XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Зависимость температуры кипения от высоты над уровнем моря и атмосферного давления

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Юдин Д.А. 1Юдин Т.А. 1

---

1МБОУ СОШ № 12 г. Пятигорска

Закомерная Н.В. 1Ремезова И.М. 1

---

1МБОУ СОШ № 12 г. Пятигорска

Работа в формате PDF

7 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

1. Введение.

Тема: Зависимость температуры кипения от высоты над уровнем моря и атмосферного давления.

Проблема исследования и актуальность: с процессом кипячения мы сталкиваемся каждый день, и даже чаще. Проходят ли продукты термообработку на больших высотах? Приготовление еды в скороварке или мультиварке происходит быстрее. Интересно выяснить почему?

Нам было очень интересно провести экспериментальную часть, пользоваться приборами и инструментами: термометрами, горелкой... И путешествовать по разным высотам.

Цели: экспериментальным путем выявить зависимость температуры кипения воды от высоты над уровнем моря и атмосферного давления.

Задачи:

Ознакомиться с теорией физического процесса кипения воды, понятием атмосферного давления.

Провести экспериментальный замер температуры кипения воды на высотах: 0м над уровнем моря, 200м, 1000м, 1400м, 2000м, 3500м, 3750м.

Составить сводную таблицу результатов эксперимента.

Найти практическое применение теоретического вывода работы.

Объектом нашего исследования является процесс кипения воды, а предметом - выявление условий, которые влияют на температуру кипения воды.

Гипотеза: существует зависимость температуру кипения воды от атмосферного давления.

1.1 Обзор литературы.

1.1.1 Определение кипения.

Кипение – это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре. Энергия кипения воды широко используется человеком в быту. Данный процесс стал настолько обыденным и привычным, что никто не задумывается о его природе и особенностях. Тем не менее с кипением связан целый ряд интересных фактов:

Как же происходит этот процесс и от чего он зависит? При нагревании какой-либо жидкости мы увидим ряд особенностей. Прежде всего обратим внимание на то, что с поверхности жидкости происходит испарение. На это указывает туман, образовавшийся над емкостью. Это водяной пар смешивается с холодным воздухом и конденсируется в виде маленьких капель. Сам пар, конечно, невидим глазу. При дальнейшем повышении температуры мы заметим появление в жидкости многочисленных мелких пузырьков. Они постепенно увеличиваются в размерах. Это пузырьки воздуха, которые растворяются в воде. При нагревании воздух выделяется из воды в виде пузырьков. Эти пузырьки содержат не только воздух, но и водяной пар, так как вода испаряется внутрь этих пузырьков воздуха. Поднимающиеся пузырьки, попадая в более холодные слои воды, уменьшаются в размерах, так как содержащиеся в них пары конденсируются и под действием силы тяжести они опускаются. Спустившись вниз, в более горячие слои воды, пузырьки начинают снова подниматься к поверхности. Это попеременное увеличение и уменьшение пузырьков в размерах сопровождается характерным шумом, предшествующим закипанию воды. Постепенно вся вода прогревается, пузырьки уже не уменьшаются в размерах. Под действием архимедовой силы они всплывают на поверхность и лопаются. Находящийся в них насыщенный пар выходит наружу. Шум прекращается, и мы слышим бульканье – жидкость закипела. Кипение от начала до конца происходит при определенной и постоянной для каждой жидкости температуре. 

Температура кипения, точка кипения — температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением.

Нам с детства известно, что температура кипения воды равна 100 °C; можно подумать, что это неотъемлемое свойство воды, что вода, где бы и в каких условиях она ни находилась, всегда будет кипеть при 100 °C.

Но это не так, и об этом прекрасно осведомлены жители высокогорных селений.

Вблизи вершины Эльбруса имеется домик для туристов и научная станция. Новички иногда удивляются, «как трудно сварить яйцо в кипятке» или «почему кипяток не обжигает». В этих случаях им указывают, что вода кипит на вершине Эльбруса уже при 82°C.

В чем же тут дело? Какой физический фактор вмешивается в явление кипения? Какое значение имеет высота над уровнем моря? Этим физическим фактором является давление атмосферы, действующее на поверхность жидкости. 

1.1.2 Определение атмосферного давления.

Атмосферное давление – это давление, с которым воздух давит на земную поверхность и на все находящиеся на ней предметы. Атмосферное давление изменяется с высотой и зависит от погодных условий: температуры воздуха и конвекции – перемещения воздушных масс в вертикальном направлении.

Кипение происходит, когда жидкость имеет достаточно энергии, чтобы испариться в любом месте жидкости (не только на поверхности. Против этого выступает атмосферное давление, давящее на поверхность, которое разрушает пузырьки еще до того, как они успеют вырасти. Чем ниже атмосферное давление, тем меньше энергии требуется для образования стабильных пузырьков, поэтому температура кипения ниже. Вода кипит, когда давление насыщенного пара равно давлению окружающего воздуха. Увеличьте давление окружающей среды, и молекулам воды потребуется больше энергии, чтобы преодолеть изменение состояния. Однако если давление меньше, то воде не нужно набирать столько тепловой энергии, чтобы способствовать испарению.

Атмосферное давление в значительной степени зависит от высоты над уровнем моря.

1.1.3 Изменение давления с высотой.

При небольших подъёмах в среднем на каждые 12 м подъёма атмосферное давление уменьшается на 1 мм рт. ст. (или на 1,33 гПа). С изменением высоты давление падает. Впервые это было выяснено французом Перье по поручению Паскаля в 1648 г. Гора Пью де Дом, около которой жил Перье, была высотой 975 м. Измерения показали, что уровень ртути в торричеллиевой трубке понижаетсяпри подъеме на гору на 8 мм. Вполне естественно падение давления воздуха с увеличением высоты. Ведь наверху на прибор уже давит меньший столб воздуха.

На высоте Эльбруса – около 5,6 км – давление упадет примерно вдвое, а на высоте 22 км (рекордная высота подъема стратостата с людьми) давление упадет до 50 мм рт. ст.

Когда мы говорим про давление 760 мм рт. ст. – нормальное, не нужно забывать добавить: «на уровне моря». На высоте 5,6 км нормальным давлением будет не 760, а 380 мм рт. ст.

2. Основная часть. Методы исследования.

Исследование проводилось с помощью следующих методов, взятых из учебного пособия [13]:

Наблюдение (Исследование, опирающееся на органы чувств; восприятие явлений).

Описание (Фиксация сведений).

Измерение (Сравнение по общим признакам).

Эксперимент (Исследование, основанное на наблюдении в условиях, созданных специально для этого):

С помощью горелки или газовой плиты довести воду до кипения.

Электронным термометром с щупом для жидкостей замерить температуру кипения воды.

Замерить высоту с помощью мобильного приложения Elevation v4.7.9 (Высота 4.7.9).

Замерить атмосферное давление с использованием поверенного Термогигрометра Ива-6А-Д с каналом измерения атмосферного давления и/или мобильного приложения Elevation v4.7.9 (Высота 4.7.9).

Сравнение (Исследование, основанное на изучении сходств и различий предметов; сопоставление одного предмета с другим).

2.1 Фото и описание измерительных приборов.

Т ермогигрометр ИВА-6А-Д – портативное автономное устройство с поверкой для определения состояния атмосферы в жилых, нежилых помещениях, на открытом воздухе. Оно измеряет атмосферное давление, температуру и влажность воздуха. Полученную информацию выводит на ЖК-дисплей.

Номер по Госреестру: 46434-11.

Термометр электронный с щупом

Плита газовая портативная Следопыт Ручной паук PF-GSP-H03 С горелкой использовался резьбовой газовый баллон Kovea SCREW TYPE GAS KGF-0230. Газовый баллон наполнен высокопроизводительной газовой изопропановой смесью составом: изобутан 85%, пропан 15%.

Минимальная температура использования баллона составляет до -20°C, что позволило нам использовать горелку на больших высотах.

2.2 Описание эксперимента.

Практическая часть вначале шла гладко. Первый замер мы провели на вершине гор. Машук, встречая рассвет. Горелка загорелась, вода закипела – все получилось, хотя мы немного замерзли. Следующее место замера был Эльбрус. В поселке Терскол воду кипятили на газовой плите в помещении. Дальше мы забирались на гору, чтобы продолжить эксперимент и проверить справедливость сказанного. И тут все пошло не так, как мы ожидали. Практически все эксперименты прошли ожидаемо, но эксперимент на станции Гара-Баши пошел не по плану. То ли промокла горелка, то ли не работал зажигательный механизм, но горелка отказалась работать. От зажигалки на такой высоте тоже не было толку. Эксперимент был под угрозой срыва. Нам на помощь пришел спасатель! Спасатели на Эльбрусе не только отвечают за жизнь туристов, но и за успех их экспериментов. Азамат пригласил нас к ним на станцию, где предоставил нам электрочайник. В нем мы получили кипяток и измерили температуру. Все эксперименты проводились с фотофиксацией замеров приборов, фотографии представлены в приложениях 5.1-5.7.

2.3 Результаты.

Систематизация материалов практической части в таблицах и графиках была проведена с помощью родителей в программе excel. Ниже приведены таблица с замерами и графики. Таблица измерений температуры кипения воды на разных высотах:

3. Заключение. Выводы.

Практическим путем мы подтвердили нашу гипотезу и выяснили, что с ростом давления температура кипения увеличивается, а с уменьшением давления температура кипения соответственно уменьшается.

3.1 Практическое применение.

Снижая давление, температура кипения понижается и можно получить «кипяток», имеющий температуру замерзающей воды. Для этого придется снизить давление до 4,6 мм рт. ст.

Это применяется в технологии приготовления пищи, в технологии бытового и промышленного кондиционирования, в котельном оборудовании.

3.1.1 Сгущенное молоко.

При производстве сгущенного молока необходимо удалить из натурального молока до 70% воды. Для этого применяют вакуум-аппаратах. В них жидкость интенсивно кипит при не прекращающемся размешивании, таким образом лишняя влага быстрее испаряется. В вакуум-аппаратах воду из молока выпаривают в разреженном пространстве при температуре 45...70°С. Аппарат должен быть герметичным и воздух из него удален настолько, чтобы значение атмосферного давления соответствовало требуемой температуре кипения. А для приготовления вареной сгущенки в конце процесса добавляют горячий сахарный сироп и доводят содержание влаги до 26 %.

3.1.2 Замораживание с обезвоживанием.

Концепция дегидрозамерзания часто упоминается как новая, но фактически она зародилась ещё 50-х годах прошлого века. Обезвоживание является дополнением к замораживанию, при котором пища сначала обезвоживается до желаемой влажности, а затем замораживается.

Теория, лежащая в основе этого процесса, основана на том, что, поскольку свежие фрукты и овощи содержат больше воды, чем мясо, а их клеточная структура менее эластична, уменьшение содержания воды перед замораживанием сокращает время замерзания, начальную температуру замерзания и количество льда, образующегося в продукте. Это потенциально уменьшает ущерб и улучшает качество продукции.

Предварительное обезвоживание также снижает количество энергии, необходимой для замораживания, за счет снижения тепловой нагрузки. А уменьшение массы также может снизить затраты на сбыт.

В наше время, наиболее популярными методами вакуумной сушки продуктов питания являются: холодная вакуумная сушка при положительной температуре. Эта процедура производится в условиях вакуумной среды, давление которой составляет порядка 4,58 мм рт. ст. Оптимальная температура для такой сушки составляет 4-6 градусов. При соблюдении таких обстоятельств окружающей среды внутри камеры, температура кипения жидкости снижается до 25 градусов, а полное осушение продуктов делается с помощью режима вакуумно-сублимационной сушки, позволяющей максимально сохранить в продуктах начальный состав витамин, ферментов, полезных элементов. Более того, сохраняется внешний вид, цвет, вкусовые качества, запах и прочие характеристики продукта, тем самым поддерживая его товарный вид. В отличие от других способов сушки, этот метод позволяет производить сухие продукты достаточно высокого качества.

3.1.3 Скороварка.

Скороварка часто выручает хозяек, которые не любят долго ждать. Принцип готовки скороварки такой: пар, образующийся при кипении воды, не выходит наружу, а накапливается внутри герметично закрытой емкости. За счет этого давление растет, вода нагревается до температуры выше 100° С, не испаряясь, и продукты готовятся гораздо быстрее.

3.1.4 Стерилизация продуктов.

Кипячение воды на больших высотах не займет больше времени, но вода будет кипеть при более низкой температуре. Если вы готовите что-то в кипящей воде (например, макароны), это займет больше времени, потому что температура ниже. Это все равно что печь хлеб в духовке: чем ниже температура, тем дольше требуется время приготовления. Сварить обычное яйцо вкрутую на высоте занимает около 12-13 минут. Это делает приготовление пищи с водой очень трудным! Желательно использовать рассол для приготовления пищи. Или принести с собой скороварку! На очень больших высотах вы не можете приготовить картофель кипячением, если только в скороварке!

Правильная тепловая обработка убивает почти все опасные микроорганизмы. Как показали исследования, разогревание пищи до 70°C может сделать ее безопасной для потребления. К продуктам, требующим особого внимания, относятся рубленое мясо, мясные рулеты, большие куски мяса и цельные тушки птицы.

Чтобы свести вероятность отравления к нулю, мясо домашней птицы нужно готовить при температуре не менее 75 °C.

Ученые считают, что 70°C достаточно, чтобы уничтожить распространенные в воде бактерии. Получается стерилизовать продукты кипячение на больших высотах возможно, но сложно и неудобно из-за низкой температуры кипения.

4. Список использованных источников и литературы.

1. Ландау Л. Д. Физика для всех. Физические тела. / Л. Д. Ландау, А. И. Китайгородский – М.: Наука, 1978. – 210 с.

2. Никонов А. П. Физика на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям. – М.: АСТ, 2016. – 177 с.

3. Перельман Я. И. Занимательная физика: книга 1. – М.: Концептуал, 2020. – 224с.

4. Перышкин А.В. Физика. 8 класс: учебник. – М.: Дрофа, 2019. – 240 с.

5. Присняков В. Ф. Кипение. – Киев: Наук. думка, 1988. – 237 с.

Интернет-ресурсы:

6. Физическое явление, знакомое каждому: кипение воды и его особенности – URL: https://o-vode.net/kakaya-byvaet/kipyachenaya/kipenie (дата обращения: 23.08.2022)

7. Технология производства сгущенного молока – URL: https://sgushhenka.ru/proizvodstvo (дата обращения: 23.08.2022)

8. Что такое скороварка и что в ней можно приготовить – URL: https://club.dns-shop.ru/blog/t-185-multivarki/47686-chto-takoe-skorovarka-i-chto-v-nei-mojno-prigotovit/?ysclid=l7oee38op1726220970 (дата обращения: 23.08.2022)

9. При какой температуре можно и нужно готовить мясо – URL: https://natureweight.ru/temperatura-dlya-myasa/ (дата обращения: 23.08.2022)

10. Современные решения для заморозки и охлаждения – URL: https://msk-leader.ru/ (дата обращения: 23.08.2022)

11. Сайт производитель горелок – URL: https://sledopit.moscow/ (дата обращения: 20.06.2022)

12. Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений – URL: https://fgis.gost.ru/fundmetrology/registry/4/items/1011261 (дата обращения: 20.06.2022)

13. Методология и методы научного исследования – URL: chrome-extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/https://yspu.org/images/7/79/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%8F_%D0%B8_%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4%D1%8B_%D0%BD%D0%B0%D1%83%D1%87%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE_%D0%B8%D1%81%D1%81%D0%BB%D0%B5%D0%B4%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F.pdf (дата обращения 01.11.2022)

5. Приложение с фотоматериалами.

5.1 Фото с эксперимента на вершине гор. Машук

5.2 Фото с эксперимента в пос. Терскол

5.3 Фото с эксперимента на станции Мир

5.4 Фото с экспериментана станции Гара-Баши

5 .5 Фото с эксперимента в г. Армавир

5.6 Фото с экспериментана вершине гор. Бештау

5.7 Фото с экспериментав г. Санкт-Петербурге