VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Капля Руперта

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Иванов Р.О. 1Исакова С.И. 1

---

1Муниципальное бюджетное образовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №195 г. Новосибирска

Вебер Л.В. 1

---

1Муниципальное бюджетное образовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №195 г. Новосибирска

Работа в формате PDF

610.3 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность: по статистике, в нашей школьной столовой ежедневно разбивают 4-5 стеклянных стаканов, тогда за один учебный год, только в одной школе нашей огромной страны собирается куча битого стекла массой: 36 уч. недель* 6 уч. дней *5 стаканов * 0,235 кг масса стеклянного стакана = 253,8 кг! А как изменить физические свойства стекла?

Цель: исследовать свойства различных видов стекол и рассмотреть факторы влияющие на хрупкость стекла.

Задачи:

Изучить литературу и источники информации по данному вопросу

Изучить свойства, виды и применение стекла

Изучить свойства и получить каплю принца Руперта

Объект исследования: стекло

Предмет исследования: физические свойства стекла и капель Руперта

Гипотеза исследования: физические свойства стекла зависят от вида стекла

Методы исследования:

Эксперимент

Наблюдение

Анализ и синтез

Сравнение

История стекла охватывает примерно 5,5 тыс. лет. В настоящее время считается, что родиной стекла является Древний Египет. Естественным образом произведённое стекло, в особенности вулканическое стекло (обсидиан), использовалось ещё в каменном веке для обработки режущих инструментов. Так как такой материал был редкостью, он стал выгодным товаром. В дальнейшем технологии стекла получили новые импульсы для своего развития. Оптическое стекло нашло свое выражение в линзах для телескопов и микроскопов. Широко стало использоваться стекло и для производства стеклотары. Стекло продолжило быть неотъемлемым элементом архитектуры как барокко, так и модерна.

Стекло́ — вещество и материал, один из самых древних и, благодаря разнообразию своих свойств, — универсальный в практике человека. Все виды стёкол при формировании преобразуются в агрегатном состоянии — от чрезвычайной вязкости жидкого до так называемого стеклообразного. Температура варки стёкол, от +300 до +2500 °C, определяется компонентами этих стеклообразующих расплавов (оксидами, фторидами, фосфатами и других).

Физические свойства стекла

Плотность стекла зависит от его химического состава. Считается, что минимальную плотность среди силикатных стёкол имеет чистое кварцевое стекло (плавленый кварц) — 2200 кг/м3 (хотя некоторые боросиликатные стёкла являются менее плотными). Напротив, плотность стёкол (хрусталь, свинцовое стекло и др.), содержащих оксиды тяжёлых элементов — свинца, висмута, тантала, бария — достигает 7500 кг/м3. Плотность обычных натрий-кальций-силикатных стёкол, в том числе оконных, колеблется в пределах 2500—2600 кг/м3. При повышении температуры с комнатной до 1300°С плотность большинства стёкол уменьшается на 6—12 %, то есть в среднем на каждые 100°С плотность уменьшается на 15 кг/м3.

Модуль Юнга (модуль упругости) стёкол также зависит от их химического состава и может изменяться от 48·103 до 12·104 МПа. Например, у кварцевого стекла модуль упругости составляет 71,4·103 МПа. Для увеличения упругости оксид кремния частично замещают оксидами кальция, алюминия, магния, бора. Напротив, оксиды металлов снижают модуль упругости, так как прочность связей МеO значительно ниже прочности связи SiО. Модуль сдвига 20 000—30 000 МПа, коэффициент Пуассона 0,25.

Прочность: у обычных стёкол предел прочности на сжатие составляет от 500 до 2000 МПа (у оконного стекла около 1000 МПа). Предел прочности на растяжение у стекла значительно меньше, именно поэтому предел прочности стекла при изгибе измеряют пределом прочности при растяжении. Данная прочность колеблется в пределах от 35 до 100 МПа. Путём закаливания стекла удается повысить его прочность в 3—4 раза. Другим способом повышения прочности является ионообменная диффузия. Также значительно повышает прочность стёкол обработка их поверхности химическими реагентами с целью удаления дефектов поверхности (мельчайших трещин, царапин и т. д.).

Твёрдость стекла, как и многие другие свойства, зависит от примесей. По шкале Мооса (десятибалльная шкала, созданная для ориентировочной оценки относительной твёрдости материалов методом царапания.) она составляет 6—7 единиц, что находится между твёрдостью апатита и кварца. Наиболее твёрдыми являются кварцевое и малощелочное боросиликатное стекла. С увеличением содержания щелочных оксидов твёрдость стекла снижается. Наиболее мягкое — свинцовое стекло.

Хрупкость. В области относительно низких температур (ниже температуры плавления) стекло разрушается от механического воздействия без заметной пластической деформации и, таким образом, относится к идеально хрупким материалам (наряду с алмазом и кварцем). Данное свойство может быть отражено удельной ударной вязкостью. Как и в предыдущих случаях, изменение химического состава позволяет регулировать и это свойство: например, введение брома повышает прочность на удар почти вдвое. Для силикатных стёкол ударная вязкость составляет от 1,5 до 2 кН/м, что в 100 раз уступает железу.

Теплопроводность стекла весьма незначительна и равна 0,0017—0,032 кал/(см·с·град) или от 0,711 до 1,339 Вт/(м·К). У оконных стёкол это число равно 0,0023 кал/(см·с·град)

Температура плавления. Стекло — термопластичный материал, при нагреве оно постепенно размягчается и переходит в жидкость. Плавление происходит в некотором температурном интервале, величина которого зависит от химического состава стекла. Ниже температуры стеклования Тс стекло приобретает хрупкость. Для обычного силикатного стекла Тс = 425—600°С. Выше температуры плавления стекло становится жидкостью. При этих температурах стекломасса перерабатывается в изделия.

Виды стекла

Различаются три главных вида стекла:

Содово-известковое стекло (1Na2O: 1CaO: 6SiO2)

Калийно-известковое стекло (1K2O: 1CaO: 6SiO2)

Калийно-свинцовое стекло (1K2O: 1PbO: 6SiO2)

«Содовое стекло» («кронглас», «крон») можно с лёгкостью плавить, оно мягкое и потому легко поддаётся обработке, а кроме того, чистое и светлое.

Калиево-кальциевое стекло

«Поташное стекло», в отличие от натриевого, более тугоплавкое, твёрдое и не такое пластичное и способное к формовке, но обладает сильным блеском. Оттого что раньше его получали непосредственно из золы, в которой много железа, стекло было зеленоватого цвета, и в XVI веке для его обесцвечивания начали применять перекись марганца. А так как именно лес давал сырьё для изготовления этого стекла, его называли ещё лесным стеклом. На килограмм поташа шла тонна древесины.

Свинцовое стекло

Свинцовое стекло (хрусталь, «флинтглас», «флинт») получается заменой окиси кальция окисью свинца. Оно довольно мягкое и плавкое, но весьма тяжёлое, отличается сильным блеском и высоким показателем преломления, разлагая световые лучи на все цвета радуги и вызывая игру света.

Кварцевое стекло

Чисто кварцевое стекло получают плавлением кремнезёмистого сырья высокой чистоты (обычно кварцит, горный хрусталь), его химическая формула — SiO2. Особенности кварцевого стекла — прозрачность для ультрафиолетовых лучей, тугоплавкость и близкий к нулю коэффициент температурного расширения. По последней причине оно устойчиво к перепадам температуры и неравномерному нагреву. Одна из основных современных областей использования — баллоны галогенных ламп, работающие при высоких температурах, и колбы ультрафиолетовых газоразрядных ламп. Также его иногда используют в качестве материала для деталей точной механики, размеры которых не должны меняться при изменении температуры. Примером служит использование кварцевого стекла в точных маятниковых часах. Кварцевое стекло может быть также природного происхождения (см. выше —кластофульгуриты), образующееся при попадании молнии в залежи кварцевого песка (этот факт лежит в основе одной из исторических версий происхождения технологии).

Применение стекла

Стекло как диэлектрик

Как материал для изоляторов стекло отличают высокая электрическая прочность, устойчивость к поверхностному пробою, сравнительно малые диэлектрические потери, термостойкость, газонепроницаемость материала и спаев, инертность, относительная прочность и высокая стабильность размеров, неизменность параметров во времени при соответствующем выборе режимов. Стеклянные изоляторы используются в высоковольтных линиях электропередач, в подавляющем большинстве электровакуумных приборов, корпусах конденсаторов, транзисторов, микросхем, индикаторов, реле и других электронных компонентов, особенно — ответственных исполнений. Известны конденсаторы в виде спечённого пакета металлических пластин, изолированных стеклом, и провода в жаростойкой изоляции из стекловолокна.

Остекловывание радиоактивных отходов

Захоронение радиоактивных отходов требует надёжного связывания соединений радиоактивных изотопов независимо от их дисперсности, водорастворимости, газо- и тепловыделения, изменения объёма со временем. Для этой цели широко применяется вплавление ядерных отходов в стекломассу. Соответствующие соли и оксиды либо растворяются в стекле, включаясь в его химическую структуру, либо остаются в виде мелкодисперсных кристаллов, окружённых массой стекла («матрицей»). Блок из такого материала достаточно прочен, стабилен и химически инертен, чтобы предотвратить разнос радиоактивных веществ в окружающую среду с водой и воздухом. Блоки помещаются в хранилища, например, глубокие скважины в толще устойчивых и непроницаемых горных пород, где способны пролежать сотни лет до естественной потери радиоактивности. Этот же способ предлагается использовать и для консервации некоторых токсичных веществ.

Капли принца Руперта
Батавские слёзки (в честь Батавии — старого названия Голландии), также болонские склянки, капли принца Руперта— застывшие капли закалённого стекла, обладающие чрезвычайно высокими внутренними механическими напряжениями
Скорее всего, подобные стеклянные капли были известны стеклодувам с незапамятных времён, однако внимание учёных они привлекли довольно поздно: где-то в середине XVII века. Появились они в Европе (по разным источникам, в Голландии, Дании или Германии). В Англию их привёз принц Руперт Пфальцский. Технология изготовления «слёзок» держалась в секрете, но на поверку оказалась очень простой.

Существуют различные способы получение капли принца Руперта. Один из них это капнуть расплавленным стеклом в холодную воду, получается капля в форме головастика, с длинным изогнутым «хвостом». При этом капля обладает исключительной прочностью: по её «голове» можно бить молотком, и она не разобьётся. Но если надломить хвостик, капля мгновенно разлетается на мелкие осколки. Опыт необходимо проводить в защитных очках, так как «взрывающееся» стекло очень опасно.

Соблюдая все правила техники безопасности, мы решили поэкспериментировать с различными стеклами.

Практическая часть

Практическая работа №1

Определение плотности стекла

Цель работы: определить плотность разных видов стекол

Приборы и материалы: весы учебные, мензурка, разные виды стекол

Ход работы:

Взвесить на весах разные виды стекол;

Определить объем с помощью мензурки;

Вычислить плотность стекла: Р= м/v

Вывод: плотность зависит от вида стекла

Практическая работа №2

Исследование теплопроводности стекла

Теплопроводность. Теплопроводность веществ измеряется количеством тепла, переносимым через единицу площади поперечного сечения образца в единицу времени при разности температур, равной единице: , где Q — переносимое количество тепла, кал; λ,— коэффициент теплопроводности, кал/см·с·град или ккал/м·ч·град (вт/м·град); S — площадь, через которую происходит теплопередача, см²; а — толщина образца, см; t — разность температур, °С;  τ — время, с.

Оборудование: стеклянные палочки, газовый резак Kovea KT-2511 Fire Bird Torch, температурные датчики, секундомер.

Ход работы:

Нагреваем стекла в пламени газовой горелки.

Измеряем температуру через равные промежутки времени (25 с)

Результаты фиксируем в таблице:

Мощность газового резака Р= 1,09 кВт= 1090 Вт

Выводы: разные виды стекла имеют разную теплопроводность: натриевое стекло обладает лучшей теплопроводностью - из него лучше всего получаются капли Руперта, свинцовое стекло обладает меньшей теплопроводностью, но капли из него тоже получаются.

Практическая работа №3

Исследование хрупкости стекла

Хрупкость – свойство материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций.

Цель работы: исследовать хрупкость различных стекол при комнатной температуре

Оборудование: различные виды стекла, гири различной массы, термометр, измерительная линейка.

Ход работы:

Взяли осколки стёкол примерно одной массы.

Взяли гири различных масс.

Бросали гири на осколки стекла с высоты 0.3 м.

Записали результаты наблюдений в таблицу.

H = 0.3 м

Вывод: самыми хрупкими стеклами при комнатной температуре (t=20 °С) оказались свинцовое и натриевое стёкла.

Практическая работа №4

Получение капли Руперта

Цель работы: научиться получать каплю из разных видов стекла

Приборы и материалы: разные виды стекла, газовый резак Kovea KT-2511 Fire Bird Torch

Ход работы:

Взять стекло.

Взять и зажечь горелку;

Поднести к стеклу;

Дождаться, когда стекло нагреется, превратиться в каплю и упадет на поверхность.

Вывод: мы научились получать стеклянные капли Руперта из натриевого и свинцового стекла.

Капля Руперта из свинцового стекла

Капля Руперта из натриевого стекла

Практическая работа №5

Исследовать поведение капли в разных условиях

Цель работы: исследовать поведение капли в разных условиях

Приборы и материалы: разные виды стеклянных капель, газовый резак Kovea KT-2511 Fire Bird Torch, вода, растительное масло, мыльный раствор, мензурки, штатив универсальный.

Ход работы:

Налить в мензурки воду, масло, мыльный раствор и раствор воды + масла;

Зажимаем стекло в лапке штатива;

Взять горелку, включить и поднести к стеклу;

Дождаться пока капля не упадет в мензурку;

Записать наблюдения.

Наблюдения:

Натриевое стекло:

В воде - капля разлетелась на осколки.

В масле - первые несколько секунд был цела, но лопнула из-за пузыря внутри капли.

В мыльном растворе - разлетелась на осколки

В воде + масло - при погружении в масло была цела, но после перехода в воду разлетелась на осколки.

Вывод: мы увидели, как будет вести себя капля в разных условиях, ее поведение объясняется тем, что, когда стекло охлаждается, его наружные слои стремятся уменьшиться в объеме. Этому препятствуют внутренние слои, остывающие медленно из-за малой теплопроводности стекла. Образующиеся напряжения между наружными и внутренними слоями приводят к разрушению стекла. Те же процессы протекают и при резком нагревании стекла. Разница заключается в том, что при охлаждении в стекле образуются напряжения растяжения, а при нагревании — напряжения сжатия.

Практическая работа №6

Определение ударной вязкости капли при разных температурах

Ударная вязкость - способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки.

Цель работы: определить ударную вязкость капли.

Приборы и материалы: молоток, капли стеклянные, весы, динамометр, термометр

Ход работы:

Взвесить массу молотка и капли;

Найти отношение масс молотка и капли;

Положить каплю на прочную, гладкую поверхность;

Ударить молотком по стеклу.

Свинцовое стекло. М= 0,75. Т= 20 °С

Натриевое стекло. М= 0,75. Т= 20 °С

K=М молотка/ М капли

Вывод: Капля выдерживает удар молотком массой 450 г но разрушается от удара гири массой 3000 г. При пониженных температурах (- 10 °С) капли разбиваются от удара молотком.

Выводы:

Мы экспериментально изучили и доказали необычность свойств капель Руперта, что в свою очередь дает новые взгляды на переработку стекла

В результате изменения температуры стекла мы получили маленькую капельку обладающую очень большой прочностью.

По статистике, в нашей школьной столовой ежедневно разбивают 4-5 стеклянных стаканов, тогда за один учебный год, только в одной школе нашей огромной страны собирается куча битого стекла массой: 36 уч. недель* 6 уч. дней *5 стаканов * 0,235 кг масса стеклянного стакана = 253,8 кг! А значит, проекты по переработке битого стекла быстро завоюют популярность. Благодаря своей спайной микроструктуре стекляшки будут обладать огромной прочностью и упругостью, а их дешевизна и богато орнаментированная поверхность обеспечат им широкий сбыт. Отслужив же свое, такая плита или изделия вновь отправятся на переработку!

Источники информации

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D0%B5%D0%BA%D0%BB%D0%BE

https://www.syl.ru/article/310145/steklo-chto-takoe-vidyi-tehnologiya-proizvodstva-svoystva-naznachenie

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B0%D1%82%D0%B0%D0%B2%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5_%D1%81%D0%BB%D1%91%D0%B7%D0%BA%D0%B8

http://replyon.net/178-kaplya-princa-ruperta.html

https://www.popmech.ru/science/321222-kaplya-printsa-ruperta-protiv-puli-samoe-prochnoe-steklo-v-mire/