XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Таинственный лёд
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Что вы представляете, когда слышите слово лед? Я – теплый шарф, коньки, ледяной городок и горячий чай, любимую сказка детства Х.К. Андерсена “Снежная королева” и мультфильм “Ледниковый период”, красивыми фигурами. Для мамы лед – это свежие продукты и красота, для папы – скользкая дорога, а для брата – игра в хоккей. Но всё ли так просто?
Лед – это только развлечение или что-то более глубокое и серьезное?
Я решил разобраться в этом вопросе подробнее и вот что получилось!
Цель: изучить виды льда и его применение в жизни человека
Задачи
Определить значимость свойств льда;
Изучить рол льда в жизни людей.
Провести серию опытов по изучению свойств льда.
Раскрыть значение льда в жизни человека.
Изучение информации по данному вопросу.
Получение горячего льда и сухого льда
Узнать области применения льда, технологию производства
Объект исследования: лёд
Предмет исследования: процесс образования льда
Методы исследования:
- изучение литературы, материалов интернета;
- обобщение и систематизация полученной информации;
- анкетирование;
- анализ полученной информации.
Гипотеза: Лед – это всегда холод.
В начале своего исследования я обратился к толковым словарям, что бы узнать, что такое лёд. Дмитрий Николаевич Ушаков в «Большом толковом словаре современного русского языка» дает такое понятие: “Лёд - сложные шестигранные кристаллы, образованные водой, замерзшей при температуре 0 °С или ниже». В словаре Сергея Ивановича Ожегова написано так: “Лёд - замёрзшая и затвердевшая вода”.
Прежде, чем выполнить свою работу я решил спросить у своих одноклассников и друзей, что они знают про лед?
Я провел анкетирование, в котором участвовало 36 человек. Оказалось, что
мои друзья и одноклассники знают, что такое лед?
На вопрос, каким бывает лед, ответы были следующими:
На вопрос какая вода замерзнет быстрее?
Бывает ли съедобный лёд?
6 Может ли лед обжечь?
7 Если лед положить в воду, то он останется плавать на поверхности?
В результате опроса, я понял, что ребята знают о том, что такое лед, но ничего не знают о том, каким разным он бывает.
Что такое лёд
Лёд – это вода в твердом состоянии. Мы часто встречаем его в повседневной жизни: в холодное время лёд затягивает реки и озера, появляется в виде ледяных узоров на окнах, сосульках на крышах. Мы ежедневно видим его в холодильнике. Лёд выполняет важную роль на Земле: участвует в круговороте воды в природе, снабжает нашу планету огромным объёмом пресной воды и сдерживает глобальный уровень воды в мировом океане.
Лёд в природе существует во всех разновидностях на поверхности Земли:
атмосферный (снег, иней, град);
ледниковый (естественные скопления льда на поверхности Земли, обладающие способностью к движению (нижние слои ледника, находящиеся под большим давлением, становятся пластичными и начинают двигаться и движутся они медленно: в горах — 80–300 м/год, в Антарктиде и Гренландии — 10–30 м/год.). Ледники занимают 11% суши, наибольшая часть ледников расположены в Антарктиде. Количество воды в ледниках в 7 раз больше всех вод суши. Лед неодинаково холоден: в ледниках Антарктиды его температура составляет -60 градусов, в Гренландии лед теплее -28 градусов, а самым теплым считается лед в Альпах 0 градусов);
- подземный (подземные пещеры с ледяными сталагмитами (Сталагми́ты (от др.-греч. στάλαγμα — капля) — минеральные образования, растущие в виде конусов, столбов со дна пещер навстречу сталактитам и нередко сливающиеся с ними) и сталактитами(Сталакти́ты (греч. Σταλακτίτης — «натёкший по капле») — образования, свешивающиеся с потолка (сосульки, соломинки, гребёнки, бахромы и т. п.);
- морской (образуется в море, океане при замерзании воды, одна из разновидностей – айсберги - (нем. Eisberg, «ледяная гора») — крупный свободно плавающий кусок льда в океане или море, 90 % объёма айсберга находится под водой, 10% объёма - над водой.);
- космический (ледяной покров можно встретить в солнечной системе: на планетах, спутниках, кометах).
Человек в повседневной жизни ежедневно использует лед:
- для хранения продуктов в холодильнике;
- для употребления в пищу – фруктовый лед;
- для охлаждения напитков;
- для производства в пищевой промышленности (н-р, в процессе рафинирования масла его остужают в холодильной установке);
- в медицине при ушибах, после операций, для снижения температуры тела, для хранения образцов крови и реагентов;
- в косметологии (для сохранения хорошего состояния кожи протирают лицо кусочками льда вместо умывания) и др.
Когда-то для охлаждения продуктов люди использовали самые разнообразные способы. Например, в Индии заметили, что температуру можно понизить, испаряя жидкость. Индийцы пользовались этим способом, выставляя на ветер сосуд, обернутый влажной тканью.
До возникновения глобальной индустрии по продаже льда в XIX столетии, традиция заготовки и сохранения льда летом существовала многие годы в разных частях света. В странах Средиземноморского региона и Южной Америки многие десятилетия существовала практика доставки в города льда и снега с вершин Альп и Анд. Состоятельные европейцы строили ледники начиная с XVI века.
В морозную погоду на реках и озерах собирали лед и забивали им погреба и ямы-ледники. Таким способом пользовались еще до нашей эры в Китае, Греции и Риме. В Иране строили «якшали» - подземные хранилища с толстыми стенами из смеси песка, глины, извести, золы и козлиной шерсти. В средневековой Корее тоже сооружали хранилища льда из каменных блоков.
В 1805 году американский предприниматель Ф. Тюдор, направив на остров Мартиника в Вест-Индию 120 тонн льда на специально купленном бриге «Фаворит», положил тем самым начало международной торговле льдом. Тюдор довольно быстро наладил доставку льда на Кубу, в Индию и также в Англию, где огромную популярность завоевал заокеанский лед, добытый из глубокого, питаемого только ключами озера Уэнэм неподалеку от Бостона.
Конечно, в России тоже широко использовался «ледяной» способ хранения продуктов, даже когда начали появляться специальные приборы. Да и, собственно, зачем в России холодильник, если большую часть года этого самого холода в стране завались и при том совершенно бесплатно? В теплое время года продукты хранили в «ледниках», куда зимой набивали лед, или, в крайнем случае, снег. Проблема заготовки льда возникала только в крупных городах, но на этот случай имелись артели, которые как раз и занимались распилкой и поставкой льда. Вроде бы должна была возникнуть проблема хранения продуктов у крупных торговцев, но и у них все было хорошо и без заморских агрегатов. Зимой мясные туши или рыбу прекрасно сохранял русский мороз, а летом куда проще и дешевле было пригонять скот на своих ногах, а рыбу сажать в живорыбные садки на реках.
Я выполнил три эксперимента
№1. Лед легче воды.
Для эксперимента я взял обычную воду комнатной температуры и кубики льда. Опустив кубики в воду, увидел, что они остались на поверхности воды.
Очень необычное свойство, ведь мы знаем, что твердые предметы тонут в воде, но со льдом все иначе. Его плотность ниже, чем плотность воды, поэтому вода выталкивает лед на поверхность. Другими словами лед легче воды.
№2. Соль растворяет лед.
Для эксперимента мне необходимы:
кусочек льда
нитка
соль
Итак, я кладу нить на кубик льда и посыпаю сверху солью, а затем на несколько минут плотно прижимаю нить к кубику льда. Лед начинает таять и нитка прилипает к нему. Соль разъедает лед в силу своей химической природы (формула соли NaCl). Легкий компонент натрий при взаимодействии со льдом выделяет тепло, которого хватает на то, чтобы растопить его.
№3. Какая вода быстрее замерзнет?
Для эксперимента мне необходимы:
кружка с горячей водой
две кружки с водой комнатной температуры
пищевая соль
В одну из кружек с простой водой мы насыпаем столовую ложку соли, размешиваем ее. После этого все три кружки ставим в морозилку на три часа.
В результате эксперимента я увидел, что горячая вода практически полностью замерзла, обычная вода замерзла на 70%, соленая вода закристаллизовалась, но не замерзла.
Получается, что быстрее всего замерзла горячая вода.
Если следовать логике, то горячая вода должна сначала остыть до температуры холодной воды, а холодная в это время должна уже превратиться в лёд. На самом деле этот эффект до сих пор не изучен, выдвигались разные версии и то, что горячая вода испаряется быстрее при охлаждении потому что меньший объем быстрее замораживается, но это не так, в моем опыте видно, что количество воды сохранилось прежним, и то что эффект зависит от связей между молекулами, но эти более сложные процессы и не являются предметом изучения моей работы.
Одно могу сказать точно, что в зимнее время каток, горку заливают горячей водой, а не холодной, так они быстрее замораживаются.
Что же касается соленой воды, то кристаллы соли препятствуют быстрому замерзанию. Морская вода замерзает при температуре воды от минус 0,5 градусов Цельсия (зависит от концентрации соли: Каспий леденеет уже при -0,5 градусах Цельсия, Азовское море мерзнет при температуре -0,7 градусов, Японское море вообще не леденеет, это связано с тем, что в нем содержится чрезвычайно много соли (34 промилле), Балтийской море мерзнет уже при 0 отметке). Кстати при замере температуры воды в моей кружке градусник показал минус 2 градуса Цельсия.
Вывод: Лед обладает следующими качествами:
- он легче воды
- он тает под действием соли
- в зависимости от исходной воды (горячая, простая или соленая) имеет разное время кристаллизации.
Идем дальше, я представляю вам горячий лед. Да- да, лед бывает и таким.
Горячий лед
Само по себе выражение "горячий лед" с трудом укладывается в наших головах. Ведь мы привыкли, что лед, неважно, маленький это кубик в стакане или огромный айсберг в океане, ледяной. А тут почему-то горячий. Разберемся, что же это за вещество, как получается и проведем опыт в домашних условиях. Итак — горячий лед.
Исследования английского физика Перси Уильямса Бриджмена показали, что под весьма значительным давлением вода переходит в так называемый горячий лед и остается такой при температуре значительно выше 0 градусов. Бриджмен получил горячий лед в большом котле под давлением в 20600 атмосфер, его температура составила 76 градусов Цельсия. Горячий лед обжог бы нам пальцы, если бы мы могли до него дотронуться. Но прикосновение к нему невозможно, горячий лед образуется под давлением мощного пресса в толстостенном сосуде из лучшей стали. Увидеть его или взять в руки нельзя, и свои свойства горячий лед открывает физикам лишь косвенным образом.
Любопытно то, что горячий лед плотнее обыкновенного, плотнее воды и поэтому он тонет в воде, между тем как обыкновенный, холодный лед плавает на поверхности.
Эксперимент №1. Провести в домашних условиях эксперимент "Горячий лед", чтобы проверить теорию Бриджмена, естественно, не получится. Мы проведем немного другой опыт. Он так и называется - "Горячий лед". Ацетат натрия — вещество, которое понадобится нам для его проведения. На кухне мы часто получаем его при приготовлении различной выпечки, смешивая соду и уксус.
Для опыта нам понадобится:
пищевая сода – 195,6 гр;
уксусная кислота 70% - 200 гр;
вода – 40 гр.
Если объем большой, то на каждые 500 г соды нужно 480 мл уксусной кислоты (с80 г кислоты (бутылочка) имеют объем 168 мл)
Лучше, чтоб емкость была высокая, т.к. выделяется большое количество углекислого газа и появляется много пены, пена опускается сама, нужно чтоб реакция полностью завершилась, поэтому оставляем все до завершения реакции.
Получившийся ацетат натрия выкладываем в кастрюлю и ставим на газ, получаем раствор, который кристаллизуется от своих же кристаллов, выделяя тепло. По такому же принципу работает аптечная грелка. Внутри нее есть кнопка, которая запускает реакцию и жидкость кристаллизуется.
У меня оказался под рукой градусник максимально он показывает +30 градусов Цельсия, но моей шкалы не хватило для того, чтоб измерить тепло горячего льда и грелки (температура грелки по инструкции + 50 градусов Цельсия).
Я замерил температуру через час, грелка была слегка теплой в то время, как полученный мною лед продолжал оставаться горячим. Полностью (до комнатной температуры) он остыл только через 4 часа.
Эксперимент №2. Получаю мини-сталагмит.
Для получения сталагмита беру приготовленный мною в предыдущем опыте ацетат натрия, кладу в пробирку, добавляю 2 мл кипяченой воды и нагреваю все это до полного растворения.
После охлаждения до комнатной температуры, беру чашку Петри, на которую кладу несколько кристаллов ацетата натрия и выливаю содержимое из пробирки на эти кристаллы. Итог – мини-сталагмит.
Сухой лед
Сухой лёд — традиционное название твёрдого диоксида углерода CO2. При обычных условиях (атмосферном давлении и комнатной температуре) переходит в углекислый газ, минуя жидкую фазу, то есть – это лед, в составе которого нет воды.
Температура такого льда минус 78,5 градусов Цельсия. Изготавливают его в специальных углекислотных установках.
Считается, что сухой лёд впервые был получен французским физиком Адриеном Тилорье в 1835 году во время опытов по сжижению углекислого газа. Он выпустил жидкую углекислоту в подставленную колбу, значительная её часть испарилась, оставив на стенках твёрдую снегообразную субстанцию, которой и был сухой лёд. Тилорье написал о своём открытии во Французскую академию наук, не зная, что открытое им вещество представляет собой твёрдую углекислоту. В последующие 60 лет сухой лёд не имел практического применения, оставаясь в стенах лабораторий.
В 1897 году в Великобритании был выдан патент на производство твёрдой углекислоты военному медику Герберту Самуэлю Элворти, который использовал её для производства содовой - одна из разновидностей газировки, которая изготавливается путем введения соды и двуокиси углерода в обычную очищенную воду.
В 1924 году в США Томас Слейт подал патент на коммерческую продажу твёрдой углекислоты. В 1925 году DryIce Corporation of America зарегистрировала торговую марку Dry ice («Сухой лёд»). В следующем году у корпорации появились первые крупные клиенты в лице производителей мороженого. Сухой лёд имел существенные преимущества: он давал более низкую температуру и таял, не оставляя воды. Со временем название «сухой лёд» стало нарицательным и в 1932 году торговую марку аннулировали.
Когда сухой лед испаряется, он расширяется примерно в 800 раз и поглощает тепло.
Сухой лед используется для струйной очистки различных поверхностей,
для охлаждения при транспортировке и хранении мясной, рыбной и плодово-ягодной продукции. Сухой лед имеет замораживающую способность, многократно превышающую замораживающую способность водяного льда.
В хлебопекарной промышленности лед используют для замедления роста дрожжевых бактерий до определенного времени. Для газирования напитков.
Широко используется лед для создания спецэффектов в различных развлекательных мероприятиях.
В медицинской промышленности лед используется для хранения и транспортировки медицинских препаратов.
И еще много другого применения
Длительное (несколько секунд) воздействие сухого льда может привести к серьезным повреждениям кожи в результате обморожения, поэтому при работе настоятельно рекомендуется использовать перчатки. При проглатывании вызывает тяжёлые травмы пищеварительных путей.
Сухой лёд, особенно активен при контакте с водой. Высокие концентрации газа могут вызвать интоксикацию (отравление). Поэтому сухой лёд должен использоваться только на открытом воздухе или в хорошо проветриваемом помещении.
Сделаем сухой лед своими руками!
Чтобы его получить я взял углекислотный огнетушитель, пакет из плотной ткани, перчатки вода. Для создания льда я надел пакет на раструб и попросил старшего брата помочь мне. Далее стоит аккуратно снять предохранитель с рукояти огнетушителя и выпустить несколько струй углекислого газа нажатием на спускной клапан. Таким образом, углекислый газ, находящийся в баллоне огнетушителя под давлением, не успевает остыть и скапливается в мешке в виде порошка или кристаллов. Для того чтобы он не испарился, его нужно поместить в герметичную емкость или пакет и плотно закрыть. При добавлении льда в воду, лед начинает испаряться, выделяя углекислый газ, охлаждая при этом воду и создавая туманное облако.
Проведя, данный эксперимент я хотел остановиться, но тут в интернете мне попалась информация про совершенно новый лед – синтетический. Я решил узнать, что же это за лед.
Синтетический лёд
Синтетический каток (синтетический лёд) — единая монолитная поверхность для катания на коньках, составленная из множества панелей (плит) из синтетического полимерного материала с низким коэффициентом трения и повышенной износостойкостью, например на основе высокомолекулярного полиэтилена (ВМПЭ). Применяются для массового катания на коньках, игры в хоккей, керлинга и занятий по фигурному катанию; при этом для катания на синтетическом льду используются обычные хоккейные или фигурные коньки, а скольжение лезвия конька по такому льду очень близко к скольжению по традиционному льду.
Достоверно неизвестно в какой именно стране был изобретен синтетический лед. Как альтернатива каткам из натурального льда с замерзшей водой, синтетический каток из полимера используется уже более 40 лет. Применение современных пластмасс в качестве поверхности, заменяющей лёд и используемой для катания на коньках, было опробовано в 1960-е годы с использованием материала на основе полиформальдегида (полиоксиметилена) - пластика, разработанного компанией DuPont (США) в начале 1950-ых годов. Но несмотря на такую многолетнюю историю существования синтетического льда, высокого коэффициента трения-скольжения синтетического льда производители добились сравнительно недавно.
Каток из синтетического льда состоит из листовых панелей, соединенных друг с другом с помощью специальных креплений «ласточкин хвост» (подходит для использования в помещении со стабильной температурой и идеально ровным основанием) и «шип-паз-штифт» (можно использовать как в помещении, так и на улице). Синтетические листовые панели устанавливаются на прочной, максимально ровной и гладкой поверхности — это может быть грунт, асфальт, бетонная основа, деревянный пол, плитка, металлический или деревянный помост и т. д. В Канаде и США существует целая сеть хоккейных школ и клубов, в которых используется синтетический лёд, что существенно дешевле катков с использованием воды и холодильных установок. Быстрый монтаж, мобильность и фактическое отсутствие особых требований для помещений и открытых площадок упрощают создание синтетических катков.
Одним из новшеств последних пару лет является появление синтетического льда, который не требует обработки какими-либо дополнительными средствами для улучшения скольжения - эмульсии, смазки и т.п. Это значительно снижает расходы связанные с эксплуатацией катка, а также дольше сохранять чистоту синтетического ледового покрытия и, соответственно, высокое качество скольжения.
Синтетический лёд также ошибочно называют искусственным, что вызывает путаницу, так как название «искусственный каток» обычно применяется для льда, созданного с применением холодильной установки, замораживающей воду на поверхности катка.
Применение синтетического льда
В Канаде уже более 10 лет активно используют синтетический лед. Причём, если раньше, в основном, его использовали только для тренировки броска и техники владения шайбой, то на сегодняшний день в этой стране уже существуют полноразмерные хоккейные площадки с синтетическим льдом, на которых базируются местные детско-юношеские хоккейные школы, проводящие свои тренировки и товарищеские матчи на пластиковом покрытии. Синтетический лед даже одобрили профессиональные игроки и тренеры по хоккею – игроки и тренеры NHL, которые, кстати, также проводят часть своих тренировок на синтетическом покрытии. По данным Канадской хоккейной Ассоциации (СHA) у 90% хоккейных клубов Канады, в том числе и детско-юношеских, имеется помимо площадок с искусственным льдом еще и тренировочные и игровые площадки с синтетическим покрытием. Такие площадки позволяют проводить тренировки и соревнования круглый год и при этом показатели хоккеистов, чередующих использование искусственного и синтетического льда в тренировочном процессе, имеют гораздо большую прогрессию нежели у игроков, тренирующихся исключительно на искусственном льду. Канадский опыт использования пластикового льда также переняли американцы и некоторые европейские страны, которые также имеют множество катков из синтетического льда, используемых для массового катания, тренировок и турниров по хоккею и фигурному катанию.
Синтетический лед в России
В России имеется несколько десятков площадок с синтетическим льдом. Часть из них используется для тренировочного процесса хоккеистов и фигуристов, остальные – представляют собой коммерческие катки, используемые для массового катания.
Вот некоторые из этих катков:
- ледовый дворец в Приморье;
- ледовый дворец в Новосибирске;
- уличная площадка 500 квадратных метров в г. Сочи;
- коммерческий каток в Саратове (под массовое катание);
- коммерческий каток в Нижневартовске (под массовое катание);
- тренировочная площадка для хоккеистов и фигуристов в Рязани;
- центр хоккейного развития «Дальний Восток – Арена мастер»;
- коммерческий каток в Симферополе (под массовое катание);
- и др.
Также существует несколько театров на льду, которые занимаются театрализованными постановками на синтетическом льду.
Синтетический лед делается на основе высокомолекулярного полиэтилена (ВМПЭ, PE-500) или сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ, PE-1000), однако, большинство отечественных производителей синтетического льда предлагают приобрести у них лед из полиэтилена низкого давления (ПНД), который используется с эмульсией. Но такой лед имеет существенный недостаток - он сделан из дешевого и низкокачественного полиэтилена (ПНД), на нем лезвие конька практически не скользит и тупится за 15-20 минут катания.
Одним из новшеств последних пару лет является появление синтетического льда, который не требует обработки какими-либо дополнительными средствами для улучшения скольжения - эмульсии, смазки и т.п. Это позволяет значительно снизить расходы связанные с эксплуатацией катка, а также дольше сохранять чистоту синтетического ледового покрытия и, соответственно, высокое качество скольжения.
С данным видом льда эксперименты не проводились, я лишь хотел вас познакомить с новым изобретением!
Заключение
Я узнал, что лед может быть совершенно разным, он охлаждает и обжигает, превращается в лед и может собираться из панелей.
Моя гипотеза подтвердилась частично. Лед – это не только холод. Лед может быть совершенно разным, он охлаждает и обжигает, и даже может собираться из панелей. Все, что мне удалось узнать, я рассказал своим одноклассникам на «Минутке любознательности» и показал им процесс изготовления сухого льда .
Если я вас заинтересовал своей темой, то вы можете посмотреть мой буклет под названием «Уникальные факты льда». (Приложение № 1) Вас это не оставит равнодушным.
Библиографический список:
http://www.psciences.net/main/sciences/physics/articles/article-9.html
https://aqua-life.ua/pri-kakoy-temperature-zamerzaet-voda/
https://cirkul.info/article/istoriya-industrii-kholoda
https://fb.ru/article/415465/kakoe-veschestvo-nazyivayut-goryachiy-led-i-11. mojno-li-ego-poluchit-v-domashnih-usloviyah
https://vodasila.ru/o-vode/lyod-klassifikatsiya-temperatura
Большая книга «Почему» вопросы и ответы, любопытная и полезная информация, викторины и занимательные опыты, Москва, издательство «РОСМЭН», 2011.
Донченко Р.В. «Ледовый режим рек СССР», Ленинград Гидрометеоиздат,1987г., с.22-24
Ушаков Д.Н. Большой толковый словарь современного русского языка 2004 г. 800с.
Энциклопедический словарь юного географа-краеведа, Москва, «Педагогика», 1981, составитель Карпов Г.В., с.204-207