XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Сублимация

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Мягкий Н.А. 1

---

1ГБОУ РФМЛИ

Милостивая Н.Ю. 1Джибилов Р.Б. 2

---

1ГБОУ РФМЛИ РСО - Алания

2ГБОУ РФМЛИ

Работа в формате PDF

87.2 KB

1. Введение

Какое многообразие вокруг нас предметов. Они и в твердом состоянии, и в жидком, и газообразном. Это создает волшебный мир. Мало того, тел вокруг великое множество, так каждое из них можно наблюдать и в твердом и жидком и газообразном состоянии, для этого нужно только создать определенные условия. Яркий пример этому три состояния воды: лед, пар и собственно вода. А нужно только сильно нагреть воду и мы можем увидеть, как она превращается в пар или поместить воду в морозильник и вода превратится с лед. Это физические процессы, т.е. изменение состояния вещества.

Процесс превращения твердого тела в жидкость называется плавлением. Чтобы тело расплавить нужно передать ему энергию в виде тепла (затратить энергию). Процесс превращения жидкости в пар называется парообразованием. И чтобы шло парообразование нужно затратить энергию. Значит, и плавление и парообразование идут с поглощением тепла.

Процесс перехода вещества из пара в жидкость называется конденсацией. Процесс перехода вещества из жидкости в твердое тела называется отвердевание. Оба эти процесса проходят с выделением тепловой энергии.

Но в природе существуют переходы из твердого состояния в газ, минуя стадию жидкого состояния. Этот процесс называется сублимация. Обратный процесс называется десублимация. Если плавление, отвердевание, парообразование и конденсация мы встречаем в повседневной жизни, то понятие сублимации для нас большая загадка. Меня соответственно заинтересовали эти процессы, и в работе я постарался выяснить как можно больше о них: как возникают, от чего зависят, проделать некоторые опыты.

Целью моего исследования является изучение физических явлений -сублимации и десублимация

Гипотеза исследования:

в найденных мною источниках утверждается, что процесс сублимации зависит от физических параметров, то проведение опытов должно это подтвердить или опровергнуть.

Для достижения поставленной цели и доказательства гипотезы были определены следующие задачи:

1. Собрать, изучить, а потом и систематизировать найденный материал по данной теме;

2. Опытным путем изучить процесс сублимации и десублимации;

3. На основе опытов выяснить, какие факторы влияют на скорость процессов сублимации и десублимации;

4. Обобщив полученные теоретические и практические данные, сделать обстоятельный вывод об этих природных явлениях.

Структура исследовательской работы включает в себя введение, главу 1- теоретическое обоснование, главу 2- практическое обоснование, заключение и список литературы.

Основная часть

Теоретическая часть

Выясним что такое сублимация. Для начала посмотрим, что нам говорят словари.

1.Толковый словарь Ушаков СУБЛИМА́ЦИЯ, сублимации, мн. нет, жен. (от лат. sublimo-возношу) (хим.). Переход вещества при нагревании из твердого прямо в газообразное состояние, без превращения в жидкость.

2. Толковый словарь Ефремовой

сублимация сублимация I ж.

1. Переход вещества при нагревании из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу; возгонка.

2. Переход водяных паров в лед или снег в атмосфере.
СУБЛИМАЦИЯ (В ФИЗИКЕ)-это(позднелат. sublimatio - возвышение, вознесение, от лат. sublimo - высоко поднимаю, возношу), возгонка, переход вещества из кристаллического состояния непосредственно (без плавления) в газообразное; происходит с поглощением теплоты ( эндотермический процесс).

В природе похоже на то, когда кубики льда испаряются, даже не растворяясь в воде. При определенных обстоятельствах некоторые вещества переходят непосредственно из твердого состояния в газообразное

Это происходит, когда вещество претерпевает изменения температуры и давления, которые обходят жидкую стадию и непосредственно преобразуют материал из твердого вещества в газы.

И так, фазовые переходы плавления, парообразования и сублимации всегда идут с поглощением тепла, т.е. процессы эндотермический.

Возникает вопрос, а может ли вещество одномоментно находиться во всез трех агрегатных состояниях? В природе существует так называемая тройная точка. Это точка, в которой давление и температура вещества таковы, что оно может существовать во всех трех состояниях одновременно. И эта точка с данными параметрами будет иметь место только для данного вещества, для другого вещества она будет другая.

Так вот непосредственно сублимация - это фазовый переход, происходящий при температуре и давлении ниже тройной точки вещества.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что на процесс сублимации влияют температура, давление, площадь поверхности, относительная влажность, чистота вещества и природные условия.

1. Температура: самым, пожалуй, важным фактором, влияющим на скорость сублимации, является температура. При повышении температуры молекулы твердого тела молекулы двигаются быстрее. И переход в газообразное состояние происходит легче. Соответственно с понижением температуры энергия молекул очень низкая и фазовый переход идет очень медленно или вообще не идет.

2. Давление: еще одним фактором, влияющим на процесс сублимации, является давление. При низком давлении молекулы твердого вещества легче покидают его. При высоком давлении затрудняется или совсем прекращается процесс перехода в газообразное состояние.

3. Площади поверхности: чем больше свободная площадь поверхности твердого тела, тем большее число молекул могут его покинуть и перейти в газ.

4. Относительная влажность окружающей среды: ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ВЛАЖНОСТЬ, мера количественного содержания водяного пара в воздухе. Отношение фактического давления пара к давлению насыщенного пара, при котором обычно конденсируется вода, выражается в процентах. Влажность измеряется ГИГРОМЕТРОМ. (Научно-технический энциклопедическийсловарь) Это говорит о том, что чем больше молекул уже находится в среде ( относительная влажность большая), тем труднее им перейти в газ, и наоборот, сублимация при низкой влажности идет гораздо быстрее.

5. Чистота вещества: чистота вкрапленных в кристалл примесей могут отрицательно влиять на скорость сублимации.

6. Условия окружающей среды: наличие ветра над поверхностью твердого тела увеличивает скорость перемещения испарившихся молекул от твердого тела. Наличие солнечного света, который передает свою энергию испарившимся молекулам, ускоряет процесс сублимации.

Примеры сублимации

• Сухой лед (твердый углекислый газ): широко распространенным в настоящее время примером сублимации является сухой лед. Он подвергается сублимации при атмосферном давлении в газообразное состояние и производит эффект тумана.

• Кристаллы йода: йод в твердой форме сублимируется без необходимости нагревания при комнатной температуре. Кристаллы йода не превращаются в жидкость при контакте с воздухом, а превращаются непосредственно в фиолетовые пары.

• Нафталин: Еще одно вещество, которое сублимируется, — это нафталин, который обычно содержится в нафталиновых шариках. Молекулы нафталина имеют тенденцию со временем превращаться в газ, и постепенно нафталиновые шарики уменьшаются в размерах.

• Камфора:  твердая форма камфоры, которая часто встречается в некоторых медицинских продуктах или средствах от моли, испаряется при комнатной температуре, образуя молекулы запаха.

• Снег и мороз. Водяной пар в воздухе также может конденсироваться непосредственно в лед (иней), что называется отложением, особенно в холодном климате. Другая сторона этого процесса известна как десублимация. Морозные узоры на стекле зимой в мороз тоже пример сублимации.

• Хлорид аммония: Твердый хлорид аммония является распространенным лабораторным веществом и при нагревании сублимируется, выделяя белые пары. Эта особенность позволяет использовать его для многих химических процедур.

• Антрацен: соединение антрацен представляет собой кристаллический материал для изготовления красителей и пластмасс, который сублимируется при температурах выше, чем их точка плавления.

Сублимация в повседневной жизни

Различные варианты использования сублимации в повседневной жизни:

• Сухой лед: сублимируется в закрытом контейнере при комнатной температуре. В специализированных эффектах тумана это используется чаще всего, особенно во время сохранения прохлады.

• Освежители воздуха:  твердые освежители воздуха, в которых сублимация является способом выделения запаха. Вот что происходит, когда кто-то открывает упаковку, и твердый освежитель воздуха медленно превращается в газ, тем самым выделяя запах.

• Сублимированные продукты: 

Еще одно применение сублимации, теперь уже в области питания. Многие продукты питания можно сделать сублимированные. Для этого продукт питания (овощи, фрукты) нужно заморозить, а потом испарить и мы получим в остатке тот же фрукт, но только без воды и в твердом виде. А еще в сублимированных продуктах сохраняются питательные вещества и витамины и при этом объем такого продукта во много раз уменьшается.

Мы уже довольно долгое время имеем дело с сублимированными продуктами: сухие завтраки, кофе, различные смеси для приготовления напитков. А еще сублимированные продукты это основной источник питания космонавтов.

• Снег и иней: процесс, при котором водяные пары пропускают жидкую фазу и непосредственно образуют кристаллы льда на поверхностях, известен как отложения, образующие иней холодным утром.

• Печать: В частности, сублимация широко распространена в технологии печати, особенно в практике сублимационной печати. Твердые чернила превращаются в газ, который не сжижается, а связывается непосредственно с такими материалами, как бумага и ткань.

Применение сублимации

Процесс сублимации используется в различных областях науки и промышленности.

• Сублимация – это то, что нужно судебной медицине. Судебно-медицинские доказательства можно получить из бумаги путем сублимации с использованием йода.

• Химик может дополнительно очистить летучие соединения путем сублимации. Это очень полезно для органических материалов.

• Струйные принтеры в настоящее время заменяются сублимационными. Поскольку отпечатки высыхают сразу после выхода из принтера, распечатки сразу же готовы к использованию.

• Синтетические материалы, такие как полиэстер, печатаются с использованием метода сублимации красителя, используемого в текстильной промышленности. С помощью этой техники можно изготовить футболки, а также флаги и баннеры.

• Предметы, напечатанные с помощью сублимационной печати, разнообразны и включают ручки, а также кофейные чашки или пакеты. Стоимость низкая.

• Сублимация йода также может выявить скрытые отпечатки пальцев на бумаге.

• Эта технология используется космическими агентствами, такими как НАСА и ISRO, для обеспечения своих подопечных на орбите полезной пищей. Его применяют, когда пищевой продукт необходимо хранить в течение длительного времени.

• В промышленности замороженных продуктов сублимация используется при сублимационной сушке. Когда давление окружающей среды снижается, вода, находящаяся внутри в твердой форме, переходит в газовую фазу.

Мы рассмотрели фазовый переход из твердого тела в газ и факторы, влияющие на скорость сублимации, а теперь сравним процессы конденсации, испарения и сублимации. Информация я представил для наглядности в виде таблицы :

2. Практическая часть

1. Наблюдение процесса сублимации на поверхности металла

В опыте с охлажденным металлическим прутом мы хотим показать появление инея.

Приборы и материалы: полоска из алюминия охлажденная в морозильной камере, весы, секундомер.

Ход работы: С помощью пластмассовых щипцов вытащили металлический прут ( щипцы для того, чтобы не отморозить руку и чтобы металл не нагревался от руки). Положили его на весы, которые показали в начале 116,51 г.Через промежуток времени равный 1 мин весы уже показывали 116,54 г. И было видно, что поверхность металла покрылась туманом. По прошествии 2 мин на ребрах прута мы увидели иней, а масса стала равной 116,59 г. Далее масса полоски стала уменьшаться и иней исчез.

Вывод: Так на одном опыте нам удалось наблюдать и сублимацию и десублимацию

2. Наблюдение сублимации и десублимации кристаллов йода

Наглядно продемонстрировать процесс сублимации и десублимации можно на примере кристаллов йода.

Приборы и материалы: кристаллы йода, химический стакан, колба с водой, печка.

Ход работы: в химический стакан насыпали кристаллы йода, сверху поставили колбу с водой и все это стали нагревать на печке. По мере нагревания в стакане стал образовываться газ фиолетового цвета, который заполнил весь стакан. Через некоторое время после того как мы перестали нагревать пар, на колбе с водой образовались вновь кристаллы йода,

Вывод : мы наблюдали, при увеличении температуры превращение кристаллов йода в твердом состоянии в пары йода ( газообразное состояние), а затем при прекращении нагревания – десублимацию.

3. Зависимость скорости сублимации сухого льда в воде от его объема.

С помощью опыта попытаемся установить зависит ли скорость испарения сухого льда от объема

Приборы и материалы: куски сухого льда в стакане, кристаллизатор с водой.

Ход работы: в кристаллизатор с водой положили куски льда одинаковой толщины, но разной площади. У одного куска она больше, у другого – меньше. Наблюдали испарение кусков льда об этом говорил пар , появившийся над водой. Причем пар стелился по столу, это говорит о том, он тяжелее воздуха. Первым испарился кусок с меньшим объемом, а затем с большим.

Вывод: скорость сублимации сухого льда зависит прямо пропорционально объему

4.Зависимость скорости сублимации от температуры окружающей среды

Проведем опыт и попытаемся установить наличие или отсутствие зависимости скорости сублимации сухого льда от температуры окружающей среды.

Приборы и материалы: Стакан с кусками сухого льда одинаковой массы.

Ход работы: положили кусочки льда в места с различной температурой:

1. В морозильную камеру;

2. В холодильную камеру;

3. Оставили на столе

4. Положили в стакан с горячей водой.

Температурные условия оказались следующими: в морозильной камере была температура - 15˚ С, в холодильной камере - +4˚ С, температура воздуха в классе - + 21˚ С, температура горячей воды - +57˚ С.

Эксперимент проводили одновременно со всеми кусками и с одинаковым временем. По прошествии времени сравнили размеры всех кусочков льда. Самым маленьким оказался кусок, помещенный в горячую волу, а самым большим – в морозильной камере.

Вывод: мы показали опытным путем, что температура окружающей среды влияет на скорость сублимации сухого льда, а именно- чем выше температура окружающей среды, тем быстрее идет испарения

3. Заключение:

Процесс испарения играет важную роль в природе и жизнедеятельности человека. Поэтому в работе подробно рассматривается именно этот тепловой процесс. Мною были проведены опыты, проанализировав результаты которых я сделал следующие выводы.

Выводы:

На основе экспериментального исследования доказал, что процесс испарения, в самом деле, зависит от:

1.объема поверхности. (С увеличением площади свободной поверхности жидкости уменьшается скорость протекания процесса испарения и наоборот)

2.температуры (Скорость протекания процесса зависит от температуры)

3.Сублимация весьма полезное в повседневной жизни человечества тепловое явление

4. Список литературы

1. Касаткина И.Л. Репетитор по физике. Теория.,Ростов-на-Дону, Феникс, 2006

2. Перельман Я.И. Занимательная физика, кн.2 «Слово», Уфа, 1993

3. М.С. Полякова, Н.В. Нетребко, С.С. Чесноков. Физика. Справочник для старшеклассников и поступающих в вузы., Москва, НТЦ «Университетский», «АСТ-ПРЕСС», 1999

4. И.Г. Власова , Решение задач по физике. Справочник школьника. Филологическое общество «СЛОВО», Москва 1997

5. Л. А. Аксенович. Физика. Практические занятия: Учебное пособие, Минск, «Вышэйшая школа», 1999

6. Классная физика для любознательных (http://classfizika.ru/8_13.htm)

7. Глоссарий (http://www.glossary.ru/)

8. ПрофиСтарт (http://www.profistart.ru/ps/blog/4870.html)

9. Википидия (http://ru.wikipedia.org/)

10. Вся физика (http://allphysics.ru/phys/isparenie)

11. Фестиваль (http://festival.1september.ru/articles/595690/)ю

12. Источник: https://gufo.me/dict/efremova/%D1%81%D1%83%D0%B1%D0%BB%D0%B8%D0%BC%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F?ysclid=lzb15c8pxc882255940