Охлаждане на науката: изпарително охлаждане с течности


Сега това е готино! Научете се как да го охладите с изпаряване. Ключови понятия Физика изпаряване Пренос на топлина температура Въведение Чудили ли сте се някога защо се потим, когато околната среда е гореща или когато тренираме? Изпотяването е животоспасяваща стратегия, която охлажда тялото и поддържа температурата му. Без изпотяване тялото не може да регулира температурата си, което може да доведе до прегряване

Сега това е готино! Научете се как да го охладите с изпаряване.

Ключови понятия
Физика
изпаряване
Пренос на топлина
температура

Въведение
Чудили ли сте се някога защо се потим, когато околната среда е гореща или когато тренираме? Изпотяването е животоспасяваща стратегия, която охлажда тялото и поддържа температурата му. Без изпотяване тялото не може да регулира температурата си, което може да доведе до прегряване или дори до топлинен удар. Но защо изпотяването има охлаждащ ефект? Отговорът е изпарително охлаждане. Превръщането на течност като пот от течното му състояние в газ изисква енергия. Тази енергия се взема от нашето тяло или от пот, под формата на топлина. Полученият топлообмен води до желания охлаждащ ефект. В тази дейност можете да наблюдавате тази охлаждаща сила в действие - готови ли сте да се охлади?

Заден план
Процесът на смяна на течност в газообразно състояние се нарича изпаряване. Всяка течност може да се превърне в газ, ако към течността се добави достатъчно енергия под формата на топлина. Енергията, необходима за трансформацията, се нарича топлина на изпарение. Колко енергия ви трябва зависи от фактори като типа на течността или околната температура. Ако отвън вече е много горещо, ще се нуждаете от по-малко енергия за изпаряване на течност; ако е много студено, ще ви е необходимо повече.

За да се превърнат в газ, молекулите, които се държат вътре в течността, трябва да се освободят, за да попаднат във въздуха. Това означава, че водородните връзки, държащи молекулите заедно, трябва да бъдат счупени. Така молекулите, които са способни да образуват много водородни връзки помежду си, са много по-трудни за превръщане в газ и имат по-висока топлинна изпарение. Това също влияе на температурата на кипене на течност. Молекулите, които привличат една друга много силно започват да кипят при по-високи температури в сравнение с тези, които имат слаби атракции. По-ниска точка на кипене обикновено означава, че течността ще се изпари по-бързо. Водата, например, с един кислород и два водородни атома, може да образува две водородни връзки на молекула. Неговата топлина на изпарение е 2260 джаула на грам, или 541 калории на грам, и започва да кипи при 100 градуса по Целзий (212 градуса по Фаренхайт).

Вашето тяло използва изпарителния процес при изпотяване. Потта, която се състои от 90% вода, започва да се изпарява. Необходимата топлинна енергия за изпаряване се извлича от самата пот, което води до пренос на топлина от течността в газообразно състояние. Това води до охлаждащ ефект (наречен изпарително охлаждане), който помага за поддържане на телесната температура и охлажда тялото, когато стане твърде горещо. Степента на охлаждане зависи от скоростта на изпаряване и топлината на изпаряване. В тази дейност ще разберете коя течност има по-голяма охлаждаща сила: спирт или вода. Какво мислите, че ще се охлади повече, когато се изпари?

материали

  • Алкохол за разтривки
  • вода
  • Две малки чаши или купи
  • супена лъжица
  • Пипета или медицинска капкомер

подготовка

  • Напълнете една малка чаша или купа с една супена лъжица вода.
  • Напълнете втората чаша или купа с една супена лъжица алкохол.

процедура

  • Попийте малко вода от първата купа (вода), като използвате пипетата или медицинския капкомер.
  • Внимателно изпуснете една или две капки върху задната част на ръката и разпръснете течността с пръсти. Когато водата докосне кожата ви, как се чувства?
  • Задушете меко по кожата, която сте покрили с вода. Кожата ви се чувства ли различна, когато духате по водата? Можете ли да усетите разликата в температурата, докато духате? Какво е чувството?
  • Изплакнете пипетата с малко алкохол и след това изсмучете част от алкохола с пипетата си.
  • Отпуснете същото количество течност на гърба на другата ръка и разпръснете течността с пръсти. Дали алкохолът се чувства различен, когато докосне кожата ви? Как?
  • Отново, духайте над областта на ръката си, където поставяте алкохола . Какво чувство чувстваш? Дали вашата ръка се чувства по-топла или по-студена в сравнение с водата, когато духате по течността? Можете ли да измислите причина за това?
  • Допълнително : Разберете колко бързо се изпарява алкохолът и водата. Поставете същото (малко) количество вода и триене на алкохол в две различни чаши и ги поставете на слънце. Наблюдавайте колко време е необходимо за пълното изпаряване на течностите. (В зависимост от това колко е топло, това може да отнеме известно време.) Коя течност се изпарява по-бързо? Можете дори да определите скоростта на изпаряване, като претеглите чашките в началото и през целия си експеримент, за да разберете колко вода се губи поради изпаряване.

Наблюдения и резултати
Усещахте ли охлаждащата сила на водата и алкохола? И двете течности трябва да са студени на кожата ви. Духането на мократа ръка помага на водата и алкохола да се изпарят. Въздушният поток също така ще подпомага отдалечаването на топлината от вашата кожа. Трябва да сте забелязали, че кожата ви се чувства много по-хладна, когато поставите алкохола на ръка в сравнение с водата. Водата и алкохолът ще започнат да се изпаряват, когато започнете да духате на ръката си. В сравнение с водата алкохолът има по-ниска топлинна температура. Това означава, че за същото количество течност се постига по-голям пренос на топлина по време на изпаряването на водата в сравнение с алкохола.

Това обаче не отговаря на вашето наблюдение, че алкохолът има по-голям охлаждащ ефект от водата. Причината за това е, че количеството на топлообмена зависи и от скоростта на изпарение. Тъй като алкохолът се изпарява с много по-бързи темпове в сравнение с водата поради по-ниската си температура на кипене (82 в сравнение със 100 градуса С), той е в състояние да отнесе повече топлина от кожата. Това означава, че за определено време много повече алкохол се изпарява от водата. Вероятно сте забелязали това и когато правите допълнителна активност да поставите същото количество алкохол и вода на слънце и да следите скоростта им на изпарение. Други фактори, които влияят на скоростта на изпаряване, са повърхността, температурата и въздушния поток.

Почисти
Промийте всички неизползвани алкохолни напитки в мивката с много студена вода. Измийте ръцете си със сапун и почистете работното си място.

Още за изследване
Просто дръжте хладно - как изпаряването влияе върху отоплението и охлаждането, от научните приятели
Специфична топлина, топлина на изпаряване и плътност на водата от Khan Academy
Пот охлаждане на тялото, от HyperPhysics
Топлина на изпаряване на вода и етанол от Khan Academy
Научни дейности за всички възрасти! От Science Friends

Тази дейност ви донесе в партньорство с Science Buddies