XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование физических свойств воды
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ.
Наличие воды определяет наличие жизни на Земле. Когда астрономы исследуют состав грунта и атмосферы планет, то обязательно ищут на них воду. К сожалению, вода есть на небольшом количестве планет. Но нашей планете повезло, поэтому на Земле возможна жизнь. Исследовать некоторые свойства воды я хочу в своей работе.(ПРИЛОЖЕНИЕ А).
Мы определили цель работы: Опытным путем, и на установках собственного изготовления, проверить правильность физических законов и знаний о воде.
Для выполнения цели мы поставили задачи:
изучить некоторые свойства воды;
собрать установки для испытаний;
проанализировать показания приборов в опытах;
Объект исследования: Вода.
Предмет исследования: физические свойства воды.
В ходе работы мы использовали методы: изучение научно-популярной литературы и средств Интернета, анализ собранной информации и обобщение сведений, изготовление установок в домашних условиях, проведение опытов.
Актуальность работы заключается в том, что знание свойств воды позволяют использовать её для нужд людей.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1. Вода и её свойства
Вода - это жидкость, химическая формула Н2О, молекула воды состоит из двух атомов водорода H и одного атома кислорода О.
У воды есть три состояния: лед, жидкость, пар. Вода в виде жидкости присутствует в почве, образует водоёмы; в виде льда и снега в больших объёмах накапливается на полюсах и на горных вершинах; в виде пара летает в атмосфере. Даже в сухих с виду предметах есть вода в небольших количествах. Например доски для изготовления мебели сушат неделю в специальных сушилках. Их закладывают ещё влажными, а после сушки они на ощупь совершенно сухие. И всё же, в этих сухих досках, 8-10% их веса составляет вода. В организмах живых существ и растений очень много воды. Например в древесине живого дуба, до того как он станет предметом мебели содержится килограмм воды на каждый килограмм древесины. В организме человека примерно 60% воды. А медуза на 95% состоит из воды.(ПРИЛОЖЕНИЕ Б).
Вода хорошо растворяет различные вещества. Например в воде из колодца есть различные соли, железо, марганец, фтор, бор. В воде в растворенном состоянии могут находиться различные газы.
Чтобы удалить ненужные примеси из воды, её фильтруют, применяют различные установки для её очистки. Если же нужна совершенно чистая вода, например для медицины или химических опытов, то используют дистиллированную воду. Для этого воду кипятят, а пар пропускают через устройство, которое охлаждает и конденсирует воду. Примеси в пар не попадают, поэтому так можно получить дистиллированную воду.
Удивительно, но именно вода имеет в несколько раз большую теплоёмкость, чем другие вещества. Поэтому чтоб её нагреть необходимо в несколько раз больше тепла чем другие вещества до одинаковой температуры. Это свойство воды помогает регулировать температуру тела. Когда человеку жарко, кожа выделяет пот, а пот испаряясь, охлаждает кожу. Из-за своей большой теплоёмкости вода в составе пота делает это охлаждение очень эффективным.(ПРИЛОЖЕНИЕ В).
Узнав, что самое распространенное вещество на Земле , обычная вода, обладает такими свойствами, я решила исследовать некоторые её свойства.
Я буду исследовать воду на:
1. Увеличение в объёме при нагреве и замораживании.
2. Сжимаемость воды.
3. Теплоёмкость.
4. Величину давления столба воды.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
2.1 Исследование расширения воды при нагреве и замораживании.
Опыт 1.
Вода не только расширяется при нагреве, как все вещества, но и расширяется при замерзании. Попробуем провести опыты нагрева и замораживания воды и зафиксируем увеличение давления при этом.
Для исследования нам понадобится: установка, которую мы спаяем из медных труб, прибор для измерения давления (манометр), фен технический, морозильник.
Собираем установку. Берём технический фен и нагреваем воду в трубе. На манометре замечаем максимальное давление при нагреве. Получаем значение в килограмм на сантиметр квадратный
Замораживаю всю установку в морозильнике. Манометр остался на нулевой отметке, так как лопнула труба и лёд выдавило в это отверстие. Проведу опыт повторно, при этом изменим вид установки.
В этот раз мне повезло, и манометр показал давление при увеличении объёма воды при замораживании. В 140 килограмм на сантиметр квадратный! Это в два раза больше, чем рабочее давление для этой трубы. Такое давление воды будет если нырнуть на глубину 1 километр 400 метров.
Видим, что при нагревании и замораживании воды, она значительно увеличивается в объёме, что фиксирует манометр.
Таким образом, на опыте, мы подтвердили физические знания о расширении воды при нагреве и замораживании.(ПРИЛОЖЕНИЕ Г).
2.2 Сжимаемость воды.
Опыт 2.
Для исследования нам понадобится: Установка из медных труб, устройство для создания давления воды, весы.
Наливаем в трубу установки воду и взвешиваем. Потом поднимаем давление в трубе на одинаковую величину и каждый раз взвешиваем.
При увеличении давления в первый раз, вес воды в трубке вырос из-за того, что сжались воздушные пузырьки в трубе и их место заняла вода. На всех остальных опытах вес воды в трубке не изменился.
Значит физики правы, что считают воду несжимаемой жидкостью при небольших давлениях!(ПРИЛОЖЕНИЕ Д).
2.3 Сравнение теплоёмкости воды и металлов.
Опыт 3.
Для исследования нам понадобится: Установка из двух жестяных банок, вставленные одна в другую, между которыми засыпан перлит — теплоизоляционный материал. Термометр. Алюминий, железо, медь и вода одинакового веса. Заливаем кипяток в банку и опускаем металл, закрываем крышкой и устанавливаем термометр. Каждый раз заливаем новую порцию кипятка и кладём следующий металл. В последнем опыте вместо металла льём воду. Видим, что разница между показаниями термометра когда используем металлы незначительна, но когда вместо металла в кипяток выливаем воду, то температура воды сильно упала.
Это из-за того, что теплоёмкость воды очень высокая. Теплоёмкость, это количества тепла, которое надо передать одному килограмму вещества, чтоб нагреть его на 1 градус.
Сравним теплоёмкости металлов и воды, найдём их значения в интернете:
Медь — 380
Железо — 460
Алюминий — 920
Вода — 4200
Получается, чтоб разогреть килограмм воды надо в 10 раз больше тепла чем килограмм меди! Вот это да!
Данные нашего опыта подтверждают значения теплоёмкостей веществ, найденных нами в интернете. А именно: самая большая у воды (она сильнее всего охладила кипяток, а самая маленькая у меди, с ней кипяток остался горячее всего.(ПРИЛОЖЕНИЕ Е).
2.4 Давление столба воды.
Опыт 4.
Для исследования нам понадобится: труба длиной 20 метров на которой через каждые 5 метров установлены манометры, подъемный кран.
Наполняем трубу водой и поднимаем краном, фотографируем манометры.
Самое большое давление у поверхности земли, а самое низкое наверху трубы. Почему так? Просто верхние слои воды давят вниз на нижние.
Согласно физике, столб воды в 15 метров, должен давать давление 1,5 килограмма на сантиметр квадратный.
Опытные данные совпадают с теорией.(ПРИЛОЖЕНИЕ Ж).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
Человечество с древних времен использовало воду для получения энергии. На реках использовали водяные колеса, опущенные наполовину в воду. Текущая вода крутила колесо, от колеса приводились в движение разные орудия: мельницы для муки, молотилки для обмолота зерна. Водяное колесо поливало поля, его использовали для ковки железа, трепания льна. С развитием техники воду стали использовать в качестве рабочего тела в паровых машинах. По воде ходили пароходы, а по рельсам бегали паровозы. В цехах устанавливали паровые машины. В этих механизмах использовали давление пара при кипячении воды. С открытием электричества, люди стали использовать силу движения воды для выработки электроэнергии в больших количествах.
Если в древние века изучение свойств не имело большого практического применения, то в период развития паровых машин в 19 веке ученые начинают активно исследовать физико-химические свойства воды, что даёт возможность новых вариантов применения её в промышленности.
Мне было интересно, побыть несколько дней в образе учёного 19 века, изучающего свойства воды и изготавливающего для этого установки своими руками. Считаю, что цели работы достигнуты, задачи выполнены.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Перельман Я.И., Занимательная физика. М.: «Наука», 1991, – с. 287.
2 Интернет-ресурсы:
https://ros-pipe.ru/tekh_info/tekhnicheskie-stati/gidrogeologiya-/gidrogeologiya-i-osnovy-geologii/khimicheskiy-sostav-podzemnykh-vod/
https://www.yaklass.ru/p/fizika/8-klass/teplovye-iavleniia-chast-1-12324/chto-takoe-udelnaia-teploemkost-veshchestva-161306/re-b97727fc-53b1-4bd8-91e9-c588efeafcd8
https://www.rothenberger-tools.ru/rek1.html
https://t74t.ru/truby-i-fitingi/mednie-trubi-i-fitingi/mednie-trubi/kme-28-h10-mm-truba-mednaja-neotozhzhennaja-germanija
https://www.yaklass.by/p/ekologiya/energetika-i-izmenenie-klimata/vozobnovliaemye-istochniki-energii-12943/re-67d9b84b-05a0-4a44-8607-2ddb2d1f8d94
https://www.yaklass.ru/p/okruzhayushchij-mir/2-klass/raznoobrazie-prirody-320111/vozdukh-i-voda-prirodnye-bogatstva-340450/re-2467a47a-5631-4620-bd5c-00e92c589f80
https://www.center-pss.ru/klk/k445.htm
I
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Вода на Земле
II
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Вода в живых организмах
III
ПРИЛОЖЕНИЕ В
Растворение веществ и теплоёмкость воды
IV
ПРИЛОЖЕНИЕ Г
Расширение воды
V
ПРИЛОЖЕНИЕ Д
Сжимаемость воды
VI
ПРИЛОЖЕНИЕ Е
Теплоёмкость воды
VII
VIII
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж
Давление столба воды
IX
X