Deux expériences standard sont utilisées pour démontrer la loi de Newton du refroidissement. La première consiste à chauffer un thermomètre, puis notez la vitesse à laquelle la température diminue à mesure qu'elle refroidit. Une autre consiste à chauffer une casserole d'eau, puis on enregistre la température avec un thermomètre à mesure qu'il refroidit. La courbe tracée peut être utilisé pour vérifier que la courbe de température aplanit que la température de l'objet se rapproche de la température ambiante, ce qui signifie que le taux de perte de chaleur diminue à mesure que les deux températures convergent.
Une déclaration de la loi
Isaac Newton a constaté que la température d'un objet chaud diminue à un taux proportionnel à la différence entre lui-même et la température ambiante. Par contrecoup, un objet plus froid que son environnement se réchauffe à une vitesse proportionnelle à la même différence.
La formule qui régit la loi est "T /" t = c (T - S), où T est la température de l'objet, S est la température ambiante, t est le temps et c est une constante de proportionnalité. "T est faible, puisque la loi est un taux de variation instantané.
La solution à cette équation différentielle est exponentielle dans la forme, et est écrit en termes de e de base (= 2,71828 ...). Parce que c est négatif, T va à S au fil du temps, t, devient grand.
deux expériences
Une expérience pour démontrer cette loi est de chauffer un thermomètre 20 ou 30 degrés au-dessus de la température ambiante. Ensuite, lorsque la source de chaleur est enlevée, démarrer un chronomètre pour prendre des lectures chaque minute.
Une expérience similaire est de chauffer un peu d'eau dans une casserole, puis enregistrer la température d'un thermomètre dans l'eau à intervalles réguliers que l'eau se refroidit.
Une variation commune est de poser la question suivante: Si vous voulez refroidir votre café aussi vite que possible, quand pensez-vous ajoutez le lait - au début ou à la fin de la période de refroidissement? Les élèves peuvent utiliser un récipient plus grand qu'une tasse de café, bien sûr, et voir ce que l'ajout d'un volume fixe de fluide froid à un mélange de refroidissement fait à la vitesse de refroidissement. Dans un essai, le volume serait ajouté au début. Dans le second, le volume sera ajoutée à la fin. Bien sûr, entre les essais, les volumes et les températures de départ devraient être tous égaux. Encore une fois, la température est mesurée à l'aide d'un thermomètre à intervalles réguliers.
Graphique
les points de l'expérience de données peuvent être représentées graphiquement de telle sorte que le logarithme naturel de l'excès de température (TS) est représentée graphiquement en fonction du temps. La pente sera égale à la proportionnalité constante c.
Les élèves devraient probablement aussi la température graphique T contre le temps t, juste pour voir le asymptotique (aplatissement) la nature de la courbe que le temps passe.
Cette expérience est l'occasion d'exposer les élèves à se connecter papier. Les TS de température en excès peuvent être représentées graphiquement par rapport au temps, t, et devraient sortir une ligne droite.
Graphing offre également l'occasion d'exposer les élèves à l'algorithme des propriétés, par exemple, que ln exp [x] = x. L'importance de prendre le logarithme de TS au lieu de simplement T peut souligner aussi, depuis qu'il a pris le logarithme de S + (T (initiale) - S) --- exp [ct] ne permet pas de convertir ct d'un exponent en un coefficient. En d'autres termes, ln (A + exp [x]) ne se réduit pas à la même simplicité que ln exp [x].
Complications
Notez qu'il existe trois façons dont la chaleur est perdue dans ces expériences: le rayonnement, la convection et l'évaporation. Par conséquent, si le mélange de ces trois arrive à changer à mesure que les changements de température, le graphique du logarithme de la température excessive pourrait finir tordu ou courbe, au lieu de droite.
Par exemple, la perte de chaleur par évaporation jouerait un rôle plus important à des températures plus élevées, lorsque l'eau est proche de l'ébullition. Si le chemin de la convection au-dessus d'un pot est bloqué, c varie. Si le chemin est bloqué pendant une partie de l'expérience, la pente du graphique de ln (TS) ne serait pas linéaire.
Futhermore, il se trouve que c est pas vraiment une constante, mais augmente avec S et TS. La gamme de températures ne sera probablement pas cependant être suffisamment large pour remarquer dans un projet de laboratoire étudiant,. Voir les résultats expérimentaux par Dulong et Petit à la page 246 de "A Text Book of Physics" de Poynting pour un graphe de cette variation.
Séparer le taux de rayonnement et par convection
expérience de refroidissement original de Newton (1701) impliqué principalement la perte de chaleur par convection à partir du fer chaud, avec une certaine perte par conduction et rayonnement. Une expérience pour mesurer seulement le taux de rayonnement nécessiterait un vide entourant l'objet de refroidissement, pour éviter la perte de chaleur par convection. La question est intéressante car elle pénètre dans les propriétés de la lumière (rayonnement), ainsi que la question de la façon d'estimer la température de loin des objets tels que le soleil. Dans les cas astronomiques, la courbe de rayonnement doit être déterminée pour S égale à la température de l'espace, qui Dulong et Petit ont essayé d'extrapoler, en effectuant des expériences à des températures de conteneurs successivement inférieures (1817). Après analyse théorique conduit Stefan et Boltzmann à des formulations plus précises.