, a doua pare a fi foarte aproximativ liniară. Cu toate acestea, acest lucru nu poate fi complet cazul, deoarece chiar și după atingerea temperaturii camerei, apa continuă să se evapore. În plus, o potrivire mult mai bună a primei dependențe se realizează utilizând o funcție de forma \ (f (x) = ae ^ + cx + d \), adică o scădere exponențială plus liniară (vezi graficul).

Deci, putem rezuma rezultatele noastre: în timpul răcirii la temperatura camerei, am pierdut aproximativ \ (\ SI \), resp. \ (\ SI \) apă. Comparând valorile \ (1 - \ tau \) și \ (\ beta \) pentru ambele cupe, vedem că ambele efecte contribuie la pierderea cu părți aproximativ egale. În opinia noastră, rata diferită de declin se datorează în principal diferenței mari în mărimea nivelurilor libere. Cupa cu gem este conică în partea de sus, în timp ce ceașca obișnuită se extinde, astfel încât zona din care se poate evapora apa este mai mare.

Erori de măsurare

Deși, desigur, suntem cu toții absolut uimitori, nu evităm anumite neplăceri fizice. De exemplu, am putea fi arși pe un pahar fierbinte, aruncați-l pe masă cu apă și vărsați o parte din apă. 3 În acest caz, totuși, nu avem altă opțiune decât să repetăm ​​întreaga măsurare. Cu toate acestea, chiar dacă nu am vărsat sau altfel nu devalorizăm nimic, nu am putea evita anumite greșeli sistematice.

În primul rând, am venit cu expansiunea termică a cupei în sine, care, cu acuratețea noastră, poate să nu fie complet neglijabilă, mai ales că volumul crește odată cu a treia putere de lungime. Cu toate acestea, odată cu schimbarea temperaturii, sticla se extinde mult mai puțin decât apa. Cu toate acestea, dacă am avea un etrier, nu ar trebui să fie atât de deznădăjduit cu corectarea acestei erori. Forma cupei poate afecta și dimensiunea nivelului liber de ceai - desigur, cu cât suprafața liberă este mai mare, cu atât va avea loc mai rapidă evaporarea.

Un parametru foarte important, care, totuși, se modifică foarte prost într-un mod controlat 4, este umiditatea din cameră. Dacă aerul ar fi complet saturat cu vapori de apă, apa din ceașcă ar ajunge la așa-numitul echilibru dinamic - la fel de multe molecule ar fi eliberate din lichid ca și cum ar fi aterizat în el din nou prin mișcări microscopice aleatorii ale aerului. Dimpotrivă, în aer uscat, moleculele eliberate ar fi foarte ușor dispersate și, dacă le-am îndepărta și ele din cameră într-un fel (de exemplu prin ventilație), apa ar dispărea din sticlă relativ repede.

Rețineți, însă, că acest lucru se aplică numai după ce temperatura a scăzut la temperatura camerei! Și anume, în timp ce cupa este caldă, aerul din jur se supraîncălzește. Cu toate acestea, cantitatea de vapori de apă pe care aerul este capabil să o absoarbă crește brusc odată cu temperatura, astfel încât aerul cald lângă ceașcă ar putea mânca mai multă apă decât frigul din jur (chiar dacă aerul rece din cameră era deja saturat) . Acest aer cald este apoi răcit rapid și amestecat cu aerul rece din jur, astfel încât vaporii de apă să nu revină în sticlă.

Nu în ultimul rând, putem menționa lucruri pe care acasă avem puțin de măsurat sau influențate foarte semnificativ - de exemplu, cantitatea și tipul de minerale dizolvate în apă (adică duritatea sa), viteza de curgere a aerului în cameră și curând. Cu toate acestea, în acuratețea noastră, efectele lor vor fi neglijabile într-un fel sau altul.

Concluzie

Vedem că departamentul nostru teoretic a fost greșit de data aceasta și ambele efecte sunt cam aceleași. Pierdem aproximativ \ (\ SIrange \) din apă (volum și greutate) din ceașcă prin evaporare și pierdem aproximativ \ (\ SI \) volum de ceai, deoarece se răcește. Dar aici putem fi liniștiți, deoarece nu afectează cantitatea efectivă, adică greutatea ceaiului.

Și dacă nu întâmplător, aveți o ocazie unică de a vă îngropa în arhiva de mostre, deoarece Jaro a făcut deja toți roboții murdari pentru mine (pentru care îi mulțumesc cel mai sincer în acest loc).

Mai ales dacă facem experimentul seara în ziua termenului. Nu știu despre tine, dar râd pentru că scriu proba la timp

Știu despre ce vorbesc.↩

De aceea nici nu ți-am cerut-o

Discuţie

Aici puteți discuta în mod liber soluția, puteți partaja fragmentele de cod și așa mai departe.

Trebuie să fiți conectat pentru a adăuga comentarii.