XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование эффекта Мпембы и закона охлаждения Ньютона
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Природа проста в своих законах,
но неизмеримо богата и разнообразна в их приложениях!
Г. В. Лейбниц
Введение
Вопросы теплового обмена являются важными вопросами в жизни человека, где температура - показатель интенсивности тепловых процессов.
Интерес об эффекте Мпембы у меня появился от того, что я увидел видео и фото этого эффекта в интернете, и заинтересовался, почему когда выливают горячую воду в морозном воздухе , она замерзает быстрее, чем холодная. Эффект Мпембы (Парадокс Мпембы) – парадокс, который гласит, что горячая вода при некоторых условиях замерзает быстрее, чем холодная. Данный парадокс является экспериментальным фактом, противоречащим обычным представлениям, согласно которым при одних и тех же условиях более нагретому телу для охлаждения до некоторой температуры требуется больше времени, чем менее нагретому телу для охлаждения до той же температуры. Так о чём же идёт речь — об ошибке эксперимента или о новом, интересном свойстве воды, которое до сих пор не было изучено?
Этот феномен упоминали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт, однако лишь в 1963 году танганьикский школьник Эрасто Мпемба заинтересовался причинами того, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная. [1]
В этом и проявляется актуальность исследования эффекта Мпембы и закона охлаждения Ньютона, а также условий, при которых возникают процессы охлаждения и отвердевания воды.
Гипотеза: Горячая вода быстрее остывает и замерзает , чем вода комнатной температуры.
Цель работы: Проверить на опыте: как зависит скорость остывания воды от начальной разницы температур, провести анализ полученных результатов на реальностьсуществования эффекта Мпембы и закона охлаждения Ньютона , используя цифровые технологии: компьютерную программу Logger Pro, датчик температуры, интерфейс сбора данных Лабквест.
Поставленная цель наметила следующие задачи:
Изучить теоретические основы темы «Тепловые явления».
Подобрать необходимые приборы и материалы и провести эксперимент.
Проанализировать полученные результаты и сделать выводы.
Объект исследования – процессы охлаждения, замерзания холодной и горячей воды в окружающем мире.
Предмет исследования – ЭффектМпембы и закон охлаждения Ньютона.
Практическая значимость: Процессы охлаждения, замерзания воды происходят в окружающем нас мире.
Новизна исследования: Использование приборов цифровой лаборатории проявляет интерес при изучении тепловых процессов , развивает практические навыки работы с оборудованием, эти умения нужны для глубокого изучения, понимания процессов, а также необходимы для будущей инженерной профессии.
Методы исследования: поиск информации, прямых и косвенных измерений, сравнений, обобщение и систематизация материала, построенные таблиц, графиков, фото и видео.
Теоретическая часть
Теплообмен
Практически все явления внешнего мира и различные изменения в человеческом организме сопровождаются изменением температуры. Явления теплообмена сопутствуют всей нашей повседневной жизни. В конце 17 века известный английский физик Исаак Ньютон высказал гипотезу: «скорость теплообмена между двумя телами тем больше, чем сильнее отличаются их температуры (под скоростью теплообмена понимаем изменение температуры в единицу времени). Теплообмен всегда происходит в определённом направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой. В этом нас убеждают многочисленные наблюдения, даже на бытовом уровне (ложка в стакане с чаем нагревается, а чай остывает). Когда температура тел выравнивается, процесс теплообмена прекращается, т. е. наступает тепловое равновесие. Простое и понятное утверждение о том, что самостоятельно теплота переходит только от тел с более высокой температурой к телам с меньшей температурой, а не наоборот, является одним из основополагающих законов в физике, и называются II законом термодинамики, этот закон был сформулирован в XVIII веке немецким учёным Рудольфом Клаузиусом.[2]
Историческая справка. В 1963 году ученик Магамбинской средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу. Ему нужно было изготовить самодельное мороженое - вскипятить молоко, растворить в нем сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был особо усердным учеником и промедлил с выполнением первой части задания. Опасаясь, что не успеет к концу урока, он поставил в холодильник еще горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по заданной технологии.
Похоже, что после этого Мпемба экспериментировал не только с молоком, но и с обычной водой. 1969 году профессор Деннис Осборн из университетского колледжа в Дар-Эс-Саламе вместе с Мпембой опубликовали результаты своих экспериментов в журнале "Physics Education". С тех пор обнаруженный ими эффект называется эффектом Мпембы. [3] Почему же горячая вода замерзает быстрее холодной, ведь это противоречит первому закону термодинамики?
Объяснение 1: Разница температур воды и окружающей среды. Так как разница температур между горячей водой и холодным воздухом больше, чем разница между тем же воздухом и холодной водой, теплообмен с горячей водой идёт интенсивнее, следовательно, она быстрее охлаждается.
Объяснение 2: Испарение. Горячая вода испаряется быстрее холодной, из чего следуют сразу две вещи: во-первых, испаряясь, вода уменьшает свой объём, а чем меньше объём, тем быстрее он замерзает/нагревается. А во-вторых, испарение способствует более скорой отдаче тепла, то есть температура понижается быстрее.
Практическое применение Эффекта Мпембы.
Так, катки заливают именно горячей водой, чтобы она быстрее превратилась в лёд. Так же поступают и при создании зимой ледяных горок для детей. К тому же, автомобилисты заливают зимой в бачок стеклоомывателя холодную воду как раз потому, что исходя из эффекта Мпембы она замёрзнет медленнее горячей. Закон охлаждения Ньютона используется в системе водяного отопления, важно знать все свойства воды, важно понять механизм процесса теплоотдачи тепла от горячей воды в окружающую среду. [3]
Закон охлаждения Ньютона.
Еще в конце XVII века английский физик И. Ньютон обнаружил простую закономерность: мощность теплообмена между двумя телами тем больше, чем сильнее отличаются их температуры. Другими словами, чем больше разница температур тел, участвующих в теплообмене, тем с большей скоростью он протекает, то есть в единицу времени передается больше теплоты.
Отметим, что разница температур здесь идёт между водой и окружающей средой, т.к. система у нас незамкнутая и теплообмен протекает между жидкостями и окружающей средой в основном конвекцией.
Конвекция - это перенос теплоты движущейся массой жидкости или газа из области с одной температурой в область с другой температурой. Конвекция всегда сопровождается конвективным обменом (теплопроводностью). Характер конвекции в нашем случае – свободный.
Расчёт процесса конвективного теплообмена производится на основе закона Ньютона, который выражается формулой:
, где Q - количество переданной теплоты (Дж), α – коэффициент теплоотдачи (Вт/(м2*К), S- площадь поверхности теплообмена (м2); t- разность температуры жидкости и температуры окружающей среды (К), ԏ - время (с). Коэффициент теплоотдачи характеризует интенсивность теплообмена между телом и окружающей средой (газом или жидкостью). Численно он равен количеству теплоты, отдаваемой единицей поверхности в единицу времени при разности температур между поверхностью тела и окружающей средой, равной одному градусу (1 0С = 1 К).
Всякое отношение ко времени - есть скорость. Разделим обе части уравнения Ньютона на время ԏ, получим скорость конвективного обмена:
Из закона распространения теплоты, по Ньютону, скорость процесса конвективного теплообмена прямо пропорциональна разности температур и коэффициенту теплоотдачи.
α -коэффициент теплоотдачи у горячей воды будет большее, чем у холодной. Таблица 1. Примерные значения коэффициента самоотдачи. Ведь скорость движения молекул горячего больше, и в процессе охлаждения, молекулы по инерции будут стремиться сохранить импульс торможения («тормозящий эффект»), который приобрели при помещении горячей воды в морозильную камеру, а, значит, и остывание будет проходить быстрее. [2]
Практическая часть
Исследование проводилось в 2 этапа в домашних условиях и на базе кабинета физики школы МБОУ «Солнечной СОШ № 1» .
1 опыт. Определение эффекта Мпембы. Взяли горячую воду 90 0С в термосе и холодную воду 20 0С, на улице температура -30 оС, сделали опыт, чтобы определить , как проявит себя горячая вода и холодная в морозном воздухе. По результатам опытов сделали фото и видео. Делаем вывод, что горячая вода в морозном воздухе стала видна, охладилась быстро и даже кристаллизовалась. Эффект Мпембы был хорошо виден по фото и видео. С холодной водой ничего такого не происходило. Она просто вылилась, не замерзла. Холодная вода на морозном воздухе не стала видимой , эффект Мпембы не был виден на фото и видео. (Приложение 1).
Опыт 2. По определению скорости охлаждения воды разной температуры, провели в домашних условиях.
Приборы и материалы: одинаковые сосуды – 2 стакана, датчик температуры, измерительный цилиндр (мензурка), часы (секундомер), горячая вода, вода холодная, интерфейс сбора данных Лабквест. Отмерили мензуркой 100 мл горячей и 100 мл холодной воды. Разлили её в одинаковом количестве (по 100 мл) в стаканы , но с разной температурой. Разница температур составляет 20 °C. В первом стакане температура воды равна t=20 °C, во втором стакане температура воды равна t=40 °C. (Приложение 2)
Приложение 1. Опыт 1 по определению эффекта Мпембы.
Приложение 2. Опыт 2.
Приложение 3. График 1 охлаждения холодной и горячей воды. Опыт 2.
Приложение 4. График 2 охлаждения холодной и горячей воды. Опыт 3.
Затем, поставили два стакана на балкон , температура -10 оС . Проверяли состояние воды через 10,,,,, 60 минут.), замеряли температуру. Результаты измерений занесли в таблицу. По результатам построили график зависимости температуры от времени для холодной и горячей воды. (Приложение 3).По графику 1 и таблице 1 видно , что холодная и горячая вода за 60 мин охладились до 0 оС. Значит горячая вода охлаждается по времени быстрее.
Таблица.1.
|
Время, мин |
10 |
20 |
30 |
40 |
60 |
|
Вода (20оС) в 1 стакане |
12 |
6 |
3 |
1 |
0 |
|
Вода (40оС) в 2 стакане |
22 |
12 |
6 |
4 |
0 |
Опыт 3.
Проводим 3 опыт, взяв два стакана (в каждом стакане одинаковое количество воды) , но разная температура. Разница температур составляет 60 °C. В первом стакане температура воды равна t=20 °C, во втором стакане температура воды равна t=80 °C. Затем, поставили два стакана на балкон , температура -10 оС . Проверяли состояние воды через каждые 10 минут, замеряли температуру датчиком температуры. Результаты измерений занесли в таблицу 2. По результатам построили график 2 зависимости температуры от времени для холодной и горячей воды. (Приложение 4).
Таблица.2.
|
Время, мин |
10 |
20 |
30 |
40 |
60 |
|
Вода (20оС) в 1 стакане |
11 |
6 |
4 |
1,6 |
0 |
|
Вода (80оС) в 2 стакане |
40 |
23 |
15 |
9 |
0 |
По графику 2 и таблице 2 видно , что холодная и горячая вода за 60 мин охладились до 0 оС. Значит горячая вода охлаждается за каждые 10 мин на большее значение температуры. Из графика видно: более интенсивное остывание идёт у воды с высокой температурой, а у воды комнатной температуры скорость остывания гораздо меньше.
Второй этап. 4 опыт. 4 опытпровели на базе МБОУ «Солнечной СОШ № 1» , используя датчик температуры, программу Logger Pro, компьютер, интерфейс сбора данных Лабквест (Приложение 5) калориметр с горячей водой. [5] В кабинете физики температура окружающего воздуха 26 0С замеряли температуру в течении 30 мин. Получили график 3 зависимости температуры от времени охлаждения горячей воды. На графике видно как охлаждается горячая вода , эта зависимость имеет не прямую, а изменение температуры имеет экспотенциальную зависимость от времени.
Узнаем сколько энергии отдает горячая вода за1 минуту и 1 секунду. Формула количества теплоты при охлаждении Q1/ ԏ =c*m*(t1-t2)/ ԏ , t1= 50 0С, t2= 34 0С, св=4200 Дж/кг*0С, m= 0, 1кг, ԏ =30 мин . Подставим в формулу Q1/ ԏ =(4200 Дж/кг*0С*0, 1кг*(50 0С-34 0С)/30 мин=6720 Дж/30 мин=224 Дж/мин=3,7 Дж /с.
Опыт 5. Проведем такой же опыт по проверке охлаждения воды , только возьмем воду 28 0С. Узнаем сколько энергии отдает теплая вода за1 минуту и 1 секунду. Формула количества теплоты при охлаждении t1= 28 0С, t2= 25 0С, св=4200 Дж/кг*0С, m= 0,1кг, ԏ =30 мин . Подставим в формулу Q1/ ԏ =(4200 Дж/кг*0С*0, 1кг*(28 0С- 25 0С)/30 мин=1260 Дж/30 мин=42 Дж/мин=0,7 Дж /с. С помощью интерфейса сбора данных Лабквест получили график 4 зависимости температуры от времени охлаждения теплой воды. (Приложение 6)
Вывод по результатам 4 и 5 опыта, чем больше разница температуры воды с окружающей средой , тем с большей скоростью протекает теплообмен , то есть в единицу времени передается больше теплоты. В этом опыте подтверждается закон охлаждения Ньютона.
Опыт 6,7. Охлаждение вещества этиленгликоля.
Закон охлаждения Ньютона используетсяв системе водяного отопления, в ходе исследования заинтересовало, а какую жидкость можно еще использовать вместо воды. Теплоноситель на основе этиленгликоля представляет собой сложное технологическое вещество, состоящее из двухатомного спирта , воды и большого количества различных химических присадок-ингибиторов. Теплоноситель на этиленгликоле обладает следующими свойствами: Широкий диапазон рабочих температур от -65 до + 118 °С. Малый коэффициент расширения при замерзании.
Приложение 5. Опыт 4 по проверке закона охлаждения Ньютона, используя горячую воду.
График 3. Зависимости температуры от времени охлаждения горячей воды.
Приложение 6. Опыт 5 по проверке закона охлаждения Ньютона, используя теплую воду. График 4. Зависимости температуры от времени охлаждения теплой воды.
Приложение 7. Опыт 6. Охлаждение горячего этиленгликоля. График 5.
Опыт 7. Охлаждение теплого этиленгликоля. График 6.
Преимущество теплоносителя для отопления (охлаждения) на этиленгликоле в том, что, даже замерзая, он не повредит отопительную систему, в отличие от обычной воды. Коэффициент расширения воды при замерзании составляет 9 %, что является неприемлемым показателем: расширение такого масштаба может привести к разрыву труб и другим повреждениям отопительной системы. При этом температура замерзания воды составляет 0 градусов, что не позволяет использовать ее в условиях холодной зимы. Коэффициент расширения этиленгликолевого теплоносителя составляет всего 0,5 %, что является безопасным для любой инженерной конструкции. Не вызывает коррозию, не образует накипь и соли. [7]Провели опыты 6 и 7 по охлаждению этиленгликоля используя датчик температуры, программу Logger Pro, компьютер, интерфейс сбора данных Лабквест (Приложение 7) .
Опыт 6. Узнаем сколько энергии отдает горячее вещество этиленгликоль за1 минуту и 1 секунду. Формула количества теплоты при охлаждении Q3/ ԏ =c*m*(t1-t2)/ ԏ , t1= 50,8 0С, t2= 45,9 0С, сэ=2300 Дж/кг*0С, m= 0, 1кг, ԏ =3 мин . Подставим в формулу Q3/ ԏ =(2300 Дж/кг*0С*0, 1кг*(50,8 0С- 45,9 0С)/3 мин=375 Дж/мин=6,26 Дж /с.
Опыт 7. Проведем такой же опыт по проверке охлаждения этиленгликоля , только возьмем при температуре 35,5 0С. Формула количества теплоты при охлаждении t1= 35,5 0С, t2= 33,7 0С, сэ=2300 Дж/кг*0С, m= 0,1кг, ԏ =3 мин . Подставим в формулу Q4/ ԏ =(2300 Дж/кг*0С*0, 1кг*( 35,5 0С- 33,7 0С)/3 мин=138 Дж/мин=2,3 Дж /с. С помощью интерфейса сбора данных Лабквест получили график 5, 6 зависимости температуры от времени охлаждения этиленгликоля. (Приложение 7)
Вывод по результатам 6 и 7 опыта, чем больше разница температуры вещества с окружающей средой, тем с большей скоростью протекает теплообмен , то есть в единицу времени передается больше теплоты. В этих опытах тоже подтверждается закон охлаждения Ньютона. Если сравнить данные опытов при охлаждении воды и этиленгликоля, то видно, что при охлаждении теплоносителя этиленгликоля в 1 мин и 1 секунду выделяется больше количество теплоты.
Заключение.
Эффект Мпембы действительно существует, но он не противоречит законам Ньютона . Исследуя факт существования эффекта Мпембы, я пришёл к выводу, что в эффекте Мпемба упор делается на разницу температур двух исследуемых жидкостей, а в законе Ньютона речь идёт о разнице температур между исследуемой жидкостью и окружающей средой. Более интенсивно процесс остывания идёт у воды с высокой температурой, а у воды с меньшей температурой скорость остывания идёт с меньшей скоростью. Вода тем быстрее замерзает, чем она быстрее охлаждается! Из кипятка улетают самые быстрые (горячие) молекулы, тем самым ускоряя охлаждение воды! Эффект Мпембы имеет важное применение в нашей жизни, например зимой нужно заливать каток именно горячей водой, чтобы она быстрее превратилась в лёд. Так же поступают и при создании зимой ледяных горок для детей. К тому же, автомобилисты заливают зимой в бачок стеклоомывателя холодную воду как раз потому, что исходя из эффекта Мпембы она замёрзнет медленнее горячей. Так же парадокс Мпембы можно использовать для защиты растений, во время заморозков, для этого необходимо орошать растительные культуры горячей водой для более быстрого образования ледяного панциря на поверхности растений, который служит защитной оболочкой.
Закон охлаждения Ньютона используется в системе водяного отопления, важно знать все свойства воды, важно понять механизм процесса теплоотдачи тепла от горячей воды в окружающую среду. Сравнили воду и этиленгликоль , как вещества для отопления в трубах, какую они имеют теплоотдачу. В системах городского отопления преимущественно используют воду, а в системе отопления частного дома можно использовать теплоноситель этиленгликоль.
То есть процессы охлаждения и отвердевания воды играют огромную роль в окружающем мире. Эта работа углубила знания в различных областях (физика, информатика, математика). Тема очень мне интересна. Опыты, проведенные в ходе нашего исследования, с использованием цифрового оборудования можно применить для более глубокого изучения тепловых процессов. В дальнейшем хотелось продолжить исследования и расширить свои знания по этой теме.
Список использованной литературы и источников:
1.Энциклопедия школьника «4000 увлекательных фактов», Москва; «Махаон» 2006 г
2. Большая научная энциклопедия. Москва. Научное издательство.2007 г.
3. Эффект Мпембы . А. А. Шаталов, Е. С. Кузьмина. Юный ученый. 2018.
4.Журнал «Химия и жизнь» 1994, № 11, с. 62
5. Физика с Vernier.Издательство «Экзамен», 2014 г
6. Ф. Рабиза. Простые опыты. – М., «Детская литература», 2002
7. https://www.thermagent.ru/articles/etilenglikol-kak-teplonositel-svojstva-i-primenenie/