Проектно-исследовательская работа "Баня глазами физика"

Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение

«Брылинская средняя общеобразовательная школа»

Каргапольского района Курганской области

Проектно-исследовательская работа

БАНЯ ГЛАЗАМИ ФИЗИКА

Выполнил: Черепанов Антон, 8 класс МКОУ «Брылинская СОШ»

Руководитель: Бояркина Юлия Леонидовна, учитель математики и физики МКОУ «Брылинская СОШ»

Брылино, 2021 год

Оглавление

Баня парит – здоровье правит.

Русская пословица

Введение

Баня является неотъемлемой частью жизни русского человека и предметом национальной гордости. Баня лечит, восстанавливает душевное равновесие. Одни получают удовольствие от жаркой бани и возможности попариться березовым или дубовым веником. Другие наслаждаются теплым влажным воздухом с различными ароматами. Когда находишься в горячей бане, невольно возникают вопросы: почему металлический ковш горячее, чем деревянный полок? Почему, когда плеснешь на раскаленные камни немного воды, происходит шипение и поднимается пар?

На уроках физики при изучении тепловых явлений мы смогли найти ответы на эти вопросы. Этим объясняется актуальность нашей работы.

Цель: рассмотреть тепловые явления, происходящие в бане, на основе физических процессов.

Задачи:

Изучить историю возникновения бани.

Рассмотреть физические процессы, протекающие в бане.

Сравнить скорость протекания физических процессов в различных банях.

Изучить виды энергосбережения в бане.

Гипотеза: Подготовка русской бани основана на физических процессах.

Методы, использованные в ходе исследовательской работы:

Сбор информации.

Наблюдение, эксперимент.

Метод обобщения информации.

Сопоставление, сравнение.

Метод описания.

Объект исследования: русская баня.

Предмет исследования: физические процессы, происходящие в бане.

Глава 1. Из истории бани

Баня берет свое начало с давних времен. У многих народов она считалась священным местом. Недаром говорится, что после мытья в бане, словно заново родился. Баня – это совокупность четырех стихий – огня, воды, воздуха и земли. Человек после бани становился здоровее, сильнее. Парную бани в России в 5 веке называли мыльная. Любой человек, бедный или богатый, мог очиститься в бане, которая была утешением от проблем, невзгод. Позднее приглашение гостя в баню стало основой гостеприимства. Сначала гость очищался в бане, затем его угощали едой и напитками.[1]

Первые бани строились из бревен. В 1090 году в Переславле построили кирпичную баню. Приезжие немцы, французы, побывав в русской бане, строили такие же в своих странах. Но мало кто из заграничных гостей мог выдержать высокую температуру русской бани. Умные иностранцы знали, что париться при высокой температуре полезно. Им было известно, что у русских есть субботний «банный день». Кто не имел бани, мог париться прямо в печи.

Русские целители, зная о пользе бани, помогали излечиться людям от некоторых болезней. В уставе Князя Красное Солнышко (так в народе именовали Владимира) имелись бани для «немогущих». Это были на Руси первые лечебницы своего рода. Известная целительница Евпраксия говорила, что бани укрепляют тело и дух человека.

В доме у каждого богатого или небогатого человека была баня. Совсем бедные ходили в общие бани. Ведь баня дарила удовольствие, спокойствие, избавляла от болезней, омолаживала душу. В предбаннике для утоления жажды ставили квас. Парились в основном березовыми вениками. В русской бане была комната с полками разной высоты. Чем выше полок, тем жарче.

В 17 веке был издан указ, на каком безопасном расстоянии от жилых домов должна быть построена баня. В домашних банях мужчины и женщины мылись вместе. Общие бани были разделены на женскую и мужскую половины.

Император Всероссийский Петр I говорил: «Баня - лучшее средство поправить свое здоровье». Он проявлял большое уважение к бане, а также поощрял их строительство, за постройку которых не взимались пошлины. «Эликсиры хорошо, а баня лучше», - высказывался Петр I.

Различалось два вида бань: «по-черному» и «по-белому». Бани «по-черному» располагались в небольших пятистенках, имели саму баню и предбанник, которые разделяли рубленой стеной. Дверь в баню была небольшого размера с высоким порогом, чтобы уменьшить поступление холодного воздуха из предбанника. Такие бани имели открытый очаг, который прогревал камни и стены в бане. Дым от очага выходил наружу через приоткрытую дверь и отдушину в потолке. Так как дым ходил по всей бане, то стены и потолок становились черными, копчеными. На лавках и полках копоть практически не скапливалась.

Белые бани появились на Руси позднее. Белая баня – это баня с печью и трубой. В такой бане имеется кирпичная, каменная или металлическая печь с уложенными в нее камнями для получения пара и котлом для нагревания воды. В такой бане нет копоти, сажи. Можно одновременно топить баню и мыться в ней.

Для того чтобы сделать процесс наиболее приятным для «души и тела», русские обставляли помещение бани различными атрибутами. Но каждая семейная баня отличалась друг от друга своим дизайном, температурным режимом и подходом к лечению болезней.[2]

Глава II. Исследование физических процессов в бане

В настоящее время строятся бани «по–белому». Пословица гласит: «Баню приготовить — что музыкальный инструмент настроить!». От качества приготовления бани зависит конечный результат. В ходе данной работы исследованы физические процессы, происходящие в бане с разными печами: железной и кирпичной.

Результаты проведённого анкетирования показали, что в селе каждая семья имеет баню. Преимущественно их строят из дерева, т.к. дерево обладает низкой теплопроводностью, редко – из пеноблоков. Большинство бань имеют предбанники для снижения перепада температур, уменьшения выхода теплого воздуха из бани.

Для приготовления бани в сельской местности в качестве топлива в основном используются дрова, преимущественно березовые, сосновые. В целях сохранения леса также используются старые доски, бревна, сучки обрезанных деревьев и т.д. Как показывают личные наблюдения, лучше горят сухие дрова, т.к. при горении влажных дров необходима дополнительная энергия для испарения из них воды. В зимнее время количество дров для нагрева печи, воздуха и воды расходуется больше, чем в летнее время. Это связано с тем, что начальная температура воды и воздуха зимой ниже, чем летом.

Процесс горения сопровождается процессом тяги. Тяга – это естественный приток воздуха, который обеспечивает горение. Тяга возникает при разности давления наружного воздуха и давления воздуха в топке и трубе. Чем больше разница давлений, тем больше тяга. Чем выше труба, тем больше разница давлений, тем лучше тяга. Поэтому высота трубы в бане достигает 3-4 метра для создания хорошей тяги.

Наблюдения показывают, что зимой тяга лучше, так как больше разница температур. Летом, наоборот, тяга хуже. Ухудшают тягу влажная погода, осадки из-за понижения атмосферного давления.

При горении топлива выделяется энергия, которая идет на нагревание котла, воды в котле, воздуха в бане. Сначала нагревается металлическая печь и труба. Вода в процессе теплопроводности постепенно нагревается от проходящей через котел трубы и от стенок котла. Также наблюдается конвекция, поэтому вода в котле горячее сверху. Одновременно нагревается воздух в бане. Нагревание воздуха осуществляется в основном с помощью излучения и конвекции. Конвекционные потоки переносят нагретый воздух от печи и котла по всему помещению. Чем меньше объем бани, тем быстрее в ней прогревается воздух. Результаты анкетирования показывают, что большинство бань имеют объемы 24-25 м3, реже 18-20 м3, очень редко более 25 м3 (включая предбанник).

Хозяева ставят холодную воду на пол в железных ведрах или в железной ванне у входа в баню, чтобы она дольше оставалась холодной. Ведь холодный воздух опускается вниз. Наши дедушки и бабушки пользовались деревянными кадками, т.к. материал был доступный, к тому же дерево имеет низкую теплопроводность.

Полок для парилки находится на высоте около метра от пола и ближе к печи, так как теплый воздух поднимается вверх. Для повышения температуры в бане мы плещем немного горячей воды на раскаленные камни. Очень быстро происходит кипение и парообразование, поэтому пар горячей струей резко распространяется вверх от камней. Внутренняя энергия горячего пара выше внутренней энергии воды при такой же температуре, поэтому необходимо соблюдать осторожность при плескании воды. [3] Стены исследуемой бани №2 обработаны вагонкой из сосны, между вагонкой и стеной находится фольга для предотвращения попадания конденсата на бревна.

В каждой бане особый запах. Пахнут стены, полок и лавки в зависимости от того, из какого вида древесины она изготовлена . Для создания особой атмосферы, лечебных процедур используются эфирные масла. Для лечения органов дыхания используют ароматы эвкалипта, мяты, укропа. Добавляют несколько капель масла на ковш горячей воды, поливают приготовленным раствором раскаленные камни.

Для поддержания в бане более высокой температуры необходимо добавлять дрова. После прекращения подбрасывания дров металлическая печь начинает остывать. Чем выше температура воды и воздуха в бане, тем дольше происходит охлаждение. Медленнее охлаждается вода в закрытом котле, чем в открытом. Дольше держится тепло в бане с кирпичной печью, чем с металлической, т.к. кирпич обладает низкой теплопроводностью. Поэтому раньше делали печи из кирпича с большими котлами, чтобы тепло сохранялось дольше, так как стирали белье вручную в бане.

Если в жаркой бане дотронуться до металлического ковша рукой, то мы почувствуем жжение. При этой же температуре мы можем с легкостью сидеть на деревянном полке. Это объясняется тем, что температура тела человека 36,6 0С, температура в бане 60-70 0С. Теплопроводность железа больше, чем дерева, поэтому тепло будет быстро переходить от железа к телу человека в точке соприкосновения и тело обожжется. В связи с этим саморезы или гвозди в скамьях и полках в бане утапливают в дерево.

Глава 3. Практическая часть

Проведено исследование в двух банях, с кирпичной и металлической печами. Для работы использовались весы, рулетка строительная, гигрометр волосной, часы, термометр спиртовой.

Изначально, когда подтопляем печь, запускается процесс выделения теплоты при сгорании топлива и процесс тяги воздуха. Первая партия дров прогорает и отдает тепло стенкам печи, они в свою очередь нагревают горные камни, воздух, воду в баке. Добавляем дров и всё происходит снова.

Если не добавлять дрова, то печь в бане начинает остывать. Благодаря кирпичам или горным камням это происходит не сразу.

Расчеты:

Рассчитаем выделившееся количество теплоты при сгорании дров по формуле:

Q = q m

Баня №1. Q1=1,0∙107Дж/кг ∙21кг= 210.000.000 Дж≈210 МДж

Баня №2. Q2= 1,0∙107Дж/кг ∙21кг= 210.000.000 Дж≈210 МДж

Рассчитаем количество теплоты, необходимое для нагревания воды по формуле Q=cm(t2-t1)

Баня №1. Qнв1= 4200 Дж / (кг∙0С) ∙80 кг ∙ (1000С -50С)=31.920.000 Дж≈32 МДж

Баня №2. Qнв2=4200 Дж / (кг∙0С) ∙70 кг ∙ (100-5)=27.930.000 Дж≈28 МДж

Рассчитаем массу воздуха в бане с помощью уравнения состояния идеального газа (уравнения Менделеева-Клапейрона) pV=(m/M)·RT, где

p- атмосферное давление

V- объём газа

m- масса газа, M- молярная масса

R- универсальная газовая постоянная(R=8,31 Дж/моль·К)

Т- температура (Т=t°C+273)

Для расчетов используем нормальное атмосферное давление р=105 Па.

Выведем из уравнения Менделева-Клапейрона формулу для массы воздуха m=(pVM)/RT

Примем молярную массу М воздуха =28,98 г/моль=0,028 кг/моль

Подставляем известные значения:

Баня №1. m=(105 Па * 18 м³ *0,028 кг/моль)/(8,31 Дж/(моль*К)*310 К)

Производим вычисления и получаем массу воздуха

m=19,6 кг

Подставим значение массы в формулу Q=cmΔt

Qн.возд=1005Дж/(кг* 0С)*19,6 кг *37 0С=728826 Дж

Баня №2. m=(105 Па * 16,2м³ *0,028 кг/моль)/(8,31 Дж/(моль*К)*330 К)

Производим вычисления и получаем массу воздуха

m=16,5 кг

Подставим значение массы в формулу Q=cmΔt

Qн.возд=1005Дж/(кг* 0С)*16,5 кг *57 0С=945 202,5 Дж

Рассчитаем количество теплоты, необходимое для нагревания печи.

Баня №1. Сначала подсчитаем примерное количество кирпичей. Получилось 254 шт. Находим объём одного кирпича: 0,00195м³. Перемножаем две эти величины и получаем объём всех кирпичей: 0,51675 м³. Мы знаем объём и плотность кирпичей (ρ=1450кг/м³). Выводим из формулы плотности (ρ=m/v) m=ρ·v m=1450·0,51675=749,2875 кг.

Q=880Дж/(кг*0С) *749,3 кг *1800С=118641600 Дж.

Баня №2. Масса камней и печи взяты из Инструкции по эксплуатации печи. Количество теплоты, затраченное на нагревание печи Q=500 Дж/(кг*0 С) *75 кг*3000С=11250000 Дж

Количество теплоты, затраченное на нагревание камней Q=920 Дж/(/(кг*0 С)*120 кг*5000С=55200000 Дж

Рассчитаем КПД бани.

Баня №1. η = Qп/Qз=70%

Баня №2. η = Qп/Qз=45%

При расчете КПД не учтено количество теплоты, затраченное на нагрев стен.

Рассчитаем стоимость дров для одного похода в баню. Зная массу и плотность сухих дров (m=21кг и плотность 390кг/м³), найдем объем дров. V≈ 0,05385м3. Средняя цена по Курганской области на берёзовые дрова за один м³ равна 1000 руб. Стоимость дров для одного похода в баню:53,85 рублей.

Рассчитаем затраты на электроэнергию. В бане горит 2 лампочки мощностью 60 Вт. Продолжительность потребления энергии 40 минут. А=120Вт*2400 с= 288000 Вт*с=288кВт*с=0,08 кВт*ч.

Для накачивания воды используется насос мощностью 225 Вт. Время работы насоса 7 минут. А = 225Вт*7мин=1575Вт*мин=0,02625 кВт*ч.

Стоимость электроэнергии, затраченная для приготовления бани (0,08 кВт*ч + 0,02625 кВт*ч)*2,44 = 0,26 р

Таким образом, стоимость приготовления бани 54,11 р. Без учета физического труда человека.

Сравнительная таблица

Изменение влажности воздуха в бане с металлической печью.

Начальная влажность воздуха в бане с металлической печью была 64%. В 17.00 ч. На печь налили 1 литр воды. Влажность воздуха заметно увеличилась до 80%. Затем при повышении температуры влажность постепенно уменьшалась. К концу топки влажность стала 34 %, так как температура воздуха стала высокой. В жаркой и сухой бане практически не образуется конденсат, что позволяет дольше сохраняться деревянным поверхностям.

1. Изменение влажности воздуха в бане с кирпичной печью.

Из графика видно, что влажность воздуха в бане с кирпичной печью изменяется незначительно.

Заключение

В ходе работы изучена подготовка бани. Её действие основано на физических процессах: теплопроводность, конвекция, излучение и др. Таким образом, гипотеза, что подготовка русской бани основана на физических процессах, доказана.

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

История бани уходит вглубь веков. Об этом свидетельствуют пословицы и поговорки.

Для подготовки бани используется много дров в качестве топлива. Поэтому при строительстве бани следует снижать потери энергии. Необходимо использовать вторичное сырье в качестве топлива в целях сбережения леса.

Скорость протекания физических процессов в банях с различными печами разная. От материала печи зависит время нагрева воды и воздуха, а также время охлаждения бани, влажность воздуха в бане и т.д. Каждая печь имеет свои достоинства и недостатки.

При дальнейшем изучении физики можно продолжить работу по расчету количества энергии для нагревания стен бани, изучения действия бани на тело человека.

Список литературы и используемых источников

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B0%D0%BD%D1%8F Баня

http://24banya.ru/banya-i-zdorove/istoriya-russkoi-bani.html Все о бане и о ее строительстве.

Сборник задач по физике для 7-9 классов под редакцией Лукашик В.И. и Ивановой Е.В.

Физика:8 класс: учебник/ А.В.Перышкин, Е.М.Гутник. М.: Дрофа. 2019,

https://yandex.ru/images/search?text=%D0%BA%D0%B8%D1%80%D0%BF%D0%B8%D1%87%D0%BD%D0%B0%D1%8F%20%D0%BF%D0%B5%D1%87%D1%8C%20%D0%B2%20%D0%B1%D0%B0%D0%BD%D0%B5&img_url=https%3A%2F%2Fbanyamsk.ru%2Fimages%2Fcms%2Fcontent%2Fpech-v-parilke.jpg&pos=2&rpt=simage&stype=image&lr=132185&source=wiz фото кирпичной печи

https://yandex.ru/images/search?text=%D0%B1%D0%B0%D0%BA%20%D0%B4%D0%BB%D1%8F%20%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D1%8B%20%D0%B2%20%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D0%B5%D0%B7%D0%B5%20%D0%BD%D0%B0%20%D0%BF%D0%B5%D1%87%D1%8C%20%D0%B2%20%D0%B1%D0%B0%D0%BD%D1%8E&stype=image&lr=132185&source=wiz фото печи в разрезе

Приложение 1

Справочная информация [4]

Теплопередача- процесс передачи внутренней энергии без совершения работы

Теплопроводность- явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте.

Конвекция- это вид теплопередачи, при котором внутренняя энергия передаётся струями самого вещества, делится на естественную и вынужденную.

Излучение-это вид теплопередачи в форме частиц или волн через пространство.

Испарение- парообразование, происходящее с поверхности жидкости.

Конденсация- это явление превращения пара в жидкость.

Температура кипения- температура, при которой жидкость кипит.

Относительная влажность воздуха- это отношение абсолютной влажности к плотности насыщенного водяного пара при той же температуре, выраженной в процентах.

Удельная теплота сгорания – количество теплоты, выделяемое при полном сгорании 1 кг топлива.

Тяга- процесс движения воздушных масс связанный с разницей давления воздуха на улице и в помещении.

Таблица 1.

Приложение 2

Результаты анкетирования

1 вопрос. Есть ли у вас баня?

2 вопрос. Из какого материала построена баня?

3 вопрос. Какие размеры у бани?

4 вопрос. Какая печь используется в бане?

вопрос. Какое топливо используется в печи?

вопрос. Какие пословицы и поговорки знаете о бане?

Баня парит- здоровье дарит.

Баня любую болезнь из тела гонит.

Кто в бане парится, тот не старится.

Тело парит - здоровье дарит.

Приложение 3.

Фотографии

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Советы по содержанию бани:

1. Для уменьшения потерь энергии хорошо утепляйте баню, особенно возле окон и дверей.
2. Наливайте в бак такое количество воды, которое необходимо, так вы сэкономите топливо.
3. При строительстве думайте наперёд: а нужна ли вам сли4шком большая баня?
4. Сделайте грамотный выбор печи: если вы хотите чтобы баня нагревалась быстро, но также быстро и остывала, то выбирайте железную, а если нужно чтобы баня долго нагревалась и долго остывала, то стоит остановиться на кирпичной.