XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022
НАБЛЮДЕНИЕ АНОМАЛИИ ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ ВОДЫ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
С водой мы сталкиваемся ежедневно, и она занимает важнейшее место в нашей жизни. Вся жизнь на Земле своим существованием во многом обязана аномальным свойствам воды, в частности - поверхностному натяжению. Вода – самое значимое вещество для нашей планеты. Вода в естественных природных условиях может существовать в трех агрегатных состояниях: твёрдое – лёд; жидкое – вода; газообразное - водяной пар. Однако, наука до сих пор не смогла дать объяснение всем аномальным свойствам воды. Целый ряд свойств воды выпадает из общих закономерностей и правил, таких наук как физика и химия.
Это, например, большая удельная теплоёмкость, и высокая диэлектрическая проницаемость. Она является одним из самых универсальных растворителей. Учёные насчитали около 70 необъяснимых свойств воды. В частности, не будь у воды аномальной зависимости плотности в интервале , и была бы невозможной жизнь в промерзающих водоёмах. Лёд вырастал бы не с поверхности вниз, а от дна к поверхности и вытеснял бы вверх всё живое на верную гибель. Вода, в отличие от других жидкостей, имеет максимальную плотность только при . А при дальнейшем понижении температуры плотность воды вновь начинает убывать. В итоге вода в озерах и реках никогда не промерзает до дна и это уникальное свойство воды сохраняет жизнь обитателей водоемов.
Актуальность проблемы. У воды много аномалий и в этом ее уникальность. Не потерян интерес и к аномалии плотности. В школьном курсе физики это явление упоминается, но ни демонстрации, ни, тем более, лабораторной работы по этой теме нет.
Цель исследования – углубленно изучить тематику, рассчитать параметры, собрать установку, способную наглядно продемонстрировать аномалию, проделать измерения и представить аномалию на графике.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
Углубленно изучить теоретический материал о строении молекул воды и физических свойствах путем анализа научных и периодических изданий;
Провести наблюдения за основными состояниями воды, её физическими свойствами;
Разработать модифицированную установку для проведения эксперимента и экспериментальным путем установить аномальную плотности воды;
Разработать методические рекомендации по оформлению лабораторной работы в школьном курсе.
Объект исследования: вода.
Материалы и методы исследования
Методы исследования:
анализ научной и периодической литературы;
практическая работа – эксперимент, наблюдение;
Экспериментальная установка.
В основу установки положена идея научного прибора, называемого дилатометром (рис.1). На нём производят исследование теплового расширения разнообразных жидкостей. Его можно сравнить с жидкостным термометром, но его отличает большой объём рабочей жидкости, а пробка объединена с открытым капилляром.
Для обеспечения наглядности в нашем устройстве изменение высоты столба жидкости при нагревании в интервале должна быть не менее 30 мм. Расчёт чувствительности нашего прибора проделан на идеализированной модели. Мы полагали, что внутри стакана с охлаждающей жидкостью в любой точке, независимо от высоты, температура одна и та же. То есть, конвекционные потоки отсутствуют. Точно также и в любом месте внутри пузырька температура одинакова.
Одно из требований к проекту состояло в том, чтобы наша установка легко воспроизводилась в условиях рядового школьного физического кабинета. Поэтому в модифицированной нами установке (рис.2) использован капилляр медицинской трубки для отбора крови с диаметром отверстия мм, спиртовый термометр, термопара с мультиметром, школьный калориметр.
Известно, что зависимость объёма жидкости от температуры описывается формулой
По справочным данным коэффициент теплового расширения воды равен \ 1 град.
В интервале объём увеличится на от исходного, в нашем случае 30 мл, т.е. на 0,015 мл.
Площадь сечения нашего капилляра - равна
Объём 0,015 мл займёт в капилляре высоту около 20 мм, что легко измеряется простой линейкой с миллиметровыми делениями, прикреплённой к капилляру (на рис.2 не показана.)
Температуру воды внутри пузырька измеряли при помощи мультиметра с термопарой, вставленной через отверстие в боковой стенке пузырька. Спай термопары находился в середине пузырька. Отверстие было закрыто (заклеено).
Методика измерений
Исследуемая вода помещалась в пластиковый пузырёк объёмом 30 мл. В верхней части пробки герметично укреплена капиллярная трубка таким образом, чтобы в заполненном жидкостью пузырьке при её завинчивании не остался воздух. Дело в том, что коэффициент теплового расширения воздуха равен , что в 73 раза больше, чем у воды. Поэтому воздух, оставленный в пузырьке даже в малом количестве, исказит результаты измерений.
Для замедления охлаждения или нагревания воды использовался школьный калориметр с внутренним алюминиевым стаканом. Пузырёк с водой помещался в стакан, а стакан заполнялся холодной водой с мелко измельчённым льдом. В необходимых случаях воду в стакане меняли на более тёплую или холодную с помощью медицинского шприца.
Фиксировалась температура в пузырьке и одновременно высота уровня воды в капилляре. Процесс измерения начинался с охлаждения от , продолжался до момента, когда температура перестала изменяться. Затем из стакана удаляли лёд и меняли воду и продолжали измерять температуры и высоту столба в капилляре до .
Погрешности измерений составляют по температуре , по высоте в капилляре мм, по объёму пузырька при .
Результаты измерений
В нашем опыте высота столба жидкости в капилляре обратно пропорциональна плотности воды. Нами проделана серия из трёх наблюдений, результаты одного из них представлены после обработки в программе Excel. Из графика можно выделить следующие выводы результаты:
|
|
|||
При очень быстром охлаждении (диаграмма в левом верхнем углу) от наш прибор показывает очень малое повышение плотности (высота в капилляре уменьшилась на 2 мм). В дополнение к этому температура отличается от реальной. Мы объясняем это неоднородным тепловым полем в пузырьке и инертностью термометра. Отсюда следовало, что измерения нужно производить с меньшей скоростью.
В продолжение предыдущего опыта в очень замедленном режиме жидкость в пузырьке нагревалась в течение около 2 часов. Как видно из диаграммы вначале плотность воды увеличивалась и достигла максимума около 8℃. Затем плотность стала уменьшаться и уровень воды в капилляре вернулся к исходному положению при комнатной температуре.
|
Высота |
|
||||||||
Выводы и рекомендации:
При соблюдения медленного режима высота уровня воды капилляре в диапазоне температур от изменяется на 16 мм, что достаточно для надёжной визуальной фиксации. Для увеличения чувствительности эксперимента достаточно применить капилляр меньшего сечения.
Некоторое отличие в температуре от общеизвестного значения является проявлением неоднородности теплового поля в пузырьке. При высоте 25 мм температура в верхней и нижней частях жидкости может отличаться на градуса даже в длительном равновесном состоянии. Причина – отсутствие конвекционного движения, обусловленного различием плотности. Более точные результаты можно получить при использовании сосуда такого же объёма, но меньшей высоты, т.е. имеющем плоскую форму.
В результате проведенных экспериментов был выбран временной промежуток и процедуры для рекомендации данного опыта как возможной лабораторной работы по физике в образовательном процессе.
Список литературы и Internet-источников
Фогельсон Р.Л., Лихачев. Температурная зависимость объема жидкости \\ Журнал технической физики, 2009, том 79, вып. 7. С.155-158 https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/9757
Вукалович М.П., Рискин С.Л., Александров А.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. М.: Изд-во стандартов, 1969. 408 с.
Пакулова В.М., Иванова Н.В. Учебник «Природоведение». Природа. Неживая и живая. 5 класс § 22. Тепловое расширение воды.
https://www.o8ode.ru/article/learn/newstructure.htm Новый взгляд на структуру и аномальные свойства воды
https://saytpozitiva.ru/interesnyye-fakty-o-vode.html Интересные факты о воде
https://www.vodaiceberg.ru/blog/interesnye-fakty-o-vode/ Интересные факты о воде
Приложение
Строение воды. Вода может существовать в трех агрегатных состояниях: твёрдое – лёд; жидкое – жидкая вода; газообразное - водяной пар.
Вода – это не смесь мономолекул , а сложная система из их ассоциатов с различной структурой и пространственной организацией. В жидкой воде молекулы могут объединяться в сложные образования - кластеры, по структуре напоминающие лед (схема 1).
Схема 1. образования ассоциата за счет слабых Н-связей из двух тетрамеров воды: А –
циклическое строение; Б – линейное строение: I – основная молекула воды, образующая тетрамер; II – водородная связь, соединяющая два тетрамера.
Хаотичное сообщество газообразных молекул воды при конденсации, то есть при образовании жидкой фазы, формирует жидкое вещество удивительной сложности. В первую очередь это связано с тем, что молекулы воды обладают уникальным свойством объединяться в кластеры (группы . Под кластером обычно понимают группу атомов или молекул, объединенных физическим взаимодействием в единый ансамбль, но сохраняющих внутри него индивидуальное поведение.
Любое воздействие на воду вызывает разрыв части или всех слабых Н-связей, что зависит от его интенсивности.
Повышение температуры воды уменьшает способность к укрупнению ассоциатов из-за интенсификации броуновского движения, а понижение температуры и увеличение срока хранения повышают эту способность.
З амерзание воды сопровождается скачкообразным(!) уменьшением плотности на , тогда как у большинства других веществ процесс кристаллизации сопровождается увеличением плотности. В связи с этим лед (твердая вода) занимает больший объем, чем жидкая вода, и держится на ее поверхности. Ажурность и наличие внутренних пустот определяют рыхлость и меньшую плотность льда ( ) по сравнению с жидкой водой. Плотность льда почти на 10% меньше, чем у воды, а удельный объем на столько же больше. Плотность воды в интервале температур наибольшая при , а не при , то есть при замерзании. Охлаждение воды до температур ниже сопровождается некоторым уменьшением плотности, особенно при переходе в лед. При любое другое вещество в твердом состоянии тяжелее, чем в жидком, плотность льда составляет , а плотность воды – .
Поэтому лед плавает, а вода, замерзая в трещинах горных пород, раскалывает их.
В кристаллах льда молекулы воды расположены регулярно и симметрично. Если кристаллический лед хорошо упорядочен по кислороду, то этого нельзя сказать про водород: в расположении ионов водорода (протонов) наблюдается сильный беспорядок. Их положение четко не определено, и поэтому лед можно считать разупорядоченным по водороду.
М орская вода замерзает примерно при температуре , но точное значение зависит от также и от степени её солёности (концентрации растворенных солей).
Вода, вопреки своему химическому строению, имеет высокие температуры плавления и кипения . Все другие вещества с близкой молекулярной массой и очень малым размером молекул имеют подобные характеристики лишь при очень низких минусовых температурах – ниже –
Рис. 5. Аномальные свойства воды (сравнение свойств гидридных соединений химических элементов группы Периодической системы Д.И.Менделеева)
Наибольшая скорость нагрева и охлаждения воды происходит в так называемой «температурной яме», которая образуется вследствие того, что в районе 37 °C теплоемкость у воды наименьшая.
.
Об особенностях тепловых свойств воды.
- единственное вещество на Земле (кроме ртути), для которого зависимость удельной теплоемкости от температуры имеет минимум. Вода имеет высокую удельную теплоемкость – 4,184 Дж/(г.град), что почти вдвое больше, чем у большинства простых жидкостей. Жидкости с высокой теплоемкостью при получении определенного количества тепла нагреваются меньше.
Теплоемкость воды с повышением температуры сначала уменьшается, а затем вновь возрастает, что связывают с перестройкой Н-связей между молекулами.
Из-за того, что удельная теплоемкость воды имеет минимум около , нормальная температура человеческого тела, состоящего на две трети из воды, находится в диапазоне температур (внутренние органы имеют более высокую температуру, чем наружные). Температура других теплокровных млекопитающих ( также хорошо соотносится с температурой минимума удельной теплоемкости воды.
- вода обладает высокой удельной теплотой плавления, то есть воду очень трудно заморозить, а лед - растопить. Благодаря этому климат на Земле в целом достаточно стабилен и мягок.
- теплоемкость воды аномально высока. Чтобы нагреть определенное ее количество на один градус, необходимо затратить больше энергии, чем при нагреве других жидкостей, - по крайней мере вдвое по отношению к простым веществам. Из этого вытекает уникальная способность воды сохранять тепло. Подавляющее большинство других веществ таким свойством не обладают. Эта исключительная особенность воды способствует тому, что у человека нормальная температура тела поддерживается на одном уровне и жарким днем, и прохладной ночью. При нормальной температуре тела человек находится в наиболее выгодном энергетическом состоянии.
Полярность молекулы воды, диалектрическая проницаемость и поверхностное натяжение
Вода очень полярна: ее молекула представляет собой дипольмагнитную частицу с положительным и отрицательным полюсами, что приводит к возникновению особо прочных водородных связей; дипольный момент молекулы – 1,84 D.
Поверхностное натяжение воды в больше, чем у большинства жидкостей и составляет 72,8 мН/м при . Значение линейно убывает с повышением температуры и при достигает значения 58,5 мН/м. Поверхностное натяжение – важная характеристика любого вещества, а численное значение позволяет судить о его полярности, физической и химической активности, указывает на его способность и меру смачивать твердые материалы, адсорбироваться на их поверхности и диффундировать в их объем, притягивать из воздуха газообразные и твердые вещества.
Аномальное свойство воды — эффект Мпембы.
факт – горячая вода замерзает быстрее холодной.