VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование зависимости температуры кипения воды от давления. Виртуальная лабораторная работа

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Ковелин Д.А. 1

---

1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 15 (МАОУ СОШ № 15) города Челябинска

Васильева И.В. 1

---

1МАОУ «СОШ № 15 г Челябинска»

Работа в формате PDF

712.1 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III 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, мы решили создать виртуальную лабораторную работу, которая бы помогла усвоить тему «Кипение» учащимся 8 класса.

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[1,3].

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 [1.4].

Новизна нашего исследования заключается в том, что 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.

Цель работы: изучить зависимость температуры кипения воды от давления и на основании полученных данных создать виртуальную лабораторную работу.

Задачи исследования:

• Изучить проблему исследования (процессов давления и кипения температуру кипения для воды);

• Изучить теорию кипения воды;

• Собрать установку по изучению зависимости температуры кипения воды от давления;

• Провести исследования зависимости температуры кипения воды от давления;

• Сделать виртуальную лабораторную работу.

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, выполнить виртуальную лабораторную работу, исследование зависимости).

Глава 1. Теоретическая часть

Изотермический процесс

Изотермический процесс—термодинамический процесс, происходящий в физической системе при постоянной температуре. Для осуществления изотермического процесса систему обычно помещают в термостат (массивное тело, находящееся в тепловом равновесии), теплопроводность которого велика, так что теплообмен с системой происходит достаточно быстро по сравнению со скоростью протекания процесса, и, температура системы в любой момент практически не отличается от температуры термостата. Можно осуществить изотермический процесс иначе— с применением источников или стоков тепла, контролируя постоянство температуры с помощью термометров. К изотермическим процессам относятся, например, кипение жидкости или плавление твёрдого тела при постоянном давлении. Графиком изотермического процесса является изотерма.

В идеальном газе при изотермическом процессе для неизменной массы газа произведение давления на объём постоянно (закон Бойля-Мариотта). Изотермы идеального газа в координатах — гиперболы, расположенные на графике тем выше, чем выше температура, при которой происходит процесс. [1]

1.2 Давление

Давление - это величина, равная отношению силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности. За единицу давления принимается такое давление, которое производит сила в 1Н, действующая на поверхность площадью 1 м2, перпендикулярно этой поверхности.

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.

И за пределами Земли существует давление. Газ внутри Солнца сильно сжат. Такое давление преобразуется в колоссальную тепловую энергию [3,5].

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.

Всякое вещество можно взвесить. Оказывается, что масса 1 м3 воздуха на уровне моря примерно 1 кг 300 г. Воздух давит на предметы, с которыми соприкасается [2,3]. Я провел ряд экспериментов, которые доказывают существование атмосферного давления

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.

1.3 Процесс кипения

Люди способны непосредственно ощущать холод и тепло, и интуитивное представление о температуре как степени нагретости тел возникло задолго до того, как возникли соответствующие научные понятия. Развитие научного знания о теплоте началось вместе с изобретением прибора, способного измерять температуру— термометра. Считается, что первые термометры сделал Галилей в конце 16 века [1].

В своей практической части в качестве термометра мы будем использовать мультиметр, который включает в себя термопару.

Вспомним пример с походом в горы, при котором мы узнали, что температура при которой закипает вода не 100 градусов (Цельсия). Осуществив поиск по данной проблеме, мы нашли таблицу зависимости температуры кипения от давления. В практической части своей работы мы будем исследовать температуру кипения воды от давления. Тем самым объяснить, что в скороварке за счет увеличения молекул над поверхностью жидкости происходит увеличение давления, молекул становиться больше. Они быстрее двигаются соответственно создается боле высокое давление. Увеличивается температура кипения и варка происходит при более высокой температуре. Соответственно ускоряется процесс варки по времени.

Когда жидкость закипает, то дальнейший подвод к ней энергии (тепла) не увеличивает ее температуру, так как кипение происходит при постоянной температуре [3]. Таким образом, энергия тратится на поддержание процесса кипения, а не на увеличение температуры вещества. Тем самым мы получили практическую значимость своего исследования.

Глава 2. Практическая часть

2.1 Создание установки

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 в приложении А.

Ход работы:

1. Влить в сосуд 1 воду.

2. 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.

3. Включить мультиметр (6), фиксируя начальную температуру воды.

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

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

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

7. Полученные данные вносятся в таблицу и определяется зависимость температуры кипения воды от давления. Построить график tкипения воды(Р).

На рисунке 2 (см. приложение А) видно, что кипение воды при нормальном давлении составило 98 °С. На рисунке 3 (см. приложение А) 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 в приложении А).

Вывод: Температура кипения уменьшается с уменьшением давления.

В ходе проведенного измерения нами были измерены следующие значения (Приложение А, таблица 1). На основании полученных данных была изготовлена виртуальная лабораторная работа.

2.2 Виртуальная лабораторная работа

На основании полученных данных нами была изготовлена виртуальная лабораторная работа по изучению исследования зависимости температуры кипения воды от давления (Приложение А, рис. 5. 6). Данную виртуальную лабораторную работу можно проводить в 7 классе при изучении темы «Кипение». Описание данной работы вы можете посмотреть в приложении В.

Заключение

Таким образом, поставленная перед нами цель исследования, а именно, изучить зависимость температуры кипения воды от давления и на основании полученных данных создать виртуальную лабораторную работу, была достигнута.

Задачи исследования решены:

• Изучили проблему исследования (процессов давления и кипения температуру кипения для воды);

• Изучили теорию кипения воды;

• Собрали установку по изучению зависимости температуры кипения воды от давления;

• Провели исследования зависимости температуры кипения воды от давления;

• Сделали виртуальную лабораторную работу.

Список литературы

1. 1. Акопян, А.А. Теплота, процессы, циклы /А.А. Акопян// Общая термодинамика. — М.—Л.: Госэнергоиздат, 1955. —С.100-166.– 696 с.

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

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

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

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

Приложение А

1 – кипятильник мощностью 250 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.

Рис. 1. Схема установки

Рис. 2. Температура кипения при нормальном давлении

Рис. 3. Температура кипения при уменьшенном давлении

Рис. 4. График зависимости температуры кипения воды от давления

Таблица 1

Таблица измерений

Рис. 5. Скриншот виртуальной лабораторной работы

Рис. 6. Скриншот виртуальной лабораторной работы

Приложение Б

Тема: определение зависимости температуры кипения воды от давления

Цель:изучить зависимость температуры кипения воды от давления.

Оборудование: мультиметр, термопара, колба с водой, насос, манометр, кипятильник.

Ход работы:

Шаг 1. Влить воду в колбу.

Шаг 2

1.Включить в сеть кипятильник;
2. Нагреть воду до температуры 72 ºС;
3. Откачать часть воздуха с помощью насоса;
4. Зафиксировать, при какой температуре закипела вода.

5.Зафиксируем полученные данные в таблице.

Шаг 3

1. Нагреем воду до температуры 75 ºС.

2.Откачаем воздух;
3.Фиксируем, при какой температуре закипит вода.

4.Зафиксируем полученные данные в таблице.

Шаг 4

1. Нагреем воду до температуры 78 ºС.

2.Откачаем воздух;
3.Фиксируем, при какой температуре закипит вода.

4.Зафиксируем полученные данные в таблице.

Шаг 5

1.Нагреем воду до температуры 88
2. Откачаем воздух:
3. Фиксируем, при какой температуре закипит вода.

4.Зафиксируем полученные данные в таблице.

Таблица измерений

Постройте график зависимости температуры кипения воды от давления и сделайте вывод.