VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Удивительные свойства снега и льда
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Всем хорошо известно, чем закончилась русская народная сказка о девочке Снегурочке.
«Вот уж пришел и весне конец; приспел Иванов день. Подружки с села собрались на гулянье в рощу, зашли за Снегурочкой» - читаю я строки из сказки. [1]
Оказывается, Снегурочка жила в доме бабки и деда не только всю весну, но и летний месяц – июнь! И растаяла только, прыгнув через костер, 23 июня. Каждому понятно, что в жизни Снегурочка растаяла бы дома намного раньше.
Интересно, а как долго может не таять лед при комнатной температуре? И как можно было бы продлить жизнь ледяной девочке Снегурочке?
Для этого я решила провести исследование снега и льда.
Гипотеза - я предположила, что лед в тепле тает быстрее; вода разной степени солености замерзает по-разному.
Объект исследования - снег, лед.
Предмет исследования - свойства снега и льда.
Цель работы - узнать о свойствах снега и льда.
Задачи:
Опытным путём выяснить:
1) Таяние льда в различных условиях;
2) Замерзание воды разной степени солёности;
Исследовать форму снежинок и узнать о методе опреснение воды замораживанием и оттаиванием.
Основная часть
Опыт №1 «Таяние льда в различных условиях»
Моя задача - выяснить, одинаково ли будет таять лед, если поместить его в теплой комнате в разные условия.
Ход эксперимента: Взяла одинаковые кубики льда, положила их: в горячую воду, в воду комнатной температуры, на тарелку, в шерстяную варежку. Засекла время и стала ждать, когда растает каждый образец.
Результат в таблице №1.
Таблица №1. Таяние льда в различных условиях.
|
Куда поместила лед: |
Время таяния: |
|
В горячей воде |
1 мин 15 с |
|
В воде комнатной температуры |
4 мин 10 с |
|
В сухой тарелке при комн. темп. |
35 мин |
|
В варежке |
4 часа 10 мин |
В разных условиях лед тает по-разному. Как и ожидалось, быстрее всего лед растаял в горячей воде, а медленнее всего таял в варежке, т.к. варежка защищает лед от теплого комнатного воздуха, служит изолятором, не пропускает тепло внутрь и не дает кубику льда быстро нагреться и растаять.
Рис.1 Таяние льда в различных условиях.
Оказывается, раньше, когда не было холодильников, у людей в погребе для сохранения продуктов могли лежать куски льда, прикрытые опилками, чтобы не пропустить тепло к кускам льда.
Значит, нашу Снегурочку нужно было укутать, например, шерстяным одеялом, так бы она таяла гораздо медленнее. Правда и это бы ей не помогло. Жалко, что у бабки с дедом из сказки не было морозильной камеры. А есть ли способ сохранить лед при комнатной температуре еще дольше, чем в варежке?
Я попробовала набить ледышками термос и оставила его при комнатной температуре, периодически проверяя содержимое. Мне было очень любопытно, насколько долго не растает лед в термосе. Оказалось, что ледышки пролежали почти 2 суток! Получается, в термосе можно пару дней хранить мороженое. И снегурочка бы могла прожить в термосе несколько дней.
Значит, лед тает, т.к. получает тепло из окружающей среды. А что еще может заставить лед плавиться?
Рис.2 Лед в термосе
Я люблю кататься зимой на коньках. И мне стало интересно, почему коньки хорошо скользят по льду, но не скользят также хорошо по другим гладким поверхностям? Например, по кафелю или стеклу? Из литературы я узнала, что на самом деле, конёк скользит по тонкому слою воды, образующемуся под коньком. Но откуда же берётся этот слой воды, ведь на ощупь лёд сухой?
Узким лезвием фигурист создаёт достаточное давление, чтобы кристаллы льда начали опять превращаться в воду. В тот момент, когда лезвие конька касается поверхности льда – он начинает плавиться. Слой воды получается очень тонким и частично высыхает, а частично превращается обратно в лёд. Это происходит практически сразу, после того, как конёк отрывается от поверхности. Именно поэтому на льду не остаётся никаких водяных следов после катания.
Значит, лед плавится под давлением.
Опыт №2 «Плавление льда под давлением»
Для этого опыта мне понадобились: лед, нитки, ложки, высокий стакан.
Рис.3 Приготовления для опыта «Плавление льда под давлением»
На кусочек льда, лежащий на дне перевернутого стакана перекинула нитку с привязанными к обоим концам ложками. Таким образом создалось давление на лед. Конструкцию поставила в холодильник, чтобы лед не растаял раньше времени, и стала ждать. Через некоторое время нитка немного проплавила лед и вмерзла в него. [2]
Рис.4 Нитка проплавила лед
Опыт №3 «Таяние льда с солью»
Для опыта мне понадобились: кубики льда, тарелка, соль, краски.
Налила воду в формочки и заморозила. Ледышки достала из формочек, положила на тарелку, посыпала солью и стала ждать. Лед стал таять, в ледышке образовались трещинки. В трещинки я добавила краски и получила удивительное зрелище. Соль проплавила лед насквозь, и с помощью краски это хорошо было видно.
Когда мы посыпаем лед солью, образуется соляной раствор, температура замерзания которого ниже 0.
Именно поэтому тротуары зимой посыпают солью. [2]
Рис.5 Процесс таяния льда с солью.
Опыт №4 «Скорость замерзания воды»
Итак, я выяснила, что лед от соли тает. Тогда возникает вопрос – а может ли замерзнуть соленая вода?
Хочу узнать, одинаково ли замерзает вода разной солености.
Ход эксперимента: Попробовала заморозить соленую воду разной концентрации. Температура -15
Первый образец: обычная вода
Второй образец: 2 ч.л. соли на стакан воды
Третий образец: 2 ст.л. соли на стакан воды
Воду поставила в морозильник, засекла время и стала ждать.
Результат наблюдений в таблице №2
Таблица №2. Скорость замерзания воды.
|
Время замерзания: |
|
|
Обычная вода |
1 час |
|
2 ч.л. соли на стакан воды |
Вода замерзла примерно через 3 часа, но ледышка получилась не твердой, как в первом образце, а рыхлой. |
|
2 ст.л. соли на стакан воды |
На поверхности воды образовался небольшой рыхлый комок льда, но остальная вода в стакане так и не замерзла |
Вывод: чем больше концентрация соли в воде, тем ниже температура замерзания раствора.
Рис.6 Замерзание пресной воды и соленой воды разной концентрации.
Опыт №5 «Чистый лед»
Пока замораживалась соленая вода для предыдущего опыта, мне пришла в голову интересная мысль – я пробовала вкусный фруктовый лед, пробовала обычную ледышку из пресной воды, но никогда не пробовала соленую ледышку! Какая она?
Каково же было мое удивление, когда ледышка из соленой воды оказалась пресной!Куда же делась соль? Оказывается, вода стремится при замерзании вытеснить примеси. Узнать об этом мне помог следующий эксперимент. [3]
Для опыта мне понадобилось: вода, соль, сахар, три одинаковых стаканчика.
Рис.7 Замерзание пресной, сладкой и соленой воды
Заморозила три кристалла льда из соленой, сладкой и обычной воды. Расколола каждый кристалл пополам, попробовала на вкус лед в центре ледышки и с внешней стороны.
Рис.8 Расколотый кусок льда
Результат представлен в таблице.
Таблица №3. Определение льда на вкус.
|
Вкус |
|
|
Обычная вода |
Лед безвкусный |
|
Соленая вода |
Лед соленый в центре ледышки, безвкусный с внешней стороны. |
|
Сладкая вода |
Лед сладкий в верхней части ледышки, в остальных частях ледышки безвкусный |
Вывод: Сладкий и соленый растворы замерзают не равномерно, пресная вода в них замерзает, вытесняя соль в центр ледышки, сахар – вверх (видимо, замерзание происходило снизу). Вода стремится при замерзании вытеснить примеси. Вот почему ледышка оказалась пресной, когда я лизнула ее с края. Вся соль переместилась в центр ледышки.
Опыт №6 «Метод опреснения»
Из литературы я узнала, что предыдущие опыты с замораживанием соленой воды есть не что иное, как метод опреснения. Раз соленая вода замерзает медленнее пресной, и при замерзании вода стремиться очиститься от соли, значит, пресную воду из соленой можно получить замораживанием.
Еще раз заморозила соленую воду. Дождалась, пока вода замерзнет не полностью. Достала лед на тарелку, дала немного стечь остаткам соленой воды. Попробовала на вкус оставшуюся незамерзшую воду – она была очень соленой! Попробовала на вкус лед – он был пресным.
Этот метод очень дорогой, ведь нужно затратить много энергии, чтобы заморозить воду. Но оказывается данный метод опреснения популярен среди эскимосов. Прежде всего потому, что не требует совершенно никаких затрат – мороз у эскимосов бесплатный. Они выставляют воду в емкости на мороз и ждут, пока в ней не начнут образовываться кристаллы льда. Этот лед собирается и растапливается. Полученную воду можно пить. [3]
Рис.9 Пресный лед
Опыт №7 «Превращение воды в лед»
Изучая лед в предыдущих опытах, обратила внимание на то, что замерзшая вода имеет больший объем. Провела опыт, подтверждающий это.
Для опыта мне понадобилось: вода, стакан.
В стакан налила воды до метки, поставила замораживаться. Объем льда увеличился, поднялся выше метки. Вывод: расстояние между молекулами льда больше, чем между молекулами воды, поэтому лед занимает больше места, чем вода, то есть расширяется.[4]
Рис.10 Объем льда больше объема воды
Интересно, а как сильно меняется объем? Оценить более точно, как изменился объем, поможет следующий опыт. Налила в трубочку воду, один конец трубочки залепила пластилином, отметила уровень воды. Линейкой измерила столбик воды – 4,5 см. Заморозила трубочку с водой, измерила длину столбика после замораживания (5 см). Объем увеличился.
Рис.11 Изменение объема воды при замораживании
Столбик воды был 4,5 см, льда – 5 см. Объем замороженной воды увеличивается на 1/9.
Опыт №8 «Плотность льда»
Итак, плотность льда меньше плотности воды, значит, лед должен плавать. Доказать это мне поможет следующий эксперимент.[5]
Налила воду в формочки, пластилином прикрепила на дно трубочки для коктейля (мачты), заморозила лед. Достала из формочки ледяные кораблики. Опуская их в воду, проверила, плавают ли они.
Рис.12 Ледяные кораблики
Действительно, плавают! Значит, плотность льда меньше плотности воды.
Рис.13 Лед плавает
Интересно, а каков же объем снега по отношению к объему талой воды?
Опыт№9 «Таяние снега»
Для опыта мне понадобилось: снег, мерный стакан.
Рыхлый снег положила в мерный стакан. Когда он растаял, его объем уменьшился примерно в 10 раз. Начальный объем 300мл, конечный 30мл. Вывод: в рыхлом снеге значительную часть объема занимает воздух, т.к. снежинки не плотно прилегают друг к другу. [6]
Рис.14 Изменение объема снега при таянии
Снег состоит из множества удивительных по красоте снежинок. Узнать их форму мне помогло наблюдение.
Наблюдение за снежинками.
Меня очень заинтересовала форма снежинок. Попросила маму помочь мне понаблюдать за снежинками и сфотографировать их. Вместе мы сделали много красивых фотографий снежинок. Мама помогала мне фотографировать, а я ловила на кусочек стекла красивые большие снежинки. Не думала, что это окажется настолько увлекательно и в тоже время трудно. Снежинки слипались друг с другом, ломались. Красивые снежинки удалось поймать, когда на улице было -18, а при такой погоде быстро мерзнут не только руки и ноги, но еще и фотоаппарат.
Форма снежинок оказалась шестиугольной, как и написано в книжке.[7]
Рис.15 Наблюдение за формой снежинок
Я несколько дней охотилась за снежинками после школы. Но зато теперь у меня есть красивые фотографии пойманных мной снежинок.
Опыт №10 «Замораживание и размораживание ягод»
Пока я проводила свои эксперименты со льдом, нашла в морозильнике запасы свежезамороженных ягод смородины и малины, которые я сама собирала летом на даче.
Рис.16 Замороженных ягод смородины и малины
Понаблюдала, что ягоды после размораживания выглядят вялыми и совсем не такими, как были летом. Оказывается, это происходит потому, что сок в клетках ягоды расширяется при замораживании и портит стенки клеток. Они попросту ломаются. Поэтому ягодка после размораживания плохо держит форму, кажется нам вялой и совсем не аппетитной, как летом.
Рис.17 Размороженные ягоды
Заключение
В своей исследовательской работе я провела много опытов со льдом и снегом. Подтвердила гипотезу о том, что лед быстрее растает в теплой воде, а вода разной степени солености замерзает по-разному. Узнала больше о свойствах снега и льда, открыла для себя удивительные факты об эскимосах, опресняющих воду, о тротуарах, посыпанных солью.
Выяснила, как тает лед в различных условиях. Самым удивительным для меня стал тот факт, что в варежке лед долго не тает. Мне казалось, что в «теплой» варежке ледышка должна растаять быстро, а оказалось наоборот. Теперь я знаю, что это не так.
Самой вкусной частью моего исследования стало изготовление фруктового льда в промежутках между остальными опытами. Да и размороженные ягоды, хоть и потеряли форму, но вкус сохранили отличный!
А еще на память об этой интересной исследовательской работе у меня остались волшебные фотографии снежинок. А я и не знала, что снег внутри такой красивый! Неудивительно, что и Снегурочка – девочка из сказки – получилась так хороша собой. И хотя она растаяла, но конец у сказки вовсе не такой печальный, ведь Снегурочка вернулась облаком и пролилась дождем, а зимой вновь выпала на землю прекрасными снежинками. И так происходит каждый год. Значит, будет новая зима, будет и снегурочка.
А пока до свидания, Снегурочка! До новой зимы, до нового снегопада!
Список литературы
Русские народные сказки. Снегурочка. Москва, Просвещение, 1983
Большая книга экспериментов – Москва, Росмэн, 2015, с.59
Конюхов Ф. Антарктида – Москва, ИД Фома, 2014
Все обо всем. Энциклопедия, Том 1, с.66
Все обо всем. Энциклопедия, Том 3, с.49
Все обо всем. Энциклопедия, Том 4, с.48
Дворнякова О. Книжка про снежинки – Москва. Настя и Никита, 2015