Σχεδίαση καμπύλης ψύξης

Το ζεστό τσάι που κρατιέται ανοιχτό κρυώνει, αλλά η θερμοκρασία του κρύου ροφήματος που κρατιέται στο ανοιχτό περιβάλλον γίνεται κανονική. Γιατί συμβαίνει; Γιατί τα κρύα ποτά δεν έγιναν πιο κρύα ή το τσάι πιο ζεστό; Η απάντηση σε αυτά τα ερωτήματα βρίσκεται στον νόμο του Νεύτωνα για την ψύξη, ο οποίος δηλώνει ότι ο ρυθμός ψύξης είναι ανάλογος με τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του περιβάλλοντος και του αντικειμένου. Σε αυτή τη γραφική παράσταση ενός υλικού μελέτης καμπύλης, θα μάθουμε για το θέμα λεπτομερώς.

Έννοια της μεταφοράς θερμότητας

Η θερμότητα τείνει να μετακινείται από την περιοχή της υψηλότερης θερμοκρασίας στη χαμηλότερη θερμοκρασία. Αυτό συμβαίνει επειδή κάθε αντικείμενο και ουσία λειτουργεί για να επιτύχει μια κατάσταση ισορροπίας. Το ίδιο συμβαίνει και με τη ζέστη.

Εξετάστε το παράδειγμα της ροής του νερού. Δύο κουβάδες, ο ένας γεμάτος και ο άλλος με πολύ λίγο νερό, συνδέονται. Σε αυτήν την περίπτωση, το νερό θα μετακινηθεί από τον κάδο μεγαλύτερου όγκου προς τον κάδο χαμηλού όγκου. Συνεχίζει μέχρι να γίνει λίγος ο όγκος και στους δύο κουβάδες.

Έτσι, το ίδιο συμβαίνει και με τη θερμότητα του αντικειμένου. Μετακινείται από μια περιοχή υψηλής θερμοκρασίας σε μια περιοχή χαμηλής θερμοκρασίας μέχρι να γίνει η ίδια.

Νόμος ψύξης του Νεύτωνα

Ο Νεύτωνας ήταν ο πρώτος που προσδιόρισε τη σχέση μεταξύ της θερμότητας που χάνεται από το σώμα και της θερμοκρασίας του. Ο νόμος ορίζει ότι ο ρυθμός απώλειας θερμότητας ποικίλλει άμεσα ανάλογα με τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του περιβάλλοντος και του συστήματος. Ο νόμος του Νεύτωνα μπορεί να αναπαρασταθεί μαθηματικά ως:

Εδώ m είναι η μάζα και s είναι η ειδική θερμότητα του υλικού.

Έτσι, η εξίσωση διευκρινίζει ότι η θερμοκρασία του συστήματος ή του αντικειμένου μειώνεται με το χρόνο.

Καμπύλη ψύξης

Η καμπύλη ψύξης είναι το γράφημα που δείχνει τη σχέση μεταξύ της θερμοκρασίας του σώματος σε σχέση με το χρόνο. Η κλίση της καμπύλης παρέχει το ρυθμό πτώσης της θερμοκρασίας αφού η ανταλλαγή θερμότητας προκαλεί την αλλαγή στην κατάσταση του αντικειμένου.

  Επομένως, η κλίση της καμπύλης ψύξης δείχνει επίσης την αλλαγή στην κατάσταση του αντικειμένου. Έτσι, η καμπύλη ψύξης είναι ένα γραμμικό γράφημα που χρησιμοποιείται για να χαρτογραφήσει την αλλαγή φάσης του γραφήματος.

Σχεδίαση καμπύλης ψύξης

Η καμπύλη ψύξης σχεδιάζεται για να προσδιοριστεί η σχέση μεταξύ της θερμοκρασίας του σώματος με το χρόνο.

Διαδικασία

• Το σύνολο του πειράματος φαίνεται στο παραπάνω διάγραμμα.

• Το θερμιδόμετρο γεμίζει με ζεστό νερό και καλύπτεται με ξύλινο καπάκι.

• Τοποθετούνται δύο θερμόμετρα, το ένα στο θερμιδόμετρο και το άλλο στο περίβλημα.

• Κάντε τη μικρή ένδειξη των θερμομέτρων (T_o του περιβλήματος) και μετά ξεκινήστε το ρολόι στάσης.

• Συνεχίστε να ανακατεύετε το νερό σε θερμιδόμετρο για ομοιόμορφη ψύξη.

• Όταν η ένδειξη του θερμομέτρου πέσει σημαντικά, σταματήστε το ρολόι και σημειώστε την ένδειξη.

• Συνεχίστε να ανακατεύετε το νερό και καταγράψτε την ένδειξη του θερμομέτρου. Αρχικά η πτώση της θερμοκρασίας θα είναι ραγδαία, αλλά θα μειώνεται με την πάροδο του χρόνου.

• Όταν η θερμοκρασία πέφτει πολύ αργά, σταματήστε το ρολόι και υπολογίστε χρησιμοποιώντας τις παρατηρήσεις.

Παρατηρήσεις

Η σημείωση των παρατηρήσεων του πειράματος: 

• Ελάχιστο πλήθος του θερμομέτρου που τοποθετείται στο νερό του περιβλήματος =____ 

• Η ελάχιστη μέτρηση του θερμομέτρου τοποθετείται σε θερμιδόμετρο =______

• Λάγιστος αριθμός χρονόμετρου =______

Πίνακας υπολογισμού

Σειριακός αριθμός	Ώρα (t)	Θερμοκρασία νερού σε θερμιδόμετρο (T °C)	Θερμοκρασία νερού σε περίβλημα (T0 °C)	Διαφορά θερμοκρασίας (T-T0)

Σχεδίαση καμπύλης ψύξης

Για να σχεδιάσουμε την καμπύλη ψύξης, μετράμε τη θερμοκρασία στον άξονα y και τον χρόνο στο x- άξονας.

Αποτέλεσμα

Από την καμπύλη ψύξης, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι αρχικά, η θερμοκρασία πέφτει γρήγορα. Στη συνέχεια, μετά από μερικά λεπτά, η πτώση γίνεται πιο αργή, και τελικά, μπορούμε να δούμε ότι γίνεται περίπου σταθερή. Έτσι αυτό αποδεικνύει τον νόμο του Νεύτωνα για την ψύξη.

Εφαρμογή της καμπύλης ψύξης 

Η καμπύλη Ψύξης έχει εκτεταμένη χρήση στην επιστήμη και στην καθημερινή ζωή. Μερικές από αυτές αναφέρονται παρακάτω.  

• Στα εγκληματολογικά εργαστήρια, λαμβάνεται υπόψη η θερμοκρασία του νεκρού σώματος και η θερμοκρασία περιβάλλοντος. Υπολογίζει τον ρυθμό πτώσης της θερμοκρασίας, ο οποίος βοηθά στον προσδιορισμό του χρόνου θανάτου του θύματος.

• Ο νόμος του Νεύτωνα για την ψύξη παίζει επίσης σημαντικό ρόλο στη μέτρηση της θερμοκρασίας του θερμαινόμενου μετάλλου. Οι σιδηρουργοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν την αρχή αυτού του νόμου και να προσδιορίσουν τη θερμοκρασία του μετάλλου, η οποία είναι δύσκολο να μετρηθεί με το θερμόμετρο.

• Θα λιώσει όταν το παγωτό διατηρείται έξω σε μέση θερμοκρασία δωματίου. Αυτό συμβαίνει γιατί η ζέστη αρχίζει να ταξιδεύει από τη γύρω περιοχή προς το παγωτό, γεγονός που αυξάνει τη θερμοκρασία του.

• Ο νόμος μας βοηθά επίσης να προσδιορίσουμε το χρόνο που θα χρειαστεί για να κρυώσει οποιοδήποτε μέταλλο.

Συμπέρασμα 

Μέσα από τις σημειώσεις αυτού του υλικού μελέτης σχετικά με τη σχεδίαση μιας καμπύλης ψύξης, κατανοούμε το θέμα λεπτομερώς. Οι καμπύλες ψύξης αποδεικνύουν τον νόμο της κίνησης του Νεύτωνα που δηλώνει ότι η ανταλλαγή θερμότητας είναι ευθέως ανάλογη με τη διαφορά θερμοκρασίας του συστήματος και του περιβάλλοντος χώρου. Ο νόμος του Νεύτωνα για τις καμπύλες ψύξης και ψύξης χρησιμοποιείται σε διάφορες βιομηχανίες.