Question

Придя домой из школы, Елена и Язеп на кухне увидели большие кружки в которых был не выпитый кофе. Они подумали, что родители торопились и не выпили кофе, так как он был слишком горячий. Елена и Язеп решили определить, какой объем кофе за 5 минут остынет до температуры при которой кофе будет пригоден для питья. Специалисты общественного питания считают, что кофе надо пить, когда его температура не превышает 50 oC. Исследование проводилось в комнате с постоянной температурой. При этом использовалась емкости одинаковой формы, цвета, размеров и материала, а вода имела начальную температуру + 85ºC. a) Выдвини предположение, как будет меняться температура воды в течение 5 минут, в зависимости от объема налитой воды в каждую из емкостей. b) Опиши ход работы, позволяющей проверить выдвинутое предположение.

Answer 1

Будем проводить эксперимент с водой, а не кофе, ибо вода доступнее. И кофе, и вода - жидкости, сделанные выводы будут касаться обеих жидкостей.

Вообще, нужно понимать, почему вода остывает. Уясним себе один факт - постоянный теплообмен. Сформулирую закон попроще: всё в мире, что касается друг друга, постоянно пытается достичь одинаковой температуры.

Итак, раз мы знаем факт теплообмена, нетрудно догадаться, почему вода остывает: она пытается достичь одной температуры с тем, с чем контактирует - с воздухом в комнате.

Нам понадобятся:

1) Термометр, рассчитанный до 100°C

2) Два одинаковых цилиндрических стакана

3) Линейка

Поехали! :)

Вместо объёма мы будем пользоваться высотой, ибо объём и высота прямо пропорциональны (V = S * h)

1) Наливаем горячую воду из под крана в первый стакан. Мерим температуру воды T01 термометром и высоту воды h1 в стакане линейкой.

3) Приложив линейку ко второму стакану, наливаем горячую воду высотой в два раза ниже, чем в предыдущем стакане:

h2 = h1 / 2.

Температура приблизительно та же, что и в первом, T02 = T01.

4) Ждём 5 минут, оставляя стаканы открытыми.

5) Ещё раз мерим температуру воды в стаканах, T1 и T2.

6) Считаем изменение температуры в первом стакане:

ΔT₁ = T₁ - T₀₁

И во втором стакане:

ΔT₂ = T₂ - T₀₂

7) Подставляем известные значения в формулу:

$\frac{h_1}{h_2} = \frac{dT_2}{dT_1}$

Равенство приблизительно сходится.

Вывод: чем больше объём жидкости, тем медленнее жидкость будет остывать.

Answer 2

a) Предположение о том, как будет меняться температура воды в течение 5 минут, зависит от объема налитой воды в каждую из емкостей. Температура воды будет меняться по следующему образу:

1. Если в каждую из емкостей налито небольшое количество воды (маленький объем), то температура воды в них остынет быстро, ближе к комнатной температуре, и может стать пригодной для питья в течение 5 минут.

2. Если в каждую из емкостей налит большой объем воды, то температура воды остынет медленнее, и она может остаться слишком горячей для питья в течение 5 минут.

b) Для проверки выдвинутого предположения и определения, какой объем воды остынет до пригодной для питья температуры в течение 5 минут, можно провести следующий эксперимент:

1. Подготовьте несколько одинаковых по размеру и материалу емкостей (как в описании, чтобы факторы формы, цвета и размеров не влияли на результат).

2. Измерьте начальную температуру воды, которую вы налили в каждую из емкостей. В этом случае начальная температура воды равна +85ºC.

3. Залейте разные объемы воды в разные емкости. Например, одну емкость наполните небольшим объемом воды (например, 100 мл), а другую большим объемом (например, 500 мл).

4. Измерьте температуру воды в каждой из емкостей через равные промежутки времени, например, каждую минуту в течение 5 минут.

5. Запишите изменение температуры в каждой из емкостей в течение эксперимента.

6. Сравните полученные данные и определите, какой объем воды успел остыть до температуры, при которой кофе считается пригодным для питья (не превышает 50ºC) в течение 5 минут.

Этот эксперимент поможет выяснить, как объем воды влияет на скорость остывания и пригодность кофе для питья в зависимости от начальной температуры воды.