XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование влияния газированности воды на объем льда, который получается при ее замерзании
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Вода является природным веществом, которое способно проявлять уникальные свойства. Известно, что при переходе из жидкого состояния в твердое вода способна увеличивать свой объем, а не уменьшать как другие вещества. Данное свойство воды в научной литературе объясняют тем, что при замерзании воды расстояние между атомами водорода и кислорода в образующейся кристаллической решетке увеличивается [4]. В то же время, известно еще одно свойство воды, которое проявляется при ее замерзании. Так, при снижении температуры воды в ней увеличивается количество растворенного атмосферного газа [5]. При замерзании воды и превращении ее в лед пузырьки газа могут зародиться и вырасти до видимых размеров [8]. В частности, было обнаружено, что в 1 мм3 льда может содержаться около шести пузырьков воздуха [6]. Таким образом, увеличение «газированности» воды может быть еще одной причиной увеличения объема воды при ее замерзании и превращении в лед. Подтверждением данной гипотезы стали результаты проведенного ранее эксперимента [1]. Однако в методике его проведения выявлен ряд недостатков. В частности, объем заполнения водой емкости для замораживания превышал 50%, использовались емкости только одного объема, не указано точное значение атмосферного давления. Кроме того, не было представлено данных о возможном изменении объемов под влиянием избыточного давления углекислого газа без замораживания воды.
В связи с этим, целью исследования является повышение точности определения объемов льда, получаемых при замораживании одинаковых объемов воды с разной степенью газированности.
Материалы и методы исследования
Объект исследования - вода минеральная природная столовая питьевая «Увинская жемчужина» газированная (ТУ 11.07.11-013-43686663-2020, изготовитель ООО «Водолей» пос.Ува, Россия) в полимерной бутылке объемом 1,5 литра. Массовая доля двуокиси углерода в газированной воде составила не менее 0,2% в соответствие с требованиями ГОСТ Р 54316-2011 (Воды минеральные природные питьевые. Общие технические условия. Газированность воды). Для контроля использовали ту же воду после дегазации путем помещения ее в открытую емкость и периодического перемешивания в течении 3 часов в помещении с температурой окружающего воздуха +24°С (комнатная температура) и атмосферном давлении 750 мм рт. ст. В качестве измерительных емкостей были выбраны шприцы медицинские объемом 50, 20 и 3 мл по 8 штук каждого. Все шприцы заполняли водой до метки, равной половине заявленного объема шприца: по 3 шприца каждого объема - газированной водой и по 3 шприца – дегазированной. После заполнения все шприцы поместили горизонтально в морозильную камеру бытового холодильника Атлант МХМ-1702 с температурой -20°С на 3 часа. После получения льда проводили измерение его объема по смещению поршней шприцев по сравнению с исходным их расположением. Для оценки возможного влияния избыточного давления газа на объем воды провели наблюдение за смещением поршня шприцев при комнатной температуре через 3 часа после предварительного заполнения по 1 шприцу каждого объема наполовину газированной и по 1 шприцу – дегазированной водой.
Полученные количественные данные представлены в виде среднего арифметического (М).
Результаты исследования и их обсуждение
В результате наблюдения были получены следующие результаты: в шприцах с газированной и дегазированной водой, находившихся при комнатной температуре 3 часа было установлено отсутствие значимых различий в смещении поршня. В связи с этим, был сделан вывод, что избыточное давление газа (сверх атмосферного) не повлияло на имеющийся внутри шприцов объем воды.
В ходе изучения смещения поршней шприцев с водой через 3 часа после извлечения их из морозильной камеры было установлено, что при замораживании одинакового объема газированной и негазированной воды образуется неодинаковый объем льда (таблица 1).
Таблица 1.
Результаты смещения поршней в шприцах с разными объемами через 3 часа после замораживания газированной и негазированной воды
|
Емкость |
Исходный объем воды, мл, n=3 |
Через 3 часа после заморозки, мл, n=3 |
|
|
Шприц 50 мл |
газированная |
25.0 |
47.7 |
|
дегазированная |
25.0 |
28.3 |
|
|
Шприц 20 мл |
газированная |
10.0 |
18.5 |
|
дегазированная |
10.0 |
11.3 |
|
|
Шприц 3 мл |
газированная |
1.5 |
2.5 |
|
дегазированная |
1.5 |
1.7 |
Полученные данные подтверждают результаты предыдущего опыта, свидетельствующие о том, что количество газа в воде влияет на объем льда, получаемый при ее замораживании. Однако, в отличии от предыдущего эксперимента, показавшего увеличение исходного объема газированной воды более, чем на 37% (против 12% дегазированной) [1], полученные новые результаты продемонстрировали большее увеличение объема для газированной воды. Так, для шприца объемом 50 мл увеличение объема составило 90% с газированной и 13% с дегазированной водой, для шприца объемом 20 мл: 85% и 13% соответственно, для шприца объемом 3 мл: 66% и 13% соответственно (рисунок 1 а, б). Полученные результаты свидетельствуют о том, что степень газированности воды перед ее замораживанием будет влиять на объем, получаемого из нее льда тем больше, чем больше будет объем замораживаемой воды.
а б
Рис.1. Фотография шприцов с газированной и дегазированной водой (обозначение К) до (а) и через 3 часа после замораживания (б).
Новые данные, полученные в эксперименте, открывают возможность их практического применения в различных отраслях народного хозяйства, в том числе, в пищевой промышленности, строительстве и медицине, за счет получения льда искусственным путем с новыми физическими свойствами. Так в пищевой промышленности можно использовать технологию хранения пресной воды в виде льда путем ее предварительной дегазации, что обеспечивает увеличение объема хранимой воды в ограниченном размерами хранилище [3]. Или создавать пищевой лед с особыми свойствами за счет насыщения его определенными газами (например, кислородом) [2]. В медицинских и биологических целях возможно создать технологию замораживания клеток и органов без риска их повреждения, поскольку наличие газа способствует формированию микротрещин льда, что является разрушительным фактором для находящихся во льду биологических объектов [7]. В строительстве возможно могут быть найдены решения таких проблем, как разрушение горных пород, морозное пучение грунта, повреждение водопроводных труб и других объектов, в которых находится вода.
Вывод
На увеличение объема воды при переходе ее из жидкого состояния в твердое влияет наличие в ней растворенного газа. Больший объем льда будет получен из воды с большим количеством растворенного в ней газа. Степень газированности воды перед ее замораживанием будет влиять на объем, получаемого из нее льда тем больше, чем больше будет объем замораживаемой воды.
Список литературы
Касаткина Н.А. Влияние газированности воды на объем льда, получаемого при ее замораживании. Старт в науке. 2017;5-2: 354-356.
Касаткина Н.А. Освежающий лед // Патент РФ №2620646. Патентообладатель Касаткина Надежда Антоновна. 2017. Бюл. № 16.
Никитюк Д.Б. и соавт. Способ хранения питьевой воды // Патент РФ №2620641. Патентообладатель Ураков Александр Ливиевич. 2017. Бюл. 16.
Ландау Л.Д., Китайгородский А.И. Физика для всех: Молекулы. М.: Наука, 1982.- 208с.
Bari SA, Hallett J. Nucleation and growth of bubbles at an ice-water interface. J Glaciol. 1974;13:489–520.
Carte AE. Air bubbles in ice. Proc Phys Soc London. 1961;77:757–768.
Kletetschka G, Hruba J. Dissolved Gases and Ice Fracturing During the Freezing of a Multicellular Organism: Lessons from Tardigrades. Biores Open Access. 2015;4(1):209-217. Published 2015 Apr 1. doi:10.1089/biores.2015.0008
Maeno N. Air bubble formation in ice crystals. In: Physics of Snow and Ice. Hokkaido University Collection of Scholarly and Academic Papers: Hokkaido, Japan; pp. 207–218; 1967.