"Секреты кипения воды"

ПАСПОРТ

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ

Название проекта (работы)	Секреты кипящей воды
Цели	рассмотрение процесса кипения воды с примесями различной концентрации.
Авторы	Кулишов Владимир, 10 класс
Руководитель	Беспалова Ольга Викторовна, учитель физики МОУ Есинской сш Ржевского района Тверской области
Тип проекта (работы): по доминирующей деятельности по предметно-содержательной области по количеству участников по широте охвата содержания по времени проведения по характеру контактов	информационно – поисковая естественно – научная индивидуальный в рамках одного предмета непродолжительный индивидуальный
Образовательная область	естествознание
Учебный предмет	физика
Используемые методы	изучение литературы, эксперимент, работа с графиками, создание диаграмм
Форма представления результатов	презентация
Источники информации	Интернет
Практический выход	Использование в рамках учебного процесса (в качестве демонстрационного компонента), во внеурочной деятельности для младших школьников

Муниципальное общеобразовательное учреждение

Есинская средняя общеобразовательная школа

Ржевского района Тверской области

Исследовательская работа

Секреты кипящей воды

Работу выполнил

обучающийся 10 класса

МОУ Есинской сш

Кулишов Владимир

руководитель

Беспалова Ольга Викторовна

Есинка 2022г

Содержание

Введение…………………………………………………………………3

Глава 1. Теоретическая часть……………………………………5

1. Особенности процесса кипения………………………………….5.

2. Условия кипения жидкости………………………………………6

Глава 2. Экспериментальная часть………………………………8

2.1. Будет ли кипеть вода в небольшом стеклянном сосуде,

помещённом в кипящую воду?..............................................................8

2.2. Зависимость температуры кипения воды от её вида…………..…9

2.3. Кипение воды с добавлением соли и сахара………………………9

2.4. Зависимость температуры кипения жидкости от давления…..…10

2.4.1. Уменьшение давления за счёт увеличения объёма

воздуха над поверхностью жидкости…………………………………10

Выводы и перспективы…………………………………………………11

Заключение………………………………………………………………11

Приложения……………………………………………………………..12

Информационные источники…………………………………………..16

Введение

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 процентного содержания примесей 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? И только ли раствор соли влияет на температуру кипения и время закипания воды?

Гипотеза.

Температура фазового перехода « вода – пар» зависит от:

1. содержания примесей в воде: растворение их в воде приводит к образованию новых электромагнитных связей между молекулами воды и ионами примесей, но при этом, возможно, уменьшаются силы взаимодействия (водородные связи) между отдельными молекулами воды.

2. давления над поверхностью воды.

Актуальность.

Мы удивляемся, восхищаемся, даем поэтические названия извергающимся гейзерам – очень редкому и красивому явлению природы, но привычно, без интереса смотрим на процесс кипения воды в кастрюле, наблюдая его ежедневно. Изучение процесса кипения жидкости является актуальной задачей и на сегодняшний день.

Цель: рассмотрение процесса кипения воды с примесями различной концентрации.

Задачи:

Изучить теоретические основы процесса кипения, особенности процесса кипения, стадии кипения, области использования процесса кипения.

Выяснить зависимость времени нагревания и температуры кипения от состава воды; зависимость температуры кипения жидкости от давления; познакомиться со сферами применения процесса кипения.

Методы: работа с интернет-ресурсами, проведение эксперимента, обработка и презентация результатов.

Предмет исследования: процесс явления кипения.

Объект исследования: вода с примесями различной концентрации.

Глава 1. Теоретическая часть

1.1. Особенности процесса кипения.

Кипение - это физический процесс интенсивного парообразования, который происходит в жидкости, как на свободной ее поверхности, так и внутри ее структуры. При этом в объёме жидкости, то есть на стенках сосуда образуются пузырьки, которые содержат воздух и насыщенный пар. Потребность в теории кипения велика: развитие энергетики, прежде всего атомной, теплотехники, электроники, автомобильной, авиа- и ракетной техники требует создания высокоэффективных теплообменных аппаратов кипящего типа, а значит и методов их расчета. Кипение может происходить при определённой температуре и давлении. Температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением, называется температурой кипения. Кипение происходит гораздо более интенсивно, чем испарение с поверхности, из-за образования очагов парообразования, обусловленных как достигнутой температурой кипения, так и наличием примесей. Кипение возможно не только при нагревании жидкости в условиях постоянного давления. Снижением внешнего давления при постоянной температуре можно также вызвать перегрев жидкости и её вскипание.

Кипение - одно из фундаментальных физических явлений, используемое в промышленных процессах. Наиболее эффективным способом охлаждения в атомных реакторах и при охлаждении реактивных двигателей является кипение. Процессы кипения также широко применяются и в химической промышленности, для отделения из раствора примесей, при производстве и разделении сжиженных газов, пищевой промышленности и др. Режим пузырчатого кипения воды используется в современных паровых котлах на тепловых электростанциях для получения пара с высокими значениями давления и температуры.

Кипение происходит при температуре, когда давление насыщенных паров сравнивается с давлением внутри жидкости. Эту температуру называют температурой кипения. Температура кипения определяется, температурой насыщенного пара.

Нахождение температуры кипения производится погружением термометра в пары кипящей жидкости, а не в самую жидкость. Температура кипящей жидкости может значительно колебаться. В кипящей жидкости устанавливается определённое распределение температуры - у поверхности нагрева жидкость заметно перегрета.

1.2.Условия кипения жидкости.

Колбу с холодной водой помещаем на плитку. Скоро дно и стенки сосуда покроются пузырьками. В этих пузырьках находятся воздух и насыщенные пары воды. При нагревании излишний воздух выделяется из воды в виде пузырьков. Внутри этих пузырьков происходит и испарение.

Пузырьки появляются в плохо смачиваемых местах стенок сосуда. Такими местами могут быть следы жира на стенке или мелкие трещинки на ней.

При неизменной температуре пузырек сохраняет свои размеры, значит, в состоянии механического равновесия сумма давлений воздуха и пара внутри пузырька равняется внешнему давлению вне пузырька, которое слагается из давления атмосферы и гидростатического давления окружающей жидкости. При повышении температуры внутреннее давление в пузырьке растет, пузырек начинает увеличиваться в размерах и постепенно расширяется настолько, что выталкивающая сила воды заставит его оторваться, подобно тому, как отрывается слишком тяжелая капля воды, повисшая на крыше. При этом между пузырьком и стенкой сосуда образуется все сужающаяся воздушная перемычка и, наконец, пузырек отрывается, оставляя у стенки небольшое количество воздуха, из которого с течением времени разовьется новый пузырек. Размер пузырька, способного оторваться от дна, зависит от его формы. Форма пузырьков на дне определяется смачиваемостью дна сосуда.

Поднимаясь кверху, оторвавшиеся пузырьки снова уменьшаются в размерах. Это связано с тем, что разные слои жидкости прогреты неодинаково. Когда пузырек достигает верхних, еще не успевших нагреться слоев воды, то значительная часть водяного пара конденсируется в воду и пузырек уменьшается. Давление в пузырьке стремительно падает, и пузырек захлопывается. Закипающая вода «шумит». Шум вызывается и еще одной менее существенной причиной – колебаниями жидкости, возникающими при отрыве пузырьков от дна сосуда.

Когда вся вода достаточно прогреется, поднимающиеся пузырьки уже не уменьшаются в размерах и достигают поверхности, выбрасывая пар во внешнее пространство. Шум при этом прекращается и начинается «бульканье» - вода закипела.

Таким образом, кипение – это переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости или на поверхности сосуда.

Значит, кипение происходит при такой температуре, когда давление насыщенных паров сравнивается с давлением внутри жидкости. Измерение температуры кипения производится погружением термометра в пары кипящей жидкости, а не в самую жидкость. Температура кипящей жидкости может значительно колебаться. В кипящей жидкости устанавливается определённое распределение температуры - у поверхности нагрева жидкость заметно перегрета. Величина перегрева зависит от ряда физико-химических свойств, как самой жидкости, так и граничных твёрдых поверхностей.

Для поддержания кипения к жидкости необходимо подводить теплоту, которая расходуется на парообразование и работу пара против внешнего давления. Таким образом, кипение неразрывно связано с теплообменом, вследствие которого от поверхности нагрева к жидкости передаётся теплота

(Приложение 1)

Глава 2. Экспериментальная часть

Температура кипящей жидкости может значительно колебаться. В кипящей жидкости устанавливается определённое распределение температуры - у поверхности нагрева жидкость заметно перегрета. Величина перегрева зависит от ряда физико-химических свойств, как самой жидкости, так и граничных твёрдых поверхностей. Выходя с поверхности жидкости, пар принимает температуру, отвечающую температуре насыщенного пара при давлении атмосферы.

Для поддержания кипения к жидкости необходимо подводить теплоту, которая расходуется на парообразование и работу пара против внешнего давления. Таким образом, кипение неразрывно связано с теплообменом, вследствие которого от поверхности нагрева к жидкости передаётся теплота.

2.1. Будет ли кипеть вода в небольшом стеклянном сосуде,

помещенном в кипящую воду?

Цель эксперимента: определить экспериментально достаточность подводимого тепла к малому сосуду от кипящей воды?

Гипотеза: вода в малом сосуде должна закипеть, так как она будет находиться при температуре кипения.

Оборудование: пробирка с водой, штатив с муфтой и лапкой, стакан с водой, электроплитка.

Все измерения проводились с помощью мультидатчика Releon Air из комплекта цифровой лаборатории Releon «Физика-5» на основе программного обеспечения Releon Lite.

Малый сосуд (пробирка) с водой помещен в стакан с водопроводной водой (не касаясь стенок стакана), стоящий на электроплитке.

В течение 20 минут наблюдал за водой в малом сосуде. Внешнее атмосферное давление составляло 770 мм. рт. ст.

Вывод. Вода закипела в большой колбе при температуре 100 ⁰С. Вода в малом сосуде, также находящаяся при температуре 100 ⁰С не закипела. Отсутствие кипения воды в малом сосуде можно объяснить тем, что для того, чтобы довести воду до кипения, недостаточно только нагреть ее до температуры кипения, надо еще сообщить ей значительный запас так называемой скрытой теплоты. Значит, источник теплоты, с помощью которого нагревалась воду в малом сосуде, имеет температуру 100 °С, он может довести воду в пузырьке также только до 100°С. Когда наступит это равенство температур, дальнейшего перехода тепла от воды стакана к пузырьку не будет. Вот почему вода в пузырьке хотя и нагревается, но не кипит. (Приложение 2)

2. 2.Зависимость температуры кипения воды от её вида

Цель: Убедиться в том, что температура кипения воды зависит от состава воды.

Оборудование: термометр, 4 химических термостойких стаканов, электрическая плитка, емкости с водой массой 100 г из различных источников.

В качестве исследуемых образцов была взята вода водопроводная з центральной системы водоснабжения п. Есинка, минеральная негазированная «Кашинская», минеральная газированная «Жемчужина Поречья»и кипячёная, отстоянная в течении 2 суток.

Опыт проводился при атмосферном давлении 770 мм рт. ст., температура окружающего воздуха 23ºС. По результатам опыта можно сделать вывод:

1. Температура кипения практически везде одинакова .

2. Время от начала нагревания до момента кипения разное. Минеральная газированная вода закипела быстрее, что обуславливается большим содержанием газа.

(Приложение 3)

2.3. Кипение воды с добавлением соли и сахара.

(влияние концентрации примесей на температуру кипения и время закипания).

Масса основного образца воды составляла 100 г. В качестве примесей были использованы соль поваренная не йодированная, сахарный песок и молоко. Масса добавок увеличивалась последовательно от 15г до 30 г, что соответствует плотности полученного раствора от 15г/см³ до 30 г/см³.

Оказалось, что соль повышает температуру кипения. На графике показана зависимость температуры кипения от количества примесей. Как видно, максимальная температура кипения, которую имела вода с примесями, составляет 106,4⁰С, и зависит от концентрации. Наличие и повышение концентрации сахара существенного влияния на исследуемые параметры воды не оказали. Примесь молока снизила температуру кипения, что объяснятся специфичностью протекания процесса кипения в чистом молоке (активное образование пузырьков, молоко «убегает»).

Температура кипения повышается потому, что в пузырьке воздуха содержится не только водяной пар, но и пары поваренной соли. А значит, при более высокой температуре пар становится насыщеннее. (Приложение 4)

2.4. Зависимость температуры кипения жидкости от давления над её свободной поверхностью.

Каждое вещество имеет собственную тем­пературу кипения. Очевидно, что ее значение определяется давлением насыщенного пара при данной температуре, поскольку кипение наступает тогда, когда давление насыщенного пара уравнивается с давле­нием в жидкости. Поэтому температура кипения жидкостей зависит от внешнего давления — чем оно выше, тем выше долж­на быть температура кипения, и наоборот. Графически зависимость температуры ки­пения воды от давления изображена на рисунке

2.4.1. Уменьшение давления за счёт увеличения объёма воздуха над поверхностью жидкости

Цель: Убедиться в том, что вода может закипеть при комнатной температуре.

Оборудование: прозрачный пластиковый шприц без иголки на 15-20 мл, вода, кусочек пластилина.

Выполнение опыта:

1. Набрать воду в шприц, чтобы она заняла примерно половину ее объема.

2. Двигать поршень вверх, выдавить пузырек воздуха из шприца.

3. Закрыть отверстие шариком из пластилина.

4. Потянуть поршень с силой вниз, вода в шприце закипит!

Вывод: на дне корпуса шприца стали образовываться быстро растущие пузырьки, которые поднимались вверх. В первый момент наблюдения процесс кипения шел достаточно бурно, а затем начал ослабевать. Вода закипает даже при комнатной температуре из-за уменьшения давления, создаваемого внутри шприца

(Приложение 5)

Выводы и перспективы дальнейших исследований

В данной работы мы смогли изучить процесс кипения, получить фотографии процесса нагревания воды и кипения. При обработке результатов проведённых экспериментов использовались возможности цифровой лаборатории «Releon» и программы «Releon-Air».

Выводы:

1.температура кипения остается постоянной во время кипения и зависит от количества и вида примесей, атмосферного давления и других внешних условий.

2.температура кипения зависит от величины давления над кипящей жидкостью. Чем выше давление, тем температура кипения больше и наоборот.

3.Воду можно «заставить» кипеть при комнатной температуре.

Мы считаем, что тема этой работа имеет перспективу на дальнейшее, более глубокое и детальное исследование.

Заключение

В ходе изучения темы кипение в вышеизложенной работе, я выполнил

поставленные в начале работы цели: изучил вопросы о понятии кипения, выделил этапы кипения, с объяснением причин происходящих процессов, определил признаки, условия и особенности кипения.

В работе рассмотрен вопрос – от чего зависит температура кипения. Цели были выполнены посредством изучения соответствующей литературы, а также путем проведения практических исследований.

Результаты практических исследований я оформил в виде таблиц, графиков и фотографий, что облегчает восприятие этой темы при ознакомлении с работой.

Выполнив данную работу, я сделал следующие выводы:
- физика встречается в решении бытовых задач, задач экономики, сельского хозяйства, научных исследованиях, технических вопросах;
- кто с детских лет занимается физикой, тот развивает свой ум и внимание, воспитывает волю и настойчивость в достижении цели;
- физика нужна и учителю, и врачу, и артисту, и художнику, и ребенку, и домохозяйке.

Физика - это важный, интересный, увлекательный и главное

необходимый во всех отраслях жизнедеятельности предмет.

Вам мой совет: учите физику на 5!

Приложения

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

№ п/п	Тип воды	Начальная температура	Температура кипения	Время закипания
1	Водопроводная	26	100,1	900
2	Минеральная негазированная	26	100,1	908,5
3	Минеральная газированная	26	99,3	771
4	Кипячёная	26	99,8	600

Приложение 4

Вода с примесями	Масса воды, г	Масса примеси, г	Время закипания, с	Температура кипения оС
Вода чистая	100	-	989	100,4
Вода+соль		15	898	103
		30	786	106,4
Вода+сахар		15	746	100
		30	565	100,4
Вода + молоко		15	780	96,4
		30	754	96,3

Время закипания Температура кипения

Приложение 5

Информационные источники

http://ru.picscdn.com/image/82bc6e5a/

http://www.sxc.hu/photo/271436

http://classfizika.ru/8_15.htm

http://www.k-nlo.ru/news/health/1365-uchenye-voda-predotvrashhaet-pereedanie.html

http://samlib.ru/s/staroshuk_w_a/1exp.shtml

http://phys-exp.livejournal.com/

http://www.cawater-info.net/all_about_water/?p=1492

http://yawall.ru/Voda-oboi-dlya-rabochego-stola-foto-izobrajeniya/51094-vodyanie-puzirki.html

http://wap.infan.ru/dir/animations/Наука/Science_2.gif/

6

Секреты кипящей воды

Исследовательская работа

Работу выполнил

обучающийся 10 класса

МОУ Есинской сш

Кулишов Владимир

руководитель

Беспалова Ольга Викторовна

Есинка 2022г

• 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.

Актуальность

Мы удивляемся, восхищаемся, даем поэтические названия извергающимся гейзерам – очень редкому и красивому явлению природы, но привычно, без интереса смотрим на процесс кипения воды в кастрюле, наблюдая его ежедневно. Изучение процесса кипения жидкости является актуальной задачей и на сегодняшний день.

 

Гипотеза

 

Проверка утверждения: температура фазового перехода « вода – пар» зависит от:

1. содержания примесей в воде

2. давления над поверхностью воды.

Цель: рассмотрение процесса кипения воды с примесями различной концентрации.

Задачи:

• Изучить теоретические основы процесса кипения, особенности процесса кипения, стадии кипения, области использования процесса кипения.
• Выяснить зависимость времени нагревания и температуры кипения от состава воды; зависимость температуры кипения жидкости от давления; познакомиться со сферами применения процесса кипения.

• Методы: работа с интернет-ресурсами, проведение эксперимента, обработка и презентация результатов.

Предмет исследования: процесс явления кипения.

Объект исследования : вода с примесями различной концентрации.

 

Условия кипения жидкости

Кипение - это физический процесс интенсивного парообразования, который происходит в жидкости, как на свободной ее поверхности, так и внутри ее структуры. При этом в объёме жидкости, то есть на стенках сосуда образуются пузырьки, которые содержат воздух и насыщенный пар.

Кипение происходит гораздо более интенсивно, чем испарение с поверхности, из-за образования очагов парообразования, обусловленных как достигнутой

температурой кипения , так и наличием

примесей .

Экспериментальная часть

• Будет ли кипеть вода в небольшом стеклянном сосуде, помещенном в кипящую воду?

• Цель эксперимента : определить экспериментально достаточность подводимого тепла к малому сосуду от кипящей воды.
• Гипотеза: вода в малом сосуде должна закипеть, так
• как она будет находиться при температуре кипения.

Вывод : Вода закипела в большой колбе при температуре 100 0 С. Вода в малом сосуде, также находящаяся при температуры 100 0 С не закипела . Недостаточно только нагреть ее до температуры кипения,

надо еще сообщить ей значительный запас так

называемой скрытой теплоты

2. Зависимость температуры кипения воды от её типа

Цель: Убедиться в том, что температура кипения воды зависит от состава воды.

Вывод : 1. Температура кипения практически везде одинакова .

2. Время от начала нагревания до момента кипения разное.

3 . Кипение воды с добавлением соли и сахара

Цель : выяснить, влияют ли примеси и их концентрация на процесс кипения?

Выводы : 1.соль повышает температуру кипения;

2. Наличие и повышение концентрации сахара существенного влияния на исследуемые параметры воды не оказали.

3. Примесь молока снизила температуру кипения,

4. Уменьшение давления за счёт увеличения объёма воздуха над поверхностью жидкости

Цель: Убедиться в том, что вода может закипеть при комнатной

температуре

Оборудование: прозрачный пластиковый шприц без иголки на 15-20 мл., вода, кусочек пластилина.

Вывод : Вода закипает даже при комнатной температуре из-за уменьшения давления, создаваемого внутри шприца

Выводы и перспективы

Вывод: изучив литературу о воде, ее свойствах, проделав опыты, мы пришли к выводу:

1.температура кипения остается постоянной во время кипения и зависит от количества и вида примесей, атмосферного давления и других внешних условий.

2.Температура кипения зависит от величины атмосферного давления над кипящей жидкостью.

Чем выше давление, тем температура кипения больше и наоборот.

3.Воду можно «заставить» кипеть при комнатной температуре.

Заключение

• Цели были выполнены посредством изучения соответствующей литературы, а также путем проведения практических исследований.
• Результаты практических исследований я оформил в виде таблиц, графиков и фотографий, что облегчает восприятие этой темы при ознакомлении с работой.
• Выполнив данную работу, я сделал следующие выводы: - физика встречается в решении бытовых задач, задач экономики, сельского хозяйства, научных исследованиях, технических вопросах; - кто с детских лет занимается физикой, тот развивает свой ум и внимание, воспитывает волю и настойчивость в достижении цели; - физика нужна и учителю, и врачу, и артисту, и художнику,

и ребенку, и домохозяйке.

Физика –

это важный, интересный, увлекательный и главное необходимый во всех отраслях жизнедеятельности предмет.

Вам мой совет:

учите физику на 5!

Информационные источники

 

• http :// ru . picscdn . com / image /82 bc 6 e 5 a /
• http :// www . sxc . hu / photo /271436
• http :// classfizika . ru /8_15. htm
• http :// www . k - nlo . ru / news / health /1365- uchenye - voda - predotvrashhaet - pereedanie . html
• http :// samlib . ru / s / staroshuk _ w _ a /1 exp . shtml
• http :// phys - exp . livejournal . com /
• http :// www . cawater - info . net / all _ about _ water /? p =1492
• http :// yawall . ru / Voda - oboi - dlya - rabochego - stola - foto - izobrajeniya /51094- vodyanie - puzirki . html
• http :// wap . infan . ru / dir / animations /Наука/ Science _2. gif /