Исследовательская работа "ЗАВИСИМОСТЬ ТЕМПЕРАТУРЫ КИПЕНИЯ И ВРЕМЕНИ ЗАКИПАНИЯ ЖИДКОСТИ ОТ НАЛИЧИЯ В НЕЙ ПРИМЕСЕЙ"

РАЙОННАЯ    НАУЧНО - ПРАКТИЧЕСКАЯ   КОНФЕРЕНИЦИЯ

УЧАЩИХСЯ     ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ      УЧРЕЖДЕНИЙ

НОВОНИКОЛАЕВСКОГО    МУНИЦИПАЛЬНОГО      РАЙОНА

«О, сколько нам открытий чудных…»

СЕКЦИЯ   «Юные  Архимеды» (физика)

ЗАВИСИМОСТЬ    ТЕМПЕРАТУРЫ     КИПЕНИЯ  

И    ВРЕМЕНИ    ЗАКИПАНИЯ    ЖИДКОСТИ

ОТ    НАЛИЧИЯ    В НЕЙ  ПРИМЕСЕЙ

Исследовательская работа

Капина Дмитрия Сергеевича, 03.12 1997 г.р.,  

р.п. Новониколаевский, ул. Советская, 26,

учащегося 8 «А» класса

Муниципального образовательного учреждения

«Новониколаевская средняя общеобразовательная школа № 3»

Новониколаевского района      Волгоградской области,

Руководитель работы –

Водянова Виктория Викторовна,

учитель  физики

р.п. Новониколаевский

2011

Аннотация

Вода – источник жизни на Земле. Она необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на планете. В ней протекают все химические процессы в организме. Для нормального функционирования организма нужна вода, не содержащая вредных примесей и механических добавок, т.е. хорошего качества.

Процесс кипения является одним из основных  процессов химической технологии. Также данный процесс широко используется в быту. Такое широкое использование процесса кипения, определяет необходимость его подробного изучения.

Целью данной работы является исследование зависимости времени закипания воды и температуры кипения от её качества и определение экономически выгодного способа нагревания воды.

Оглавление.

Введение_________________________________________________________4 стр.

  Основная часть____________________________________________________ 5 стр.

1. теоретическое обоснование ____________________________________ 5 стр.
2. практическое исследование ____________________________________ 8 стр.

 Заключение______________________________________________________  9 стр.

 Список использованных источников информации______________________ 11 стр.

 Приложение 1. Фазовая диаграмма воды ___________________________ _   12 стр.

 Приложение 2. Таблица 1 «Зависимость времени закипания воды от наличия

 примесей в ней».__________________________________________________  13 стр.

Приложение 3. Диаграмма 1 «Зависимости времени закипания воды от

 её качества и способа нагревания».__________________________________    14 стр.

Приложение 4. Таблица 2 «Зависимость времени закипания и температуры

 кипения воды от количества примесей в ней».__________________________ 15 стр.

Приложение 5. График 1  «Зависимость температуры кипени воды от  

концентрации примесей в ней».______________________________________  16 стр.

Приложение 6. График 2 «Зависимость времени закипания воды от  концентрации

примесей в ней».___________________________________________________ 17 стр.

Введение

Вода – источник жизни на Земле. Она необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на планете. Человек состоит из воды на 70-80%. В ней протекают все химические процессы в организме. Она принимает участие в усвоении клетками питательных веществ и в их транспортировке по всему организму, регулирует температуру тела, позволяет выводить из организма шлаки и другой «мусор». В день человеку нужно от 1,5 до 5 л воды. Чувство жажды приходит, когда мы теряем всего 1% жидкости, при обезвоживании на 10% человек теряет сознание, смерть наступает при потере организмом 12%-15% воды. Без воды человек может прожить максимум 5 дней. Но для нормального функционирования организма нужна вода, не содержащая вредных примесей и механических добавок, т.е. хорошего качества.

 Процесс кипения является одним из основных  процессов химической технологии. Кипение играет ключевую роль в таких энергоёмких процессах как перегонка и ректификация, на которые приходится значительная доля энергетических затрат на химических предприятиях.

Минимизировать энергетические затраты возможно при наличии точных методов расчёта процесса теплоотдачи. Это требует более детального исследования процесса пузырькового кипения растворов жидкостей и совершенствования методов расчёта теплоотдачи при кипении таких растворов.

Целью данной работы является исследование зависимости времени закипания и температуры кипения воды от её качества и определение экономически выгодного способа нагревания воды.

В ходе выполнения данного исследование необходимо решить задачи:

·  выявить зависимость времени закипания воды от её качества при нагревании

а) электрочайником,

б) на газовой горелке;

·  дать оценку зависимости времени закипания воды от её качества;

·  определить экономически выгодный способ нагревания воды.

Методы решения основных задач: анализ теоретической литературы работа с Интернет-ресурсами, эксперимент, наблюдение.

Здоровье каждого человека – в его руках. Анализируя результаты данной работы, я пришел к выводу, что можно, не неся больших материальных затрат, снабжать свой организм качественной водой, тем самым сохранять хорошее здоровье, а также экономить денежные средства из бюджета семьи. Результаты работы также заинтересуют тех граждан страны, которые стремятся к экономии семейного бюджета.

Основная часть

1. Теоретическое обоснование

Вода — прозрачная бесцветная жидкость, не имеющая запаха и вкуса. Химическая формула: Н2O. В твёрдом состоянии называется льдом или снегом, а в газообразном — водяным паром. Около 71 % поверхности земного шара покрыто водой[6].

Изучение физических свойств воды началось в 17 веке, задолго до того, как был определен её химический состав. Известно, что при атмосферном давлении вода кипит при 100 0С, а лед плавится при 00С. Но по химической структуре вода должна бы кипеть, а лед плавиться не при этих температурах, а при очень низких, которых на Земле не бывает. И тогда вода существовала бы в одном агрегатном состоянии – в виде пара. Но ведь жизнь всех живых организмов связана с водой в жидком состоянии.

Высокая удельная теплоемкость воды предопределяет большое ее влияние на климат. Основным терморегулятором климата являются воды океанов и морей: накапливая тепло летом, они отдают его зимой. Отсутствие водоемов на местности обычно приводит к образованию резко континентального климата. Благодаря влиянию океанов на значительной части земного шара обеспечивается перевес осадков на суше над испарением, и организмы растений и животных получают нужное им для жизни количество воды. Водная и воздушная оболочки земного шара постоянно обмениваются углекислотой с горными породами, растительным и животным миром, что также способствует стабилизации климата. Высокая удельная теплоемкость воды имеет большое биологическое значение. Вода нагревается впятеро медленнее песка. А чтобы нагреть на 1 0С литр воды, тепла потребуется в 3300 раз больше, чем для нагрева литра воздуха. Зато, когда вода остывает, она отдает столько же тепла, сколько взяла нагреваясь. Из-за этой исключительной способности воды обитателям водоемов никогда не угрожает ни сильный перегрев, ни чрезмерное охлаждение. С ростом температуры вещества его удельная теплоемкость, как правило, возрастает, но не у воды. Так, с повышением температуры от 0° до 37°С удельная теплоемкость воды падает, а в интервале от 37° до 100°С – растет. Поэтому она одинакова, например, при температурах 25° и 45°С, 10° и 74°С. При температуре 37°С реакции обмена веществ происходят наиболее интенсивно, т.е. создается наивыгоднейшее энергетическое состояние для человеческого организма. Известно, что при охлаждении вода сжимается, но достигнув 4 0С, она начинает уже расширяться, хотя температура и далее понижается. Поэтому вода самая плотная и тяжелая именно при + 4 0С. Эта особенность воды имеет биологическое значение: зимой, охладившись до 4 0С, вода опускается на дно и здесь сохраняется в течение всей зимы (в пресных водоемах), позволяя жить рыбам. Охладившиеся сильнее слои воды всплывают, т.к. их плотность и вес меньше, и превращаются в лед, таким образом, предохраняя водоем и его обитателей от глубокого промерзания.

В прямой зависимости от давления находится температура плавления и кипения воды. При давлении в 611,73 Па (около 0,006 атм.) температура кипения и плавления совпадает и становится равной 0,01 °C. Такое давление и температура называются тройной точкой воды (приложение 1).

При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар.

Удельная теплота парообразования воды почти в 7 раз выше ее удельной теплоты плавления. Эти свойства воды во многом определяют климат нашей планеты. Для испарения воды с поверхности океана даже в тропиках необходимо значительно больше солнечной энергии, чем для таяния льда. [7] Но, несмотря на всестороннюю изученность свойств воды, она по-прежнему остается одним из удивительных и загадочных веществ.

Когда жидкость - к примеру, та же вода - нагревается, её молекулы начинают двигаться быстрее. По мере повышения температуры скорость их движения растёт. В конце концов, некоторые из молекул начинают двигаться столь быстро и энергично, что полностью отрываются от поверхности жидкости. Они испаряются, то есть превращаются в пар или газ. Молекулы, которые движутся медленнее, остаются в прежнем состоянии, поэтому температура некоторых капель несколько понижается. Этот эффект называется испарительным охлаждением. Именно поэтому выделяющийся пот, испаряясь с поверхности кожи, охлаждает тело. Стремление молекул отрываться от поверхности жидкости называется давлением пара - то есть давлением для испарения. По мере того как жидкость нагревается, давление пара увеличивается и заставляет её испаряться быстрее. Скорость испарения жидкости возрастает, если вокруг много воздуха (или другого газа) - иными словами, места, куда можно испаряться, но при условии, что воздух (или газ) сухой. Вот почему мокрое бельё гораздо быстрее высыхает в солнечный (и ветреный) день, чем когда влажность воздуха повышена. Если продолжить кипячение жидкости, в ней начинают формироваться пузырьки, так как повышающееся давление пара становится сильнее давления жидкости, пузырьков образуется всё больше, пока температура не достигнет так называемой точки кипения, после чего жидкость уже не может стать горячее. Точка кипения - это температура, при которой давление пара жидкости становится равным давлению воздуха или газа вокруг неё, то есть внешнему давлению. Если поддерживать постоянную температуру кипения, то жидкость в конечном итоге испарится полностью. У каждого вещества своя температура кипения. Вода обычно кипит при 100 °С. Точка кипения жидкости зависит также от степени её чистоты. Жидкость с какими-либо примесями закипает при более высокой температуре, чем чистая. Вот почему, если добавить в воду соль,  сахар температура кипения повысится. Так что картофель быстрее варится в подсоленной воде. Концентрация раствора настолько сильно влияет на его точку кипения, что химики могут определить процентное содержание вещества, просто измерив температуру кипения раствора. Зависимость давления насыщенного пара от температуры объясняет, почему температура кипения жидкости зависит от давления на ее поверхность. Пузырек пара может расти, когда давления насыщенного пара внутри его немного превосходит давление в жидкости, которое складывается из давления воздуха на поверхность жидкости (внешнее давление) и гидростатического давления столба жидкости. Кипение начинается при температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках сравнивается с давлением в жидкости. Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения, и наоборот, уменьшая внешнее давление - понижается температура кипения. У каждой жидкости своя температура кипения, которая зависит от давления насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения соответствующей жидкости, т.к.. при меньших температурах давление насыщенного пара становится равным атмосферному. Критическая температура - это температура, при которой исчезают различия в физических свойствах между жидкостью и ее насыщенным паром. Представление о критической температуре ввел Д. И. Менделеев. При критической температуре плотность и давление насыщенного пара становятся максимальными, а плотность жидкости, находящейся в равновесии с паром, - минимальной. Особое значение критической температуры состоит в том, что при температуре выше критической ни при каких давлениях газ нельзя обратить в жидкость. Газ, имеющий температуру ниже критической, представляет собой ненасыщенный пар. На температуру кипения жидкости могут влиять различные факторы. Так как жидкости кипят при условии, что давление пара равно давлению окружающего воздуха, то изменение давления воздуха приводит к изменению температуры кипения. Давление воздуха зависит от высоты - чем выше, тем оно меньше. Поэтому на вершине горы вода закипает при более низкой температуре, чем на уровне моря. На высоте около 3000 метров вода закипает при 90 °С Альпинисты знают, что в горах плохо заваривается чай, потому что вода недостаточно нагревается. С другой стороны, увеличение давления заставляет жидкость кипеть при более высокой температуре. На этом основан принцип работы скороварки. Под давлением вода, прежде чем закипеть, становится гораздо горячее, так что пища готовится быстрее. При увеличении давления воздуха в два раза температура кипения воды повышается до 120 °С, и, например, картофель варится в два раза быстрее, чем обычно. Тот же принцип используется в стерилизаторах хирургических инструментов для уничтожения микробов. [4]

 Растворы, системы, состоящие из двух или более компонентов. По своему агрегатному состоянию растворы могут быть твердыми, жидкими или газообразными. Смесь бензина и воды не является раствором, поскольку эти жидкости не растворяются друг в друге, оставаясь в виде двух жидких фаз с границей раздела. Компоненты растворов сохраняют свои уникальные свойства и не вступают в химические реакции между собой с образованием новых соединений. Так, при смешивании двух объемов водорода с одним объемом кислорода получается газообразный раствор.. Компонент, присутствующий в растворе в большем количестве, принято называть растворителем, остальные компоненты – растворенными веществами. Повышение температуры кипения будет в общем тем большим, чем выше концентрация раствора, и для разбавленных растворов его можно считать пропорциональным концентрации.[3]

Температура кипения вещества зависит также от наличия примесей, обычно увеличиваясь с ростом концентрации примесей.. Если в жидкости растворено летучее вещество, то температура кипения раствора понижается. И наоборот, если в растворе содержится вещество менее летучее, чем растворитель, то температура кипения раствора будет выше, чем у чистой жидкости. Если предварительно освободить жидкость от растворенного в ней газа, то ее можно перегреть, т.е. нагреть выше температуры кипения. Это неустойчивое состояние жидкости. Достаточно небольших сотрясений и жидкость закипает, а ее температура сразу понижается до температуры кипения

2. Практическое исследование

Данное исследование заключалось в выявлении зависимости температуры кипения и времени закипания воды от наличия в ней примесей. Для достижения поставленной цели я использовал воду различного качества (дистиллированная вода для инъекций, водопроводная вода, отстоявшаяся вода и вода содержащая примеси (соль, сахар)). Также одной из целей исследования было выявление  экономически более выгодного способа нагревания воды. Полученные результаты представлены в таблице 1 (приложение 2). Из таб.1 видно, что время закипания воды возрастает в зависимости от содержания в воде примесей: самым маленьким временем закипания обладает дистиллированная вода, самым большим, по результатам наших исследований, - раствор сахара в воде. Так же в данной таблице представлена зависимость времени закипания воды от способа кипячения. Анализируя полученные результаты, делаю вывод,  что меньше времени на закипание воды  тратится при использование электрочайника. Данные результаты представлены в виде диаграммы (приложение 3). При проведении дальнейшего исследования ставим цель : выявить зависимость времени закипания воды от количества примесей в ней. Для этого используем растворы соли и сахара в воде различной концентрации. Результаты данного эксперимента приведены в таблице 2 (приложение 4). Из приведенной таблицы 2 видно, что время закипания воды и температура кипения возрастают с ростом концентрации примесей в ней. Наглядно данную зависимость можно увидеть на графике 1  и графике 2  (приложение 5,6 ).

Анализируя результаты эксперимента, установили:

1)  в электрочайнике вода закипает быстрее, чем на газовой горелке;

2)  дольше всего нагревается раствор сахара в воде, быстрее – дистиллированная вода;

3)  это соотношение (п.2) выполняется для нагревания как электрочайником, так и на газовой горелке.

4) По времени закипания исследуемых образцов делаем вывод о качестве воды: самой качественной является дистиллированная вода, водопроводная вода обладает плохим качеством.

По результатам исследования можно заключить, что сделанное нами предположение о зависимости времени закипания воды от её качества, её «чистоты» является верным: быстрее всего закипает дистиллированная  вода, как самая качественная из рассмотренных вариантов, дольше всего закипает раствор сахара в воде, т.е. является самой некачественной.

Мы живем в период мирового экономического кризиса, и когда мировая экономика придёт в нормальное состояние предугадать невозможно. В связи с этим материальные траты желательно уменьшить, а значит, не каждая семья может позволить себе тратить средства на приобретение очищенной воды. Поэтому вопрос о том, чем экономически выгоднее кипятить воду – электрочайником или в чайнике, поставленном на газовую горелку, будем решать для отстоявшейся воды, так как эта вода имеет хорошее качество в нашем исследовании и не требует дополнительных материальных затрат.

Время, затраченное на нагревание 0,5 литра отстоявшейся воды в электрочайнике мощностью 0,9 кВт составило 3,05 минуты или 0,051 часа. На газовой горелке этот объем воды был доведён до кипения за 3,22 минуты или 0,0537 часа.

Зная мощность электрочайника и время его работы, можно определить расход электроэнергии в кВт*час. (формула 1) , а умножив эту энергию на тариф, получим стоимость затраченной электроэнергии (формула 2).

А = Р*t* ( 1 )           Стоимость = Р*t *тариф ( 2 )

Стоимость = 0,9 кВт*0,051ч*2,53 руб., /(кВт*ч) = 0,1161 руб.

На нагревание 0,5 литра отстоявшейся воды на газовой горелке было затрачено 0,02 м3 природного газа (по показаниям счетчика). Зная, что 1 м3 природного газа стоит 2,980 рубля, и произведя несложные расчёты, мы получим стоимость закипания 0,5 литра воды на газовой горелке. 1 м3 – 2,980руб;   0,02 м3 - Х руб.

Х = (0,02 м3 * 2,980руб.) / 1 м3 = 0,0596 руб. – стоимость нагревания 0,5 л воды на газовой горелке. В условиях экономического кризиса нагревать воду намного выгоднее на газовой горелке.

Заключение

        В результате изучения и исследования данной темы можно сделать вывод о том, что цели и задачи, поставленные в начале данной работы, были реализованы.

В результате изучения и исследования данной темы можно сделать вывод о том, что цели и задачи, поставленные в начале данной работы, были реализованы.

Целью данной работы являлось исследование зависимости температуры кипения и времени кипения жидкости от наличия примесей, а также определение экономически выгодного способа нагревания воды.  В ходе выполнения исследования было установлено, что наличие примесей напрямую влияет на время закипания жидкостей. Доказано, что из-за разности плотности примесей и воды время на закипание разное. Было установлено, что дольше всего закипает вода содержащая больший процент примесей.

На основание проведенных исследований выяснили, что водопроводная вода имеет плохое качество. Самой качественной водой из исследуемых образцов является отстоявшаяся вода. Она быстрее всего закипает как в электрочайнике, так и на газовой горелке, что подтверждает ее качество.

Но в условиях мирового экономического кризиса, когда материальные затраты желательно уменьшить, не каждая семья позволит себе тратить средства на приобретение очищенной воды, поэтому экономически оправдано использование отстоявшейся воды. Поэтому экономически выгодный способ нагревания воды был определён для отстоявшейся воды. Оказалось, экономически выгоднее нагревать воду на газовой горелке, с учетом действующих тарифов на электроэнергию и газ.

Результаты данной работы показывают, что отстоявшаяся вода является водой хорошего качества. Ученики, не неся больших материальных затрат, могут обеспечивать свой организм качественной водой, тем самым сохранять хорошее здоровье, а также экономить денежные средства из бюджета семьи. Результаты работы будут интересны тем гражданам страны, которые стремятся к экономии семейного бюджета не в ущерб своему здоровью.

Также по результатам исследования было установлено, что наличие примесей влияет и на температуру кипения воды. Температура кипения воды возрастает с ростом концентрации примесей.  Из данных результатов можно также сделать важный вывод для экономии семейного бюджета. Так как температура кипения соленой воды и сахарного сиропа повышается, то следовательно сокращается время приготовления пиши в данных растворах, что позволяет сокращать энергетические затраты. Конечно для приготовления отдельно взятой кастрюли такая экономия незначительна, но в течении года может получиться значительная сумма.

Список использованных источников информации.

1. http://demo.home.nov.ru/toppage3.htm ;
2. http://ru.wikipedia.org/wiki/%C2%EE%E4%E0 ;
3. http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/TEMPERATURA_KIPENIYA.html;
4. http://www.physbook.ru/index.php/%D0%A2._%D0%9A%D0%B8%D0%BF%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5;
5. Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 200-201. ;
6. Арабаджи.В.В., «Загадки простой воды», М.: Знание,1973;
7. Горский В.В., «Вода – чудо природы», М.: Изд-во АНСССР, 1962;
8. Перышкин А.В. Физика. 8 класс: Учеб. для общеобразовательных учреждений. – 5-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2003 ;
9. Физика жидкого состояния. М., 1978 Новиков И.И. Термодинамика. М., 1984.

Приложение 1

Фазовая диаграмма воды

Приложение 2

Таблица 1 «Зависимость времени закипания воды от наличия примесей в ней».

Приложение 3

Диаграмма 1 «Зависимости времени закипания воды от её качества и способа нагревания».

Приложение 4

Таблица 2 «Зависимость времени закипания и температуры кипения воды от количества примесей в ней».

Приложение 5

График 1  «Зависимость температуры кипени воды от  концентрации примесей в ней».

Приложение 6

График 2 «Зависимость времени закипания воды от  концентрации примесей в ней».