Исследовательская работа "Удивительное свойство воды"

Опубликовано Ильина Татьяна Валерьевна вкл 13.12.2013 - 19:27

Автор:

Молодцова Олеся

Цель нашей исследовательской работы - подтверждение факта, что горячая вода при отрицательной температуре замерзает быстрее холодной и выявление условий, при которых этот процесс происходит быстрее.

Скачать:

Вложение	Размер
udivitelnoe_svoystvo_vody.rar	228.1 КБ

Предварительный просмотр:

Управление образования Администрации Северодвинска

Городской конкурс учебно-исследовательских работ

Школьников «Ученые будущего»

Удивительное свойство воды

Молодцова Олеся Михайловна

ученица 4А класса

МБОУ «СОШ № 20»

Руководитель:

Ильина Татьяна Валерьевна

учитель начальных классов

второй квалификационной категории

Северодвинск

2013 г.

Оглавление.

Введение……………………………………………………………………………….3

Глава 1. Ее величество вода.

Вода в нашей жизни……………………………………………………………..4
Свойства воды……………………………………………………………………4
Эффект Мпембы………………………………………………………….............5

Глава 2. Проведение эксперимента.

Опыт 1…………………………………………………………………………….7
Опыт 2…………………………………………………………………………….7
Опыт 3…………………………………………………………………………….7
Опыт 4…………………………………………………………………………….8
Опыт 5…………………………………………………………………………….8

Заключение…………………………………………………………………………….9

Литература……………………………………………………………………………10

Приложения.

ВВЕДЕНИЕ

Мы часто задумываемся над тем, что нас окружает в нашей жизни: почему сделано именно так? Когда было сделано? Кем придумано? Откуда берёт начало? Как работает? Такова природа человечества, что непременным условием его жизни было и будет стремление к постижению неизведанного.

Не так давно я увидела увлекательную передачу по телеканалу DISCOVERY. В ней говорилось о том, что горячая вода при отрицательной температуре замерзает быстрее холодной. Казалось бы, горячая жидкость не должна замерзать раньше. Ведь её температура должна сначала сравняться с температурой холодной жидкости. Меня очень заинтересовало это явление. Я спросила мнение родителей, почитала справочную литературу, посмотрела в Интернете. Сведений об этом явлении я нашла немного. Мне захотелось самой проверить так ли это, тем более для этого необходимы лишь вода, морозильная камера и емкости для воды. Результаты моих опытов легли в основу данной исследовательской работы.

Таким образом, цель нашей исследовательской работы - подтверждение факта, что горячая вода при отрицательной температуре замерзает быстрее холодной и выявление условий, при которых этот процесс происходит быстрее.

Гипотеза: предположим, что горячая вода при отрицательной температуре замерзает быстрее холодной, и на этот процесс влияет форма и материал сосуда.

Задачи работы:

Проанализировать имеющуюся по данному вопросу литературу.
Изучить некоторые свойства воды.
Провести опыты с горячей и холодной водой.
Сделать выводы.

Методы исследования:

самостоятельное рассуждение;
изучение литературы по теме;
изучение материалов из Интернета;
наблюдение;
эксперимент.

ГЛАВА 1. ЕЕ ВЕЛИЧЕСТВО ВОДА

1. 1. ВОДА В НАШЕЙ ЖИЗНИ

Вода – основа жизни на Земле, вещество привычное и необычное. Ученые абсолютно правы: нет на Земле вещества более важного для нас, чем обыкновенная вода. Почти 3/4 поверхности земного шара покрыты водой, образующей океаны, моря, реки и озера.

Велика роль воды в жизни на Земле. Живые организмы нашей планеты приспособились ко всяким условиям: к полному мраку, к жаре, к холоду. Но ни одно живое существо не может обходиться без воды. Все растения и животные содержат в себе воду, да и наше собственное тело на три четверти состоит из воды. Каждый человек пользуется водой для приготовления пищи и других бытовых нужд, для промышленных предприятий, для выращивания растений и животных. Человек выделяет воду из организма, когда потеет, дышит и ходит в туалет. Человеку для нормальной работы всего организма и хорошего самочувствия необходимо выпивать около 1 литра воды в день. Без воды человек может прожить не больше трех дней. [3, 18]

1. 2. СВОЙСТВА ВОДЫ

Так что же такое вода? Вода – это химическое вещество, которое имеет свои свойства. С некоторыми свойствами воды мы уже знакомы. Давайте вспомним их.

Свойства воды:

- прозрачна;

- бесцветна;

- без вкуса и без запаха;

- текуча;

- может находиться в трех состояниях: жидком, твердом и газообразном;

- может переходить из одного состояния в другое.

Для нас наиболее интересно последнее свойство. В третьем классе мы узнали, что вода при нагревании расширяется, а при охлаждении сжимается.

Когда вода сильно охлаждается, она превращается в твердое вещество - лед. А растаяв, лед снова становится водой.

Известно, что при длительном нагревании вода закипает. Температура кипения воды равна ста градусам. Кипящая вода используется в быту и на производстве. Горячую воду в природе можно встретить в гейзерах.

Достигнув температуры 100 градусов, вода закипает и крохотные пузырьки поднимаются к поверхности, лопаются, и высвобождается пар. При нагревании и кипячении над водой поднимается пар – происходит испарение. Испарение – это превращение жидкой воды в газообразную. Испарение происходит при любой температуре, но при более высокой испарение протекает быстрее. Например: лужи после дождя высыхают и жарким летом и холодной осенью, но летом высыхают быстрее чем осенью. [3, 17]

Пар, встретившись с чем-либо холодным, остывает и тогда снова превращается в капли воды. Происходит превращение газообразной воды в жидкую. Этот процесс называется конденсацией. Конденсация – это превращение водяного пара в воду. [3, 17]

С конденсацией водяного пара мы встречаемся в повседневной жизни. Летним вечером или ранним утром, когда воздух холоднее, выпадает роса. Это водяной пар, находящийся в воздухе, при охлаждении оседает на траве, листьях и других предметах в виде маленьких капелек воды. Облака также образуются в результате конденсации водяного пара. Поднимаясь над землей и водоемами в верхние, более холодные слои воздуха, этот пар и образует облака, состоящие из маленьких капелек воды. Если температура воздуха достаточно низкая, то капельки воды замерзают. Из таких облаков выпадает снег, а иногда и град. [6]

1. 3. ЭФФЕКТ МПЕМБЫ

Эффект Мпембы (Парадокс Мпембы) — парадокс, который гласит, что горячая вода при некоторых условиях замерзает быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания. Данный парадокс является экспериментальным фактом, противоречащим обычным представлениям, согласно которым при одних и тех же условиях более нагретому телу для охлаждения до некоторой температуры требуется больше времени, чем менее нагретому телу для охлаждения до той же температуры. [5]

Оказывается, над вопросом, почему горячая вода замерзает быстрее холодной, задумываются ученые уже много лет. Этот феномен замечали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт, однако лишь в 1963 году танзанийский школьник Эрасто Мпемба установил, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная. [1, 48]

Эрасто Мпемба из Танзании, будучи учеником средней школы, возможно, не знал о своих великих предшественниках. Однако современный этап этого многотысячелетнего спора начался именно с того наблюдения, которое он сделал в 1963 году. Более того, обсуждаемое явление так и называется «эффект Мпембы». Опыт же состоял в следующем. Во время школьной лабораторной работы ученики должны были приготовить мороженое: вскипятить молоко, охладить и затем поместить его в холодильник. Опасаясь, что времени для выполнения задания ему не хватит, Мпемба поставил в холодильник ещё горячее молоко, а потом обнаружил, что оно застыло раньше, чем порции мороженого, сделанные его коллегами. [1, 49]

Эрасто заинтересовался этим необычным явлением и проверил его на обычной воде. Результаты оказались аналогичными: кипяток замерз быстрее воды комнатной температуры.

Он обратился за разъяснениями к учителю физики, но тот лишь посмеялся над учеником, сказав следующее: «Это не всемирная физика, а физика Мпембы». Этот же вопрос Мпемба задал приехавшему в школу Деннису Осборну, профессору физики. Проведенная экспериментальная проверка подтвердила наличие эффекта, но не дала его объяснения. Об этом узнали физики, появились статьи в журналах. Про молоко стали постепенно забывать, и речь пошла в основном о воде. [2, 100]

До сих пор никто точно не знает, как объяснить этот странный эффект. У учёных нет единой версии, хотя существует много. Всё дело в разнице свойств горячей и холодной воды, но пока не понятно, какие именно свойства играют роль в этом случае: разница в переохлаждении, испарении, формировании льда, конвекции или воздействии разжиженных газов на воду при разных температурах. [1, 49]

ГЛАВА 2. ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

2. 1. ОПЫТ 1

Материалы: две стеклянные емкости цилиндрической формы объемом 200 мл.

Описание: в одну из емкостей нальем 100 мл кипяченой холодной воды с температурой 20º С, а в другую нальем 100 мл горячей кипяченой воды с температурой 100º С. Ставим их в морозильную камеру на максимальное расстояние друг от друга. Засекаем время. Прошло 2 часа 10 минут. Достаем сосуды. В емкости с горячей водой вода замерзла полностью, а в другой только покрылась ледяной корочкой. Поставив банки рядом, мы видим, что в банке с горячей водой, объем воды уменьшился. Когда лед растаял, мы измерили количество воды. В банке с холодной водой ее количество не изменилось, а в другой стало на 13 мл меньше.

Вывод: горячая вода замерзла раньше холодной (Приложение 1)

2. 2. ОПЫТ 2

Материалы: две стеклянные емкости цилиндрической формы объемом 200 мл, но более широкие.

Описание: нальем по 100 мл холодной и горячей воды. Ставим в морозильную камеру и засекаем время. Через 1 час 45 минут мы достаем банки и видим, что горячая вода замерзла полностью, а холодная лишь покрылась ледяной коркой. В банке с горячей водой содержимого опять стало меньше. Разморозив лед, мы видим, что вода испарилась на 12 мл.

Вывод: горячая вода замерзла раньше холодной (Приложение 2)

2. 3. ОПЫТ 3

Материалы: две стеклянных емкости объемом 200 мл, но «на ножках»

Описание: нальем по 100 мл холодной и горячей воды. Ставим в морозилку и засекаем время. Для полного замерзания горячей воды понадобилось 2 часа 45 минут. А холодная вода опять замерзла не вся, лишь только ее верхняя часть. А также горячая вода испарилась на 13 мл.

Вывод: горячая вода замерзла раньше холодной (Приложение 3)

По результатам опытов нами составлена таблица:

Форма сосуда	Время замерзания
	Горячая вода	Холодная вода
	2 ч 10 мин	3 ч 15 мин
	1 ч 45 мин	2 ч 50 мин
	2 ч 45 мин	3 ч 40 мин

Выводы:

Во всех трех опытах при отрицательной температуре горячая вода замерзла быстрее, чем холодная. Форма сосуда на это не влияет.
Форма сосуда влияет на время замерзания воды. Дно должно быть широким и касаться замораживающей поверхности, тогда вода быстрее замерзнет.
Горячая вода испарилась на 12 – 13 мл.

2. 4. ОПЫТ 4

Материалы: две пластмассовых емкости цилиндрической формы объемом 200 мл.

Описание: нальем по 100 мл холодной и горячей воды. Ставим в морозильную камеру и засекаем время. Через 2 часа 15 минут достаем сосуды. Горячая вода замерзла полностью, а холодная опять частично, покрылась коркой льда. Измерим объем воды. Холодная вода осталась в том же количестве, а горячая уменьшилась на 13 мл. Особых отличий в результатах первого и четвертого опытов мы не видим.

Вывод: горячая вода замерзла раньше холодной (Приложение 4)

2. 5. ОПЫТ 5

Материалы: две металлических емкости цилиндрической формы объемом 200 мл.

Описание: нальем по 100 мл холодной и горячей воды. Ставим в морозильную камеру и засекаем время замерзания. Горячая вода замерзла через 1 час 55 минут. Холодная вода покрылась коркой льда. Уменьшилось количество горячей воды на 12 мл.

Вывод: горячая вода замерзла быстрее холодной. (Приложение 5)

Результаты опытов мы оформили в таблицу:

Материал, из которого изготовлены емкости	Время замерзания
	Горячая вода	Холодная вода
Стекло (опыт 1)	2 ч 10 мин	3 ч 15 мин
Пластмасса	2 ч 15 мин	3 ч 25 мин
Металл	1 ч 55 мин	3 ч 05 мин

Выводы:

1. Во всех трех опытах при отрицательной температуре горячая вода замерзла быстрее, чем холодная. Материал сосуда на это не влияет.

2. Материал сосуда влияет на время замерзания. В металлической емкости вода замерзает быстрее, чем в других.

3. Горячая вода испарилась на 12 – 13 мл.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В нашей работе мы рассмотрели роль воды в нашей повседневной жизни. Затем изучили свойства воды. Познакомились с эффектом Мпембы.

Чтобы выяснить, какая вода замерзает быстрее при отрицательной температуре, мы провели ряд опытов. В каждом опыте мы брали одинаковое количество воды. Температура холодной и горячей воды была 20ºС и 100ºС соответственно.

Факт, что горячая вода при отрицательной температуре замерзает быстрее холодной, подтвердился. Мы предполагали так же, что на это могут влиять форма и материал сосуда. В результате проведенных опытов выяснили, что форма и материал сосуда не влияют на то, что горячая вода замерзает быстрее холодной. Однако, мы установили, что форма и материал сосуда влияют на скорость замерзания воды. Сосуд, в котором вода замерзает быстрее, должен быть следующим: из металла, широкое дно касается замораживающей поверхности. Таким образом, цель исследовательской работы была достигнута.

При проведении опытов нами замечен интересный факт: объем горячей воды уменьшался на 12 -13 мл, вода испарялась. Думаем, что это может быть одной из причин, которые влияют на скорость замерзания воды, ведь меньшему количеству воды необходимо меньшее количество времени для замерзания.

Удивительное свойство воды, случайно открытое Мпембой, мы можем использовать в нашей жизни. Думаю, если каток или детскую горку заливать горячей водой, то они быстрее замерзнут.

Если вы надумали помыть свой автомобиль зимой, то лучше не делать это горячей водой, иначе отдельные части машины могут замерзнуть, например, дверные ручки или дворники.

Сладкоежки могут приготовить фруктовый лед, мороженое в домашних условиях из горячих напритков, при этом затратив меньше времени.

«Эффект Мпембы» помогает сэкономить наше время.

Очень хотелось бы, чтобы ученые пришли к единому мнению и нашли причину такого интересного явления. Возможно, это привело бы к новым открытиям и еще больше упростило нашу жизнь.

Мы планируем в дальнейшем продолжить исследование. Направления могут быть разные: замораживание жидкостей, в состав которых входит вода (например, фруктовые напитки, газированные жидкости и др.), замораживание молока, опыты с изменением температуры жидкостей, температуры замораживающей поверхности.

ЛИТЕРАТУРА