Исследование физических свойств воды

Управление образования Минского областного исполнительного комитета

Отдел образования Жодинского городского исполнительного комитета

Государственное учреждение образования

«Средняя школа №6 г. Жодино»

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

Исследование физических свойств воды

(Секция «Физика»)

Выполнили:

Лойко Илья Игоревич,

Ермачёнок Даниил Витальевич, учащиеся 8 «В» класса

Жодино 2015

Содержание

Введение

Глава 1. Проверка опыта Мпембы

Глава 2. Исследование температуры замерзания воды в зависимости от концентрации соли

Опыт 1. Зависимость температуры кипения воды от концентрации растворённой в ней соли

Опыт 2. Зависимость температура кипения от атмосферного давления

Опыт 3. Зависимость температуры кипения от высоты столба жидкости в сосуде

Опыт 4. Зависимость температуры кипения от продолжительности кипения

Заключение

Литература

Введение

Аномальные свойства воды, определяющие, в том числе, и наличие жизни на Земле - её переменная плотность, высокая теплоёмкость и большое поверхностное натяжение, объясняются двумя типами структур, в которые самоорганизуются молекулы жидкости.

Учёным давно были известны 66 необъяснимых свойств воды, отличающих её от большинства других химических веществ, встречающихся в жидком состоянии. Так, в отличие от всех известных жидкостей, плотность которых монотонно увеличивается с понижением температуры, плотность воды максимальна при 4 градусах Цельсия, а при дальнейшем понижении температуры вновь начинает убывать. Это уникальное свойство воды делает возможной жизнь в реках и озёрах - в противном случае эти относительно мелкие водоёмы неизбежно промерзали бы до дна в зимний период и были бы лишены всех живых организмов, за исключением, может быть, простейших бактерий экстремофилов.

Вода обладает огромной теплоёмкостью - благодаря этому теплые океанические течения согревают многие северные регионы планеты, принося тепло из южных широт. Мы решили изучить некоторые свойства воды.

Цель работы: Определение уникальных свойств воды, связанных с замерзанием и кипением.

Задачи:

. Опытным путём проверить выполнимость эффекта Мпембы;

. Исследовать зависимость температуры замерзания воды от концентрации соли в ней;

. Исследовать зависимость температуры кипения воды от различных факторов.

Объект исследования: вода.

Предмет исследования: физические свойства воды.

Глава 1. Проверка опыта Мпембы

Что замерзает быстрее, холодная или горячая вода? По логике вещей ответ очевиден. Должна замерзнуть раньше холодная вода, потому что горячая должна ещё остыть до температуры холодной. Но нет, на самом деле раньше замерзнет горячая вода. Эти интересные факты о воде обнаружил в 1936 году студент из Танзании Эристо Б. Мпемба. Эффект Мпембы, или парадокс Мпембы - парадокс, который гласит, что горячая вода может замёрзнуть быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания.

Мы решили проверить на опыте «Эффект Мпембы». Ведь история знает один поучительный пример. Сколько ног у мухи? На этот вопрос ответить очень просто, не правда - ли? Достаточно поймать муху и сосчитать. У мухи 6 ног. Но! На протяжении более 2000 тысяч лет (примерно с 340 г. до н. э. и до конца 18 века), вся официальная наука утверждает - у мухи 8 ног. Источники ошибки - работы Аристотеля. Как уж он умудрился так ошибиться - не известно. Но как, почему, две тысячи лет ни один учёный не удостоился поймать муху и проверить так ли это?

Есть несколько вариантов объяснения этого парадокса:

)Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объём воды с той же температурой замерзает быстрее. В герметичных контейнерах холодная вода должна замёрзнуть быстрее.

)Наличие снеговой подкладки в морозильной камере холодильника. Контейнер с горячей водой плавит под собой снег, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозильника. Контейнер с холодной водой не плавит под собой снег. При отсутствии снеговой подкладки контейнер с горячей водой должен замерзать медленнее.

)Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвенции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу при дополнительном механическом перемешивании воды в контейнерах холодная вода должна замёрзнуть быстрее.

)Наличие центров кристаллизации в охлаждаемой воде - растворённых в ней веществ. При малом количестве таких центров превращение воды в лёд затруднено и возможно далее её переохлаждение, когда она остаётся в жидком состоянии, имея минусовую температуру. При одинаковом составе и концентрации растворов холодная вода должна замёрзнуть быстрее.

)Из-за разницы в энергии, запасённой в водородных связях. Чем теплее вода, тем большим оказывается расстояние между молекулами жидкости из-за увеличения отталкивающих сил. В результате водородной связи растягиваются, а следовательно, запасают большую энергию. Эта энергия высвобождается при охлаждении воды - молекулы сближаются друг с другом. А отдача энергии и означает охлаждение.

Но однозначного ответа на вопрос, какие из них обеспечивают стопроцентные воспроизводство Эффекта Мпембы, так и не было получено. Мы пытались воспроизвести опыт Мпембы, но он упорно не получался: всегда холодная вода замерзала быстрее. Морозили воду как в морозильной камере холодильника при различных температурах(-12°C, -15°C, - 18°С), так и на открытом воздухе на балконе (t = - 9°С).

Пытались в точности воспроизвести условия выполнения опыта Мпембы, описанные в причинах 1, 2, 3. И в этих случаях холодная вода замерзала быстрее. Но ведь отрицательный опыт, это тоже опыт.

Поэтому можем заявить, что эффект Мпембы не выполняется.

Глава 2. Исследование температуры замерзания воды в зависимости от концентрации соли

Каждую зиму во время гололёда мы наблюдаем, как дворники посыпают замёрзшие тротуары песчано-солёными смесями. При этом лёд начинает таять. Из курса физики 8 класса нам известно, что температура замерзания воды и таяния льда - 0°С. Почему же тогда лёд на тротуаре тает и при отрицательной температуре. Мы решили провести исследования зависимости температуры замерзания воды от концентрации соли.

Соляные растворы различной концентрации ставили в морозильную камеру холодильника. Температуру в морозильной камере можно менять. Полученные результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Исследование температуры замерзания воды в зависимости от концентрации соли

Масса воды, г.Масса растворенной соли, г.Концентрация соли, %Температура замерзания, °С1001010%От -1 до -31002020%От -5 до -61003030%От -8 до -101004040%От -14 до -15

Как видно из таблицы, с увеличением концентрации соляного раствора, температура замерзания воды уменьшается. Из этого опыта можно сделать соответствующий вывод и рекомендовать службам ЖКХ в сильный мороз не экономить на соли и обильнее посыпать скользкие места. Ведь это отражается на здоровье людей. Можно так же посоветовать автомобилистам в случае отсутствия специальной незамерзающей жидкости для омывания лобового стекла воспользоваться соляным раствором воды.

Опыт 1. Зависимость температуры кипения воды от концентрации растворённой в ней соли

Опыт проводился в один день на протяжении 1-1,5 часа. Так что все измерения фиксировались при постоянном атмосферном давлении. Фиксировалась температура воды на момент закипания. Глубина воды в кастрюле тоже была постоянной. Измерения проводились термометром с ценой деления шкалы 0,1°С с помощью измерения ±0,05°С. Данные опытов приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Зависимость температуры кипения воды от концентрации растворённой в ней соли

Масса воды, г.Масса растворённой соли, г.Концентрация соли, %Температура кипения, °С10000098100050598,310001001098,710001501599,4100020020101,0

Из таблицы видно, что чем выше концентрация соляного раствора, тем выше и температура кипения.

Рекомендации: для уменьшения времени приготовления пищи необходимо варить её в солёной воде. Варка будет происходить при более высокой температуре и, следовательно, быстрее сварится

Опыт 2. Зависимость температура кипения от атмосферного давления

В данном эксперименте мы хотели проверить справедливость утверждения о том, что температура кипения зависит от давления на поверхность воды. Так как в наших опытах сосуд с водой кастрюля был открытым, то внешним давлением на поверхность воды являлось атмосферное давление. Температура кипения замерялась на момент закипания воды. Точность измерения ±0,05°С. Данные опытов приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Зависимость температура кипения от атмосферного давления

Дата проведения опытаАтмосферное давление мм. рт. ст.Температура кипения воды °С06.02.201575298,307.02.201574398,008.02.201572896,909.02.201573897,810.02.201574898,1

Из таблицы 3 видно, что температура кипения воды с повышением атмосферного давления растёт. Данные можно представить в виде графика.

Рис. 1 Изменение t0C кипения от атмосферного давления

Рекомендации: так как часто стерилизуют в быту домашние хозяйки с помощью кипения, то лучшей стерилизации можно достичь, когда высокое атмосферное давление.

Опыт 3. Зависимость температуры кипения от высоты столба жидкости в сосуде

В данном опыте при прочих равных условиях мы кипятили воду, когда в кастрюле было 5, 10, 15, 20, 25, 30 см воды. Данные эксперимента приведены в таблице 4.

Теоретические объяснения опытов исследования кипения воды.

В воде всегда присутствует растворённый воздух. Известно, что чем ниже температура воды, тем больше воздуха в ней растворено.

Таблица 4 - Зависимость температуры кипения от высоты столба жидкости в сосуде

Уровень воды в кастрюле, см.Температура кипения, °С.597,91098,01598,02098,12598,33098,4

При увеличении температуры вода «избавляется» от лишнего воздуха - образуются маленькие пузырьки на дне, стенках сосуда и на всех предметах находящихся в ней пузырёк воздуха будет находиться в стабильном состоянии, если внутреннее давление воздуха в пузырьке и внешнее давление воды на него будут уравновешены. .

Рисунок 1 - Равенство внутреннего (p1) и внешнего (p2) давлений, действующих на пузырёк

Внутреннее давление можно рассчитать по формуле: P1 = nkT (1).Хотя это формула (1) для идеального газа, но в нашем случае будем приблизительно работать. В формуле в основном водного пара, K = 1,3810-23 Дж/К -постоянная Больцмана, Т - температура газа по шкале Кельвина. Внешнее давление

P2 = Pатм. + ?gh (2) - гидростатическое давление

? - плотность воды,

h - высота столба жидкости).

С увеличением температуры жидкости, а, следовательно, и воздуха в пузырьке, давление в нём растёт, он увеличивается в объёме. На пузырёк действует со стороны жидкости, Архимедова сила При достаточном объёме возникает достаточная Архимедова сила, способная оторвать пузырёк от дна сосуда. Он всплывает. По мере поднятия вверх из него интенсивно испаряется вода. Начинается процесс кипения. Вся подводимая к жидкости энергия уходит только на парообразование. Температура кипящей жидкости остаётся постоянной. Можно вывести формулу для температуры кипения:

(3)

В формуле (3) мы видим прямо пропорциональную зависимость между температурой кипения и атмосферным давлением (объяснение опыта 2), между температурой кипения и плотностью жидкости (объяснение опыта 1), между температурой кипения и высотой столба жидкости (объяснение опыта 3).

Опыт 4. Зависимость температуры кипения от продолжительности кипения

В этом опыте мы проверили гипотезу о постоянстве температуры кипения. К удивлению экспериментально было обнаружено, что с течением времени температура кипящей воды увеличивается.

Данные опыта приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Зависимость температуры кипения от продолжительности кипения

Время кипения, мин.Температура кипения, ºС.097,2597,31097,51597,82098,1

Попытаемся объяснить результаты опыта 4.

Обычная вода состоит из атомов водорода и кислорода (H2O). Но водород в природе представлен тремя изотопами: - обычный водород; - дейтерий; - тритий. Тритий радиоактивен и в свободной форме не встречается. А вот соотношение дейтерия с обычным водородом также молекулу воды, которая называется «тяжёлая вода». Действительно плотность «тяжёлой» воды больше. Больше у неё также и температура кипения. Обычная вода состоит из смеси обычных молекул и молекул тяжёлой воды примерно в том же соотношении 1: 4200. При кипении в первую очередь испаряются молекулы обычной воды и концентрация молекул «тяжёлой» воды увеличивается и температура кипения воды. Этим мы можем объяснить результаты опыта 4.

Заключение

В результате проделанной работы был экспериментально опровергнут Эффект Мпембы. Для оглашения отрицательных результатов, опровергающих Эффект Мпембы нужна решительность и смелость. Возможно это сенсационная «утка», которая копируется из одного Интернет-сайта на другой.

Так же установлена зависимость температуры кипения воды от насыщенности её солью. Подробно исследованы зависимости температуры кипения воды от различных факторов. По результатам исследований даны некоторые практические рекомендации.

Вода - одна из удивительнейших жидкостей в природе, и, поэтому, неисследованные свойств ещё очень много. В этом плане тема исследовательской работы кажется очень перспективной.

замерзание кипение вода соль

Литература

1. Эффект Мпембы: почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная

. Над какой загадкой бьются ученые со времен Аристотеля? Автор: Анатолий Пастухов