Конкурс исследовательских и творческих работ обучающихся

Конкурс исследовательских и творческих работ обучающихся
«Первые шаги в науку»
Естественнонаучное направление.
Тема проекта:
«Исследование
зависимости
процесса парообразования от различных факторов»
Авторы: ученики 8а класса
Щукин М., Колмаков М.
Руководитель:
учитель физики Авдеева М.В.
Образовательное учреждение:
МБОУ «Горельская СОШ»
2013г.
1
Оглавление.
Введение
стр.3
Основная часть
стр.6
Заключение
стр.10
Библиографический список
стр.11
Приложения
стр.12
2
Введение.
Актуальность.
Роль воды в жизни нашей планеты удивительна и, как ни странно, раскрыта еще не
до конца. Но давно известно, что самим появлением жизни на нашей планете мы обязаны
воде. Вся практическая деятельность человека, с самой глубокой древности, связана с
использованием воды и водных растворов и для приготовления пищи,и для других
житейских надобностей. Вода-на первый взгляд, простое химическое соединение водорода
и кислорода, но именно она является универсальным растворителем значительного
количества веществ. Особенно ярко свойства растворителя проявляются в морской воде, в
ней растворяются почти все вещества. Около семидесяти элементов периодической
системы содержатся в ней в обнаруживаемых количествах. Очевидно, что с увеличением
солёности воды, т.е. с увеличением процентного содержания соли в ней, каким–то образом
должны изменяться её физические свойства: теплопроводность и электропроводность,
теплоёмкость, температуры фазовых переходов и другие. Достаточно большой интерес
вызывает, в частности, давно укоренившееся мнение о том, что в процессе приготовления
пищи добавлением соли в воду можно добиться более быстрого её закипания. Причиной
этого считается понижение температуры кипения воды при увеличении её солёности. Но
так ли это на самом деле? Мы решили проверить высказанное выше мнение об изменении
температуры кипения воды от её солёности.
Большой практический интерес вызывает также вопрос об испарении. Испарение
играет огромную роль в кругообороте воды в природе. От того, как оно происходит
зависит экологическая обстановка на всей планете. Мы решили выяснить от каких
факторов зависит скорость испарения жидкости.
Гипотеза.
Температуры фазового переходов воды вода –пар зависит от содержания солей в
воде:
растворение поваренной соли в воде приводит к образованию новых
электромагнитных связей между молекулами воды и ионами натрия и хлора, но при этом,
возможно, уменьшаются силы взаимодействия (водородные связи) между отдельными
молекулами воды. Если в целом потенциальная энергия молекул при этом увеличивается,
то, как следствие, должна быть увеличена и кинетическая энергия, необходимая для
разрыва связей между молекулами, то есть температура кипения с повышением
концентрации рассола возрастёт. И наоборот: если в целом потенциальная энергия
3
взаимодействия молекул с появлением ионов натрия и хлора уменьшается, то и
температура кипения станет ниже.
Скорость испарения жидкости зависит от многих факторов (внутреннее строение
жидкости, наличие ветра, температура жидкости, площадь поверхности ).
Проблема:
Как зависит температура кипения воды от ее солености?
От чего зависит скорость испарения?
Влияет ли оно на жизнь человека и планеты в целом?
Объект:
Процесс фазового перехода жидкость — пар.
Предмет:
Физические свойства жидкостей.
Цель :
Оценить изменения, происходящие во взаимодействии молекул воды и льда, при
повышенииконцентрации содержащихся в них солей, исследуя зависимость температуры
фазового перехода жидкость - пар.
Объяснить причины возникновения процесса испарения, как физико-химического
явления.
Исследовать процесс испарения в бытовых условиях.
Задачи :
Теоретическое описание взаимодействия молекул в зависимости от расстояния
между ними, изучение процессов фазовых переходов вещества с точки зрения
молекулярно-кинетической теории.
Получение исследовательских навыков: экспериментальное выяснение зависимости
температуры кипения воды от содержания в ней поваренной соли и факторов, влияющих
на
скорость
испарения;
объяснение
полученных
экспериментальных данных.
Методы:
Изучение литературы;
4
результатов,
оформление
Наблюдение;
Опыты.
Основная часть.
Теоретическое обоснование.
Прежде, чем рассмотреть результаты эксперимента, рассмотрим подробнее
процессы испарения и кипения.
5
Испарение - процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное,
происходящий с поверхности жидкости. Обратный ему процесс, при котором происходит
переход вещества из газообразного состояния в жидкое, называется конденсацией.
Испарению подвержены все жидкости, но при разных температурах и с разной скоростью.
Возможен также переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкость. Такой
процесс называется сублимацией или возгонкой. Повседневный опыт показывает, что
испарение идет быстрее, если образующиеся пары удаляются от жидкости. И наоборот,
если исключить удаление паров (например, закрыть бутылку с водой), то со временем
жидкость и пар приходят в равновесие - жидкость больше не испаряется, но и пар не
сгущается в жидкость. Пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называют
насыщенным. Как следует из названия, в данном объеме при данных условиях не может
быть помещено большее количество пара [4, стр.249].
С точки зрания молекулярного строения жидкости, испарение объясняется
следующим образом:
молекулы жидкости движутся с самыми разнообразными
скоростями. Поскольку для того, чтобы молекула с поверхностного слоя жидкости могла
вылететь за ее пределы необходимо совершить работу против сил сцепления, то
испаряются только молекулы, имеющие достаточную скорость и кинетическую энергию.
Жидкость покидают молекулы, обладающие кинетической энергией, достаточной для
преодоления
сил
притяжения
с другими
молекулами.
Вылетевшие молекулы
сталкиваются с другими и могут вернуться обратно в жидкость. Если вылетает больше
молекул, чем возвращается - жидкость испаряется. В противном случае происходит
конденсация.
Температура жидкости, с поверхности которой происходит испарение,
понижается. Испарение играет огромную роль в жизни человека [см. приложение 1],
благодаря испарению происходит круговорот воды в природе [см. приложение 2)].
Кипение - это интенсивное парообразование, которое происходит при нагревании
жидкости не только с поверхности, но и внутри неё. Кипение происходит с поглощением
теплоты. Большая часть подводимой теплоты расходуется на разрыв связей между
частицами вещества, остальная часть - на работу, совершаемую при расширении пара. В
результате энергия взаимодействия между частицами пара становится больше, чем между
частицами жидкости, поэтому внутренняя энергия пара больше, чем внутренняя энергия
жидкости при той же температуре. Кипение представляет собой переход жидкости в пар с
непрерывным образованием и ростом в жидкости пузырьков пара, внутрь которых
происходит испарение жидкости [4, стр.251]. В начале нагревания вода насыщена
6
воздухом и имеет комнатную температуру. При нагревании воды, растворенный в ней газ
выделяется на дне и стенках сосуда, образуя воздушные пузырьки. Они начинают
появляться задолго до кипения. В эти пузырьки испаряется вода. Пузырек, наполненный
паром,
при
достаточно
высокой
температуре
начинает
раздуваться.
Достигнув
определенных размеров, он отрывается от дна, поднимается к поверхности воды под
действием Архимедовой силы и лопается. При этом пар покидает жидкость.
Потенциальная энергия притяжения, которой также приписывается отрицательный знак, у
абсолютного большинства молекул по модулю много больше их средней кинетической
энергии, которая в свою очередь определяется температурой тела. Любая молекула, будучи
связана силами притяжения со своими соседками, находится в так называемой
потенциальной яме. В процессе испарения и кипения на разрыв связей со своими
соседями оказываются способны лишь те молекулы, у которых в результате хаотичного
движения значение кинетической энергии оказалось равно и выше, чем модуль
потенциальной энергии. С повышением температуры процентное содержание таких
молекул увеличивается, и с достижением температуры кипения процесс парообразования
протекает бурно, интенсивно [4, стр.252].
Исследование.
Оборудование: вода, спирт, два одинаковых стакана, чашка большого диаметра, картон,
электрическая плитка, колба, мензурка.
Зависимость скорости процесса испарения от различных факторов.
1. Зависимость испарения от температуры.
Ход опыта:
Нальем в два одинаковых стакана холодную и горячую воду. Отметим уровень воды в
стаканах. Через 12 минут вода в горячем стакане испариться быстрее.
Вывод:
Это происходит потому, что в подогретой жидкости
молекулы увеличивают
скорость под воздействием высокой температуры кинетическая энергия некоторых из них
увеличивается настолько, что они могут преодолеть энергию взаимодействия с другими
молекулами. Такие молекулы покидают поверхность жидкости, а остаются более
«медленные» молекулы.
2.Зависимость испарения от площади испаряемой поверхности, если температура
жидкости одинакова.
Ход опыта:
Нальем одинаковое количество горячей воды (для ускорения процесса опыта) в блюдца
7
разного диаметра при помощи мензурки. Через 10 минут опят ьпри помощи мензурки
проверим каким стал объем воды в этих емкостях. В большом сосуде
объем жидкости
стал меньше, т. е. испарилось большее количество воды.
Вывод: Чем больше поверхность жидкости, тем быстрее происходит испарение, так как
количество испаряющихся молекул будет больше на большей площади.
3.Зависимость испарения от ветра.
Ход опыта:
Намочим две одинаковых салфетки водой, проведем по доске две полосы,. Одну оставим
высыхать на воздухе, а на другую с помощью картона создадим «ветер». Через 3 минуты
первая полоса не высохла, а вторая высохла.
Вывод: Если воздух над жидкостью движется, скорость испарения увеличивается, так как
поток воздуха уносит испарившиеся молекулы и они уже не могут вернуться в жидкость,
т. е. исключается конденсация пара.
4.Зависимость испарения от рода вещества.
Ход опыта:
Намочим две салфетки разными жидкостями (водой и спиртом), проведем ими полоски на
доске.
Через 3
минуты спирт полностью испарился, полоса увлажненная водой,
оставалась сырой еще 10 минут.
Вывод: Скорость испарения
разных веществ не одинакова. Это зависит от сил
взаимодействия молекул данного вещества.
Зависимость температуры кипения воды от концентрации в ней соли.
Для того,чтобы установить, как температура кипения воды зависит от концентрации
в ней соли, мы приготовили несколько соляных растворов различных концентраций: 10%,
15%, 20%, 25%, 30% , 35%. Для их приготовления мы использовали дистиллированную
воду и поваренную соль. Мы растворяли определенное (в зависимости от нужной
концентрации) количество соли в 100 мл воды. Объём воды отмеряли с помощью
мензурки. Перелив эту воду в колбу, ставили её на электрическую плитку. Температуру
нагревания и кипения мы измеряли спиртовым термометром с ценой деления 1°C. При
нагревании и кипении масса каждой порции воды уменьшалась примерно на 5г. Это мы
определяли отдельно, измеряя объём рассола после окончания кипения, считая, что масса
соли в колбе не меняется. В процессе нагревания и кипения вода испарялась,
концентрация рассола росла. Именно с этим и были связаны погрешности измерений в
наших опытах. Поскольку уменьшение массы воды в результате испарения во всех опытах
было незначительным оп сравнению с массой воды в колбе, мы решили выполнить работу
8
без учета погрешностей [1].
Результаты измерений мы занесли в таблицу.
Номер
1
2
3
4
5
6
10
15
20
25
30
35
104
106
107,5
111
111,5
114
опыта
Концентрац
ия соли (%)
Температура
кипения
(ºС)
Заключение.
Работая над темой проекта мы нашли ответы на свои вопросы. Узнали, как
происходит испарение и от чего зависит его скорость, подробно изучили процесс кипения.
Люди активно используют процесс испарения в своей жизни, применяют его в
9
производстве различных механизмов и машин, используют в быту [см. приложение 3]. В
природе этот процесс происходит вне зависимости от деятельности человека и задача
людей – не нарушать этот процесс.
Особый интерес для нас описанные выше процессы представляют ещё и в связи с
тем, что изучение кипения и испарения, связанных с изменением внутренней энергии
вещества, позволяет сделать некоторые выводы о взаимодействии молекул. В некотором
смысле «приоткрыть занавес» в явлениях, не воспринимаемых невооружённым глазом.
Попробовать объяснить наблюдаемое на опыте изменение температур кипения и
закономерностей процесса испарения на основе молекулярно-кинетической теории,
опираясь на те знания, которыми мы уже владеем.
Для объяснения полученных в
эксперименте зависимостей нам необходимо было разобраться в особенностях процесса
растворения солей в воде. Молекулы воды представляют собой диполи, т.е. обладают
пространственно
разделёнными
зарядами
противоположного
знака.
В
кристалле
поваренной соли в узлах кубической решётки располагаются положительные ионы натрия
и отрицательные ионы хлора. При погружении кристалла соли в воду отрицательные
полюса ОН-молекул воды притягиваются электрическими силами к положительно
заряженным ионам натрия. К отрицательно заряженным ионам хлора молекулы воды
поворачиваются своим положительным полюсом Н+. Полярные молекулы воды отрывают
ионы с поверхности кристалла соли. Другими словами, молекулы воды связываются с
ионами соли, происходит процесс гидратации . Гидратация (от греч. hydro —вода) —
присоединение молекул воды к другим молекулам или ионам. Связь между молекулами
воды слабее, чем связь, образовавшаяся в результате гидратации. Поэтому молекула
пресной воды легче испаряется при более низкой температуре. А для того, чтобы молекула
разорвала связь с солью и другими молекулами воды, требуется больше энергии, т.е.
большая температура. Растворение поваренной соли в воде приводит к увеличению
потенциальной энергии взаимодействия молекул жидкой фазы [2]. Таким образом, мы
сумели объяснить на основе молекулярных представлений увеличение температуры
кипения воды при увеличении концентрации соли в ней.
Библиографичесий список
1.«Большая книга экспериментов для школьников» / под.ред А. Мейяни; -- М.:
ЗАО «РОСМЭН-ПРЕСС», 2006.
2. МякишевГ. Л, Синяков А. З.Физика.: Молекулярная физика. Термодинамика
10
10 класс: учебник для углубленного изучения физики –3-е издание –М.: Дрофа.1998.
3. Суорц Кл. Э. Необыкновенная физика обыкновенных явлений: Пер. с англ. В двух
томах; том 1 –М.: Наука.Гл. редакция физико-математической литерату-ры.
4. Г. Роуэлл, С. Герберт. Физика / Пер. с англ. Под ред. В. Г. Разумовского. –М.:
Просвещение, 1994.
5. naukaland.ru
6. ru.wikipedia.org
Приложение 1.
Процесс испарения в природе
•
Если бы все моря на Земле внезапно испарились, то некоторые из обнажившихся
гор оказались бы выше Эвереста ( 8848 м. ).
11
•
Реки растворяют в своих водах множество химических веществ, содержащихся в
горных породах, и уносят их в море. Одно из таких веществ – обыкновенная соль, которую
мы употребляем в пищу. Когда морская вода испаряется, растворенная в ней соль остается
в море. Вот почему моря такие соленые.
•
Бесконечный круговорот воды в природе позволяет человечеству обходиться пусть
и огромными, но все- таки конечными по своей сути мировыми запасами воды. Если
пофантазировать немного, то мы пьем воду, которую пили воины Александра
Македонского и купаемся в тех же водах, в которых купались бронтозавры Юрского
периода. За миллионы лет вода эта миллионы раз проделала путь по тому самому кругу,
который мы называем круговорот воды в природе.
•
Когда водяные капельки в облаке встречаются с массой теплого воздуха, они
испаряются – и облако исчезает! Поэтому облака постоянно меняют свою форму.
Содержащаяся в них влага постоянно превращается то в воду, то в пар. Капли воды,
содержащиеся в облаке, имеют вес, поэтому тяготение тянет их вниз, и они отпускаются
все ниже и ниже. Когда основная их часть, падая, достигает более теплых воздушных
слоев, этот теплый воздух заставляет их испаряться. Так получаются облака, из которых не
льется дождь. Они испаряются, и капли не успевают достичь земной поверхности.
•
Горячие горные породы, проникая снизу в земную кору, нагревают подземные воды.
Вода скапливается в подземных ловушках, нагревается до кипения и сразу превращается в
пар. Пару требуется большее пространство, чем той воде, из которой он образовался, и
поэтому он выталкивает находящийся над ним водяной столб. По мере того, как пар
перемещается на верх, давление внизу снижается, и в пар превращается еще большее
количество воды. Вместо того, чтобы спокойно вытекать на поверхность, вода мощной
струей вырывается наружу под воздействием выталкивающего ее пара – и мы видим
гейзер!
Приложение 2.
Круговорот воды в природе
В сильную жару реки, пруды и озера мелеют, вода испаряется, то есть из жидкого
состояния переходит в газообразное -- превращается в невидимый пар. Содержание паров
12
воды в воздухе называется влажностью воздуха. Она зависит от температуры. Так, воздух
при температуре +20 градусов по Цельсию содержит в 4 раза больше воды, чем при 0
градусов по Цельсию. Тепло – вот причина этого явления. В течении дня, вода луж,
прудов, озер, рек, морей, влага, содержащаяся в растениях нагревается Солнцем и
испаряется причем тем скорее, чем сильнее нагрета. Можно заметить это, если две
одинаковые тарелки наполнить разным количеством воды и одну из них выставить на
солнцепек, а другую поместить в тень. Там где вода нагревается солнечными лучами, она
будет испаряться заметно быстрее. Ускоряет испарение и ветер. Влажный лист бумаги на
ветру высохнет быстрее, чем оставленный там, где воздух спокоен и неподвижен.
Испаряется вода быстрее и там, где суше окружающий воздух. В жаркие сухие дни
человек потеет, но пот мало его беспокоит: он мгновенно высыхает. А когда стоит влажная
жара, то от пота намокает даже одежда. Но если влага постоянно испаряется из морей, рек,
озер, если она уходит из растений и исчезает в атмосфере, то почему же тогда Земля не
высыхает?
Это не случается потому, что вода совершает постоянный круговорот.
Испарившись, она поднимается вместе с нагретым воздухом, принимая форму
мельчайших капелек.
Более 70% поверхности земного шара покрыто водами мирового океана. Но было время,
когда морей не было вовсе. Ученые полагают, что около 3500 млн. лет назад наша Земля
была очень горячей и ее окружали огромные клубы пара. Постепенно земля остывала,
остывал и окружающий ее пар. Остывая, пар превращался в воду в атмосфере Земли и
наполнял впадины в земной поверхности, образуя первые на земле моря.
Вода на Земле постоянно перемещается с одного места на другое:
1.С поверхности моря непрерывно улетучиваются крохотные частицы воды,
невидимые невооруженным глазом. Они становятся частью окружающего нас воздуха
в виде водяного пара.
2. Это процесс испарения. Вода превращается в водяной пар с поверхности водоемов
практически в любую погоду. Но летом в жару, этот процесс идет значительно быстрее
и интенсивнее.
3. Воздух, поднимаясь к верху становиться холоднее. Очутившись на большой высоте,
водяной пар сгущается в крохотные капельки воды, которые зависают в воздухе в виде
облаков.
4. Ветер переносит облака по небу.
5. Крохотные капельки, образующие облака, объединяются друг с другом – как именно
это происходит, ученым пока неизвестно – и выпадают на землю в виде дождя.
6. Если воздух очень холодный, капельки в облаках замерзают и выпадают в виде
снежинок.
7. На вершинах гор снег лежит круглый год. Оттуда по горным склонам стекают
маленькие ручейки, подпитываемые тающим снегом.
8. Другие ручьи подпитываются дождевой водой. Все эти ручейки, ручьи со временем
впадают в большие реки.
9. Реки стекают с гор и в конце концов впадают в море. Таким образом, вода,
испарившаяся с поверхности нашей планеты, возвращается на нее.
Приложение 3.
Процесс испарения в жизни человека.
•
Испарение иногда бывает опасно. Например: если у вас разбился градусник, то из
него может вылиться ртуть, которая быстро испаряется. Её пары очень опасны и
13
•
•
•
•
•
•
•
ядовиты для человека. Бензин также опасен своими парами: розлив бензина и
случайная искра может привести к мгновенному взрыву и пожару.
На кухне хозяйка часто использует процесс испарения для приготовления и
сохранения пищи. Например: образующийся внутри кастрюли-скороварки пар
давит на воду, вследствие чего она закипает при более высокой температуре
(молекулам нужно больше тепла, чтобы преодолеть сопротивление давления), и
пища готовиться быстрее.
Процесс испарения часто используют при стерилизации посуды для
консервирования продуктов.
Сухой лед (углекислый газ в твердом состоянии) при соприкосновении с воздухом
или водой благодаря повышению температуры переходит непосредственно в
газообразное состояние, при этом выделяя большое количество холода. Это
свойство сухого льда используют при заморозке продуктов, сохранении
мороженого в жаркое время года.
В обычном бытовом холодильнике есть специальный агрегат, который называется
«Испаритель», именно в нем газ «Фреон» испаряется, забирая тепло из камер
холодильника, где может поддерживаться температура до – 18 градусов по
Цельсию!
При простуде люди часто используют процесс испарения при проведении
ингаляций лекарственными травами.
Ощущать долго аромат духов люди могут только благодаря испарению, сначала с
поверхности кожи испаряется спирт, а затем и менее летучие ароматические
вещества, которые продолжают напоминать о человеке даже, когда он ушел.
Процесс испарения с помощью горячей струи воздуха позволяет создавать
красивые прически. Работа парикмахера без фена невозможна!
14