VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование зависимости температуры кипения воды от давления. Изготовление компотоварки

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Ковелин Д.А. 1

---

1МАОУ СОШ № 15 города Челябинска

Васильева И.В. 1

---

1МАОУ СОШ № 15 города Челябинска

Работа в формате PDF

588.4 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Изучая книги по физике, (Н. В. Гулиа «Удивительная физика», Я. И. Перельмана «Занимательная физика» и др.) в которых описаны тепловые процессы, а также книги про витамины (Морозкина Т. С., Мойсеёнок А. Г. «Витамины»), мы задумались: можно ли приготовить продукты без разрушения витаминов при приготовлении?

Процесс кипения – один из важнейших процессов на земле. Его используют все люди. Например, во время кипения воды в кастрюле многие люди не учитывают мощность плиты, тем самым тратя электроэнергию, которую можно сберечь. Вопрос заключается в том, можно ли снизить затраты электроэнергии. Мы решили изучить, отчего же будет зависеть температура воды в процессе кипения [6,7]. И на основании этих данных изготовить компотоварку.

Тепловые процессы широко распространены в наши дни в разных областях производства и находят широкое применение во многих процессах, происходящих вокруг нас. По этой причине, актуальность не вызывает сомнений, так как тепловые явления применяются от процесса варки до отопительной системы в домах [6,8].

Новизна нашего исследования заключается в том, что, во-первых, вода может закипать не только при 100°С, но и ниже, и выше в зависимости от разных внешних условий, например, от давления. По воспоминаниям альпинистов, высоко в горах вода у них закипала не при 100°С, а ниже, например, 80°С. На каждой кухне есть кастрюля, поэтому взаимосвязь давления и температуры кипения воды касается каждого. Во-вторых, зависимость температуры кипения воды от давления применяется в скороварке, где температура воды при кипении более 100°С. А как же витамины и полезные вещества? Этот вопрос не освещен в литературе, и мной было принято решение разобраться в этой проблеме.

Цель работы: изучить зависимость температуры кипения воды от давления. И изготовить компотоварку

Задачи исследования:

Изучить проблему исследования (витамины и их свойства, процесс кипения, температура кипения для воды);

Изучить роль витаминов в организме человека;

Собрать установку по изучению зависимости температуры кипения воды от давления;

Провести исследования зависимости температуры кипения воды от давления;

Собрать экспериментальную компотоварку.

Предметом нашего исследования являются жидкости, а именно вода. Объектом нашего исследования является процесс кипения воды.

Методы исследования: изучение литературы по проблеме исследования; экспериментальные методы (сборка установки и исследование зависимости); сборка компотоварки и проведение эксперимента.

Глава 1. Теоретическая часть

1.1 Витамины, их роль и значение

Витамины – это незаменимые пищевые вещества, жизненно необходимые человеку, которые не синтезируются самим организмом (за исключением никотиновой кислоты), их организм должен получать из пищи. Витамины не являются источником энергии или строительным материалом, подобно белкам, жирам и углеводам, но без них невозможны обменные процессы в организме [2,4,5]. При недостатке витамина A развиваются различные поражения эпителия, ухудшается зрение, нарушается смачивание роговицы. Также наблюдается снижение иммунной функции и замедление роста [4,5]. Витамины необходимы человеку в очень малых дозах, но ежедневная физиологическая потребность в них постоянна и абсолютна. При дефиците хотя бы одного витамина могут наблюдаться тяжелые последствия для человека [2,4,5].

Для чего же нужны человеку витамины? Вот лишь несколько примеров роли витаминов, представленных в таблице 1 (Приложение А).

При приготовлении пищи (в частности, при варке компота) вследствие термической обработки многие витамины разрушаются, и фрукты перестают быть полезными. Так, известно, что при варке овощей и фруктов разрушается до 20% витаминов группы В и до 50% витамина С. Также витамин С окисляется при воздействии кислорода воздуха [2]. Приведем данные таблицы 2 (Приложение Б).

Уперизация (ультрапастеризация) – промышленная обработка, при которой сырое молоко только высшего и первого сорта в течение 3-4 секунд нагревают до 135-137°С и столь же быстро охлаждают и производят разлив в асептическую упаковку в полностью стерильных и герметичных условиях.

Пастеризация — процесс одноразового нагревания чаще всего жидких продуктов или веществ до 60 °C в течение 60 минут или при температуре 70—80 °C в течение 30 мин [6]. Технология была предложена в середине XIX века французским микробиологом Луи Пастером.

Стерилизация — это комплекс мероприятий, направленных на уничтожение вегетативных и споровых форм патогенных и непатогенных микроорганизмов на изделиях медицинского назначения [7].

Из таблиц видно, что высокие температуры разрушают витамины. Таким образом, мы подошли к проблеме нашего исследования, а именно, как не разрушить витамины, содержащиеся во фруктах при их приготовлении? Как сделать так, чтобы приготовленный компот оказался полезным? Кроме того, оптимальным процессом варки фруктов и овощей является кратковременная пастеризация при температуре 75 °C.

1.2 Давление

О существовании давления люди догадывались еще во времена Аристотеля и Демокрита. Вклад в развитие атмосферного давления внесли древние атомисты Демокрит, Эпикур и Лукреций. Они не сомневались в материальной природе воздуха, атомы которого, по их мнению, обладают подвижностью и круглой формой [8].

Давление – это величина, равная отношению силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности. За единицу давления принимается такое давление, ко­торое производит сила в 1 Н, действующая на поверхность площадью 1 м², перпендикулярно этой поверхности, т.е. = [Па]. [3]

Воздух давит на поверхность Земли – и мы говорим об атмосферном давлении. Опускаясь в морские глубины, мы испытываем давление воды. В земных недрах тоже есть давление. Действуя со всех сторон, давление позволяет расплавленному земному ядру сохранять форму. На глубине 300 километров под его воздействием атомы углерода теснее прижимаются друг к другу, спрессовываются – и образуются алмазы. [1].

И за пределами Земли существует давление. Газ внутри Солнца сильно сжат. Такое давление преобразуется в колоссальную тепловую энергию [3].

Давление воздушных масс человек не ощущает, хоть и живет на дне «воздушного моря». Ведь воздух, как и вода, давит не только сверху, а со всех сторон [7].

Под давлением мы будем понимать количество ударов молекул, которые находятся над поверхностью жидкости. Чем больше молекул над жидкостью, тем больше ударов о поверхность сосуда они совершают.

В дальнейшем мы будем использовать медицинский шприц для измерения давления следующим образом: нами будет откачиваться воздух при помощи шприца из сосуда с водой. При откачивании воздуха над поверхностью жидкости происходит уменьшение молекул, которые переходят в шприц, тем самым давление уменьшается. И наоборот, когда мы насосом или шприцом накачиваем мяч или сосуд, то количество молекул воздуха увеличивается, тем самым, увеличивается давление. Таким образом, при откачивании воздуха с поверхности воды в сосуде, давление воздуха уменьшается, за счет уменьшения количества молекул над поверхностью воды. Объем откачиваемого воздуха обратно пропорционален давлению.

Глава 2. Практическая часть

2.1 Исследование зависимости температуры кипения воды от давления

Цель: исследовать зависимость температуры кипения воды от давления.

Оборудование: два стеклянных сосуда большего и меньшего размеров, мультиметр с термопарой, шприц, шланг для откачивания воздуха, кипятильник.

Для исследования зависимости мы создали установку, схема которой представлена на рис. 1 (Приложение В).

1 – кипятильник мощностью 500 Вт;

2 – шланг для откачивания воздуха из сосуда при помощи шприца;

3 – шприц объемом Vш=10 мл (для снижения давления);

4 – сосуд 2, предназначен для уменьшения теплообмена с окружающей средой;

5 – сосуд 1 с плотно закрытой крышкой и загерметизированными отверстиями входа кипятильника, термопары и шланга откачки воздуха;

6 – термопара, подсоединенная к мультиметру.

Ход работы:

Влить в сосуд 1 воду.

Благодаря сосуду 2 обмен тепла сосуда 1 с окружающей средой практически отсутствует и, нагрев до определенной температуры воду, мы получает процесс, происходящий при постоянной температуре (изотермический процесс). Основываясь на сказанном, мы можем уменьшать объем воздуха в сосуде 1 (молекулы воздуха переходят в шприц) и тем самым уменьшать давление в нем.

Включить мультиметр (6), фиксируя начальную температуру воды.

Включить в сеть кипятильник (1) и нагревать до кипения. Затем зафиксировать температуру кипения мультиметром.

Так как вода в сосуде прогревается не равномерно, необходимо после нагревания немного подождать.

Откачивать воздух при помощи шланга и шприца. Когда вода при откачивании закипает, то фиксируется откачанный объем (или давление) и температура, показанная на мультиметре.

Полученные данные вносятся в таблицу и определяется зависимость температуры кипения воды от давления. Построить график t_{кипения воды}(Р).

Рис. 2. Температура кипения при нормальном давлении

Рис. 3. Температура кипения при уменьшенном давлении

На рисунке 2 видно, что кипение воды при нормальном давлении составило 98 °С. На рисунке 3 мы откачали 10 мл воздуха из сосуда, т.е. уменьшили его давление, и получили температуру кипения 53°С. Данные своего исследования мы представили в виде графика зависимости температуры кипения воды от давления (откачиваемый воздух или молекулы, находящиеся под поверхностью воды, в шприц) (рис. 4).

Рис. 4. График зависимости температуры кипения воды от давления

Вывод: температура кипения воды уменьшается с уменьшением давления. Температура кипения воды прямо пропорциональна давлению над поверхностью жидкости.

2.2 Изготовление компотоварки

На основании проведенного исследования нами была предложена и создана модель первой компотоварки (рис. 5, Приложение Г). В качестве сосуда нами был использован стеклянный (прозрачный) чайник с нагревательным элементом. В чайнике сделали специальные отверстия для шланга, который подсоединяется к шприцу. При откачивании воздуха в шприц, давление над поверхностью воды с фруктами уменьшается. Тем самым, процесс кипения будет проходить при меньшей температуре.

Для вычисления объема откачанного воздуха используем формулу изотермического процесса:

где Подставляя данные в формулу и решая уравнение, получаем, что

Чтобы вода закипала при температуре равной 75 °С, необходимо создать давление над поверхностью воды равное 38,5 кПа. Таким образом, для создания такого давления необходимо откачать 1,6V₁ первоначальный объем воздуха над поверхностью воды. Если мы отметим уровень воды на отметки, равной 1,3 л, а объем всего чайника равен 1,7 л, то объем воздуха равен 0,4 л, тогда откачиваем 0,64 л воздуха, т.е. 640 мл.

Таким образом, компот будет вариться при температуре ниже 100°С. Для того, чтобы компот закипел, не надо тратить много энергии, что позволяет ее экономить, т.е. практическая значимость установки очевидна.

1-шланг для откачивания воздуха из сосуда при помощи шприца;

2- шприц объемом Vш=1000 мл (для уменьшения давления);

3-компотоварка

4-поверхность нагрева

5-вода с фруктами

Заключение

Таким образом, мы изучили сведения о процессе кипения, температуре кипения воды, ее зависимости от давления, свойства витаминов.

В ходе нашего исследования мы пришли к следующим выводам:

1. Витамины разрушаются в процессе нагревания воды более 80 °С.

2. Откачиваемый объем обратно пропорционален давлению.

3. Горячий чай остынет быстрее теплого, так как при большей температуре воды поверхность жидкости покидает большее количество молекул за счет большей скорости своего движения.

4. Температура кипения уменьшается с уменьшением давления.

5. Представленная нами модель компотоварки может быть изготовлена в промышленных масштабах и использоваться на каждой кухне. Ее ценность для сохранения витаминов в фруктах и овощах очевидна.

Таким образом, человек будет получать все необходимые для жизни вещества.

Список литературы

1. Гулиа, Н.В. Жидкости и газы / Н.В. Гулиа // Удивительная физика.–М.: Энас, 2008. – С. 99-105. – 233 с.

2. Зайчик А. Ш., Чурилов Л. П. Цинга и действие мегадоз витамина С // Основы патохимии. – СПб.: ЭЛБИ, 2000. – С. 375–379. – 688 с. – 3000 экз. — ISBN 5-7733-0037-0.

3. Кириллова, И.Г. Книга для чтения по физике. – М.: Просвещение, 1986. – С. 108-112. – 207 с.

4.Морозкина Т. С., Мойсеёнок А. Г. Витамины. – Минск: Асар, 2002. – С. 58—63. – 112 с.

5.Михалов И. Б. Клиническая фармакология. – СПб.: Фолиант, 1998. – С. 151—154. – 496 с.

6.Несис, Е.И. Кипение жидкостей / Е.И. Несис // Успехи физических наук. ¬– 1963. – Т.87, № 4. – С. 615-639.

7.Перельман, Я.И. Свойства жидкостей и газов / Я.И. Перельман // Занимательная физика. В 2-х книгах. Книга 2: – М.: Наука, 1983. – С. 52-83. – 159 с.

8.Тарасов, Л.В. Физика природных явлений. Книга для учащихся. –М.: Мнемозина, 2013. – С. 87-95. – 384 с. ISBN: 978-5-346-02650-1

Приложение А

Таблица 1

Роль, значение и назначение разнообразных витаминов

Приложение Б

Таблица 2

Потери витаминов при тепловой обработке

Приложение В

Рис. 1. Схема установки.

Приложение Г

Рис 5. Схема компотоварки