Исследование испарения для создания модели "холодильного" сосуда

IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Исследование испарения для создания модели "холодильного" сосуда

Гребенчук М.П. 1
1МБОУ "Гимназия № 6" г. Мурома
Шульпина Т.В. 1
1МБОУ "Гимназия № 6" г. Мурома
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Все знают, что выстиранное белье со временем высохнет. И так же очевидно, что мокрый тротуар после дождя обязательно станет сухим. У меня возник вопрос: Как и почему это происходит?

В одной из научно познавательных передач на телевидении я увидел, как сохраняли продукты свежими в Древнем Египте. Оказывается, еще за 2500 лет до н.э. египтяне знали, как это сделать без использования электричества. В странах востока с давних пор умели сохранять молоко свежим, используя пористые глиняные горшки. Меня поразил тот факт, что в основе всех вышеуказанных процессов лежит испарение жидкости. Я решил узнать больше об этом процессе и создать свой холодильник, работающий без электричества.

Проблема испарения остается актуальной в различных технологических сферах и в окружающей нас природе. Достаточно сказать, что круговорот воды в природе происходит через фазы испарения и объемной конденсации. От круговорота воды, зависят такие важнейшие явления, как солнечное воздействие на планету или просто нормальное существование живых существ в целом. Испарение широко применяется в промышленной практике для очистки веществ, сушки материалов, разделения жидких смесей, кондиционирования воздуха. Испарительное охлаждение воды используется в оборотных системах водоснабжения предприятий.

 Гипотеза: скорость испарения зависит от рода вещества, площади поверхности жидкости и температуры воздуха, наличие перемещающихся воздушных потоков над ее поверхностью.

Цель исследования: создать модель «холодильного» сосуда и исследовать способы понижения его температуры.

Задачи исследования:

изучить явление испарения жидкостей и его причины;

познакомиться с применением испарения в природе и технике;

выяснить от чего зависит скорость испарения жидкости;

провести практическое исследование «холодильного» сосуда.

1. Основная часть

1.1. Развитие представлений о строении вещества.

Ещё в глубокой древности, 2500 лет назад, некоторые учёные высказывали предположение о строении вещества. Греческий учёный Демокрит (460-370 до н.э.) считал, что все вещества состоят из мельчайших частиц. В научную теорию эта идея превратилась только в XVIII в. и получила дальнейшее развитие в XIX в.

В XIX в. учёные доказали, что вещество состоит из мельчайших частиц именно потому, в нём имеются пустые пространства, благодаря которым тела могут изменять свой объём - увеличивать его или уменьшать, сжиматься при охлаждении и расширяться при нагревании.

Работы М.В. Ломоносова и основные положения МКТ.

Существенный вклад в развитие молекулярно-кинетических представлений сделал в середине XVIII в. великий русский учёный Михаил Васильевич Ломоносов. Он объяснил основные свойства газа, предположив, что все молекулы газа движутся беспорядочно, хаотично и при столкновениях отталкиваются друг от друга. Беспорядочным движением молекул М.В. Ломоносов впервые объяснил природу теплоты. Так как скорости теплового движения молекул могут быть сколько угодно велики, температура вещества по его представлениям не имеет ограничения сверху. При уменьшении скорости молекул до нуля, должно быть возможное минимальное значение температуры вещества. Объяснение природы теплоты движением молекул и вывод о существовании абсолютного нуля температуры получили теоретическое и экспериментальное подтверждение в конце XIX в.

Молекулярно-кинетической теорией называется учение о строении и свойствах вещества, использующее представления о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химического вещества.

Основные положения МКТ строения вещества: вещество состоит из частиц - атомов и молекул; частицы хаотически движутся; частицы взаимодействуют друг с другом.

Тепловое движение молекул. Температура и

внутренняя энергия. Испарение.

Явления, связанные с нагреванием или охлаждением тел, с изменением температуры, называются тепловыми. К таким явлениям относятся, например, нагревание и охлаждение воздуха, таяние льда, плавление металлов и др.

Беспорядочное движение частиц, из которых состоят тела, называют тепловым движением. В тепловом движении участвуют все молекулы тела, поэтому с изменением теплового движения изменяется и состояние тела, его свойства.

Температура - физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Теплота не всегда изменяет температуру тела, но всегда изменение температуры тела есть изменение энергии движения его молекул. Это указывает на то, что температура является свойством тела, зависящим от молекулярной энергии. Температуру измеряют термометрами в градусах различных температурных шкал. В Международной системе единиц (СИ) выражается в Кельвинах (К).

Внутренняя энергия – энергия хаотического (теплового) движения микрочастиц системы и энергия взаимодействия этих частиц. Она зависит от температуры тела, агрегатного состояния вещества и других факторов. Внутренняя энергия не зависит ни от механического движения тела, ни от положения этого тела относительно других тел. При повышении температуры внутренняя энергия тела увеличивается, и наоборот. Внутренняя энергия тела меняется при изменении скорости движения молекул.

Существует шесть процессов перехода вещества из одного состояния в другое, одним из которых является парообразование, которое происходит в результате кипения и испарения. Это – испарение. Обычно под испарением понимают переход жидкости в пар, происходящий со свободной поверхности. Вследствие теплового движения молекул испарение возможно при любой температуре, но с возрастанием температуры, т. е. интенсивности теплового движения молекул, скорость испарения увеличивается.

При переходе из жидкости в пар молекула должна преодолеть силы молекулярного сцепления в жидкости. Работа против этих сил, а также против внешнего давления уже образовавшегося пара совершается за счёт кинетической энергии теплового движения молекул. В результате испарения жидкость охлаждается. Поэтому, чтобы данный процесс протекал при постоянной температуре необходимо сообщать каждой единице массы вещества определённое количество теплоты, называемое теплотой испарения.

1.4. Скорость испарения жидкости.

В отличие от кипения испарение происходит при любой темпе­ратуре, однако с повышением температуры жидкости скорость испарения возрастает. Чем выше температура жидкости, тем больше быстро движущихся молекул имеет достаточную кинетичес­кую энергию, чтобы преодолеть силы притяжения соседних частиц и вылететь за пределы жид­кости, и тем быстрее идет испарение.

Скорость испарения зависит от рода жидкости. Быстро испаряются летучие жидкости, у кото­рых силы межмолекулярного взаимодействия малы (например, эфир, спирт, бензин). Если кап­нуть такой жидкостью на руку, мы ощутим холод. Испаряясь с поверхности руки, такая жид­кость будет охлаждаться и отбирать у нее некоторое количество теплоты.

Скорость испарения жидкости зависит от площади ее свободной поверхности. Это объясняется тем, что жидкость испаряется с поверхности, и чем больше площадь свободной поверхности жид­кости, тем большее количество молекул одновременно вылетает в воздух.

В открытом сосуде масса жидкости вследствие испарения постепенно уменьшается. Это свя­зано с тем, что большинство молекул пара рассеивается в воздухе, не возвращаясь в жидкость (в отличие от того, что происходит в закрытом сосуде). Но небольшая часть их возвращается в жидкость, замедляя тем самым испарение. Поэтому при ветре, который уносит молекулы пара, испарение жидкости происходит быстрее.

Применение в технике. Испарение играет важную роль в энергетике, холодильной технике, в процессах сушки, испарительного охлаждения. Например, в космической технике быстроиспаряющимися веществами покрывают спускаемые аппараты. При прохождении через атмосферу планеты корпус аппарата в результате трения нагревается, и покрывающее его вещество начи­нает испаряться. Испаряясь, оно охлаждает космический аппарат, спасая его тем самым от пере­грева.

2. Охлаждение испарением

2.1. Первые шаги искусственного испарения

Доставка снега и льда на далекие расстояния была слишком дорогим удовольствием, доступным лишь очень узкому кругу высшей аристократии. Более важной, особенно в жарких странах, была нужда просто в охлажденной воде, которую можно было бы получать на месте и без больших затрат. Для этого не годился пассивный способ охлаждения внешним, более холодным телом; такого тела просто не было. Нужно было придумать другой, активный способ охлаждения – без применения снега или льда. И такой способ был придуман.

Идея его состояла в том, чтобы заставить саму воду себя охлаждать! И это сделали древние египтяне еще за 2500 лет до н.э. На сохранившихся с того времени фресках изображены рабы, которые большими веерами обмахивали сосуды с питьевой водой (рис. 1.1). Очевидно, что таким способом, используя для этого обычные кувшины, нельзя получить воду, более холодную, чем окружающий теплый воздух. Однако гениальная, в полном смысле этого слова, мысль состояла в том, чтобы сделать сосуды пористыми. Часть воды, просачиваясь через поры, испарялась на поверхности кувшинов, охлаждая ее, обдувание сухим воздухом интенсифицировало этот процесс. В результате оставшаяся в сосудах вода охлаждалась на 10-15°С ниже начальной температуры. Идея этого способа родилась, по-видимому, из повседневного опыта: увлажненная поверхность тела на ветре охлаждается.


Рис. 1.1. Охлаждение воды испарительным способом в Древнем Египте

В Индии с незапамятных времен и вплоть до прошлого века тоже использовалось испарительное охлаждение, но в сочетании с другим процессом, делавшим его еще эффективнее. Плоские керамические открытые сосуды, напоминающие по форме большие сковороды, наполнялись водой и помещались на соломенных подстилках, уложенных на дне неглубокий траншей, вырытых в грунте. В ночное время при ясном небе вода в плоских сосудах настолько охлаждалась, что иногда покрывалась коркой льда. Частично охлаждение объяснялось испарением воды, но главная причина была в другом – тепловом излучении с поверхности воды.

Сейчас трудно сказать, как объясняли столь сильное охлаждение воды древние изобретатели этого способа.

Научным исследованием теплового излучения начали заниматься только в XVIII в. Первыми были члены знаменитой флорентийской «Академии опытов». Более основательное исследование провел швейцарский профессор М. Пикте (1740 г.). Схемы его опытов показаны на рис. 1.2. Использовались два металлических вогнутых зеркала, установленных одно напротив другого. В фокусе первого зеркала (рис. 1.2, а) помещался сосуд с горячей водой. Тогда термометр, установленный в фокусе второго зеркала, показывал повышение температуры по сравнению с температурой окружающей среды. Если же поместить в фокус первого зеркала сосуд с кусками льда (рис. 12, 6) (что было сделано по совету математика Бертрана), то термометр показывал температуру ниже, чем в окружающей среде. Раньше такие эффекты объясняли действием в первом случае теплых (калористических – от латинского слова calore) лучей, а во втором – холодных (фригорических – от латинского слова frigore). Такое объяснение шло в русле положения, идущего еще от Аристотеля, о существовании неких «теплого» и «холодного» начал, могущих смешиваться в разных соотношениях.

Однако Пикте преодолел груз этих представлений и впервые нашел правильное объяснение. То, что он назвал «тепловой эманацией» (т.е. энергия, передаваемая излучением), всегда идет от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. На рис. 1.2, б таким более теплым телом служит шарик термометра, а более холодным – лед. Поэтому термометр охлаждается, а лед тает. Необходимость в двух началах – теплом и холодном, таким образом, отпала.

 
Рис. 1.2. Опыт М. Пикте: 1 — сосуд с кипящей водой; 2 — термометр; 3 — сосуд со льдом

В «индийском варианте» охлаждения излучение сравнительно теплой воды уносит намного больше энергии, чем дает ей излучение холодного ясного ночного неба. Поэтому вода охлаждается так интенсивно.

Достижения в области охлаждения воды испарением через стенки пористых сосудов были забыты после падения античной цивилизации. Только в средние века с помощью арабов эти «холодильные чудеса» попали в Испанию и Португалию. Здесь широко распространились пористые сосуды для охлаждения воды, называемые «алькарацца». Затем они проникли дальше в Европу, прежде всего во Францию, где стали известны во времена Франциска I (1494-1547 гг.).

Развитие испарительного охлаждения тогда остановилось на сугубо практическом уровне. Никто в то время не мог предполагать, что в будущем, после целой серии научных исследований в XVII и XVIII вв., оно обеспечит базу для создания одного из основных направлений низкотемпературной техники XIX и ХХ вв.

Несколько позже, чем испарительное охлаждение, был изобретен и другой способ охлаждения — посредством смешения (точнее его можно было бы назвать растворением). Первое краткое упоминание об открытии, лежащем в его основе, содержится в индийской рукописи «Панкатантрам», датируемой IV в. до н.э. Оно гласит: «Вода охлаждается, если в нее добавляется соль». Основанный на этом методе способ получения льда описан арабским писателем Ибн-Аби-Усабия (1203-1269 гг.).

К XVI в. в Европе было уже широко известно применение растворения селитры в воде для охлаждения напитков. В частности, охлажденной таким способом водой, поили рабов-гребцов на галерах. В 1550 г. вышло даже специальное научное сочинение испанского врача Блазиуса Виллафранка. Это, пожалуй, первое из известных практических руководств по холодильной технике. Оно, как и полагалось в то время, было написано на латинском языке и имело, как тогда было принято, длинное название, из которого для нас важны первые два слова: «Меthodus refrigerandi» (методы охлаждения). В нем, в частности, сказано, что такой способ охлаждения воды и вина широко известен и применяется горожанами в домашнем хозяйстве.

Вскоре был сделан и следующий шаг: было установлено, что смешение селитры со снегом позволяет получать значительно более низкие температуры. Впервые этот способ был описан в труде неаполитанца Баптисто Порта «Madia Naturalis» (1589 г.). Неаполитанский врач Латинус Танкредус писал (1607 г.) о быстром замораживании воды в сосуде, помещенном в такую смесь.

Охлаждающие смеси и в дальнейшем сыграли существенную роль в развитии исследований в области низкотемпературной физики и техники. По существу, они вплоть до середины XIX в. оставались основным средством охлаждения в экспериментальных работах.

В быту они использовались еще долгое время. Еще в 20-е годы нашего века в Москве и других городах готовили и продавали мороженое в бачках, помещенных в ящики с соленым льдом. Так же замораживались и хранились многие пищевые продукты. 

2.2 Роль испарения

И испарение, и кипение распространенные физические явления в нашей жизни. Мы постоянно сталкиваемся с ними в нашем быту, испарение активно используется в промышленности и природных условиях, как именно, читайте далее.

2.2.1. Испарение в организме человека, животных и растениях

Испарение играет важную роль процессе саморегуляции температуры тела человека, как впрочем, и почти всех млекопитающих. Так как чрезмерный перегрев тела вредный, а порой и смертельный (так при температуре тела более 42,2 °C в крови человека происходит свертывание белка, что приводит к смерти) организм имеет защитный механизм для предотвращения перегрева – потоотделение. Например, когда мы болеем и имеем высокую температуру, а потом она падает, мы обильно потеем. Также мы потеем при тяжелом физическом труде, при перегреве на Солнце. Пот выделяется через поры кожи, а затем испаряется, все это позволяет нашему организму быстро избавиться от лишней энергии, охладить тело и нормализировать температуру.

Аналогично это работает и у животных, а некоторые порой даже стремятся ускорить процесс испарения. Так, например собаки для этой цели в жаркую погоду открывают рот и высовывают язык. Именно гортань и язык собаки наиболее подходят для испарения влаги и охлаждения тела животного.

Что же касается растений, то и они обладают схожим механизмом. Во избежание перегрева на Солнце они запускают процесс испарения ранее поглощенной воды, таким образом, охлаждаясь. Именно поэтому очень важно в жаркую погоду усиленно поливать культурные растения, предотвращая их выгорание или засыхание, ведь в такие дни влага особенно нужна растениями не только для питания, но и для охлаждения.

2.2.2. Испарение в природе и окружающей среде

Роль испарения в природе просто огромна, так как без этого физического явления была бы невозможна сама Жизнь на нашей планете. Именно испарение лежит в основе естественного круговорота воды, который обеспечивает экосистему Земли необходимыми питательными элементами и разносит жизненно важную влагу по всему миру. Испарение воды с поверхности рек, озер, морей и океанов создает дождевые тучи, которые затем, проливаясь дождем, питают растения и деревья.

Именно благодаря испарению на Земле идут дожди, а о том, как они важны и как трудно без них приходится порой, спросите об этом жителей Северной Африки или Центральной Индии, которые часто страдают от засухи.

2.2.3. Испарение в промышленности и быту

Вот лишь несколько примеров использования испарения в промышленности.

Испарения применятся при создании охладителей для двигателей и ядерных реакторов.

При сушке различных вещей: от одежды до промышленного сырья.

При кондиционировании и очищении воздуха.

При очистке разных веществ на молекулярном уровне.

Во время готовки на пару в кулинарии.

При охлаждении воды.

Промышленная техника, работающая на основе процессов испарения, конструируется по одному и тому же принципу: в ней всегда максимально увеличена площадь поверхности жидкости, чем обеспечивается наиболее оптимальный теплообмен с газовой средой.

3. Практическая часть

3.1. Зависимость испарения от рода вещества

Цель: Выяснить зависит ли испарение от рода вещества при прочих равных условиях.

Приборы: пластиковые стаканы с водой, растительным маслом и спиртом.

Описание методики проведения исследования

Для исследования взяты жидкости разной плотности и поверхностного натяжения, но одинакового объема 20 мл. Поместили жидкости в одинаковые сосуды цилиндрической формы. В течение исследования поддерживалась постоянная температура и влажность воздуха. С течением времени следили за изменением объема жидкостей. У исследуемых жидкостей самый большой коэффициент поверхностного натяжения у воды, самый малый у спирта. Плотность спирта и растительного масла одинаковая и меньше плотности воды.

Результаты исследования:

Время, ч

Объем спирта, мл

Объем воды, мл

Объем растительного масла, мл

0

20

20

20

12

10

15

17

24

0

9

14

36

 

3

12

42

 

0

11

48

   

10

72 (3 дня)

   

6

96 (4 дня)

   

2

102,68

   

0

Вывод: в ходе исследования выяснилось, что испарение зависит от рода вещества, не зависит от плотности жидкостей и коэффициента поверхностного натяжения.

3.2. Зависимость испарения от площади поверхности:

Цель: Выяснить зависит ли испарение от площади поверхности при прочих равных условиях.

Приборы: Стеклянный стакан с водой и стеклянная тарелка с водой.

Описание методики проведения исследования: В оба сосуда налили по 50 мл воды. Площадь поверхности в сосудах отличается в 4 раза. В помещении поддерживалась постоянная температура 220С и влажности 70%. С течением времени следили за изменением объема жидкостей.

Результаты исследования:

Площадь поверхности, см 2

Температура , 0С

Время, ч

28

22

42

113

22

38

Вывод: в ходе исследования выяснилось, что испарение зависит от площади поверхности испаряемой жидкости, чем больше площадь, тем больше скорость испарения.

3.3. Зависимость испарения от температуры

Цель: Выяснить зависит ли испарение от температуры жидкости при прочих равных условиях.

Приборы: Стеклянная тарелка с водой и металлическая кастрюля с водой.

Описание методики проведения исследования

В оба сосуда налили по 50 мл воды. Одну из емкостей довели до кипения, а другую оставил при комнатной температуре. С течением времени следили за изменением объема жидкостей.

Результаты исследования

Площадь поверхности, см 2

Температура , 0С

Время, ч

113

24

36,87

113

100

0,13

Вывод: в ходе исследования выяснилось, что скорость испарения зависит от температуры жидкости, чем выше температура, тем больше скорость.

3.4. Зависимость испарения от движения воздушных масс над жидкостью

Цель: Выяснить зависит ли испарение от движения воздушных масс над поверхностью жидкости при прочих равных условиях.

Приборы: Две пластиковые емкости с водой и электрический бытовой фен.

Описание методики проведения исследования

10 мл, воды поместили в одинаковые емкости при температуре помещения 240С и влажности 70%. Одну емкость обдували при помощи бытового фена, а другую нет.

Результаты исследования

Условие протекания опыта

Площадь поверхности, см 2

Температура , 0С

Время, ч

Без обдувания

95

24

14,30

С обдуванием

95

24

0,67

Вывод: в ходе исследования выяснилось, что скорость испарения зависит от движения воздушных масс над поверхностью жидкости.

3.5. Создание модели «холодильного» сосуда и исследование способов понижения его температуры.

Цель: создать модель «холодильного» сосуда и исследовать способы понижения его температуры.

Приборы и материалы: горшочек из необожжённой глины объемом 200 мл, алюминиевая цилиндрическая трубка длиной 10 см, диаметром 1 см, кварцевый песок, вода, спирт, вентилятор, цифровая физическая лаборатория с датчиком температуры.

Модель - сосуд создан из металлической трубки, помещенной в горшочек из необожжённой глины. Между трубкой и горшочком помещен кварцевый песок. Песок заливается водой, которая со временем пропитывает пористый горшочек, что приводит к охлаждению внутренней части сосуда при испарении воды с поверхности горшочка.

Результаты исследования способов понижения температуры «холодильного» сосуда

1.«Холодильный»сосуд помещали в помещение с разной температурой и выяснили, что при более высокой температуре помещения разность температур возникает больше до Δt=30C.

2 . При одинаковой температуре помещения заполняли «Холодильный»сосуд сначала водой, а потом спиртом. Выяснилось, что при заполнении спиртом разность температур возникает больше до Δt=50C.

3. «Холодильный»сосуд, заполненный водой, обдували вентилятором, при этом разность температур существенно повышается, требуется при этом следить за пересыханием горшочка до Δt=50C.

4. Исследовали охлаждение воды в глиняных пористых горшках разного объема. Выяснилось, что с увеличением объема испаряемой поверхности при прочих равных условиях (температуры и влажности) жидкость внутри горшка действительно охлаждается сильнее до Δt=30C.

Вывод: холодильный сосуд можно сделать из подручных средств и добиться большой разности температур, при использовании легко испаряемой жидкости, хорошей вентиляции и избегания попадания прямых солнечных лучей.

Предлагаю для бытового использования «холодильный» сосуд, приведенный на рисунке. Он не требует электрической энергии и не сложен в изготовлении.

 

Заключение.

В результате выполнения работы были изучены различные источники информации по вопросу процесса испарения и условий его протекания. Определены физические параметры, оказывающие влияние на скорость протекания процесса испарения, и исследована зависимость протекания процесса испарения от них. Высказанная гипотеза оказалась справедливой. Теоретические предположения были подтверждены в процессе исследований.

Скорость протекания процесса испарения действительно зависит от рода испаряемой жидкости и движения воздушных масс над ней, увеличивается с увеличением температуры жидкости и площади испаряемой поверхности.

Данная работа имеет практическое значение, так как в ней исследования были успешно применены для создания модели «холодильного» сосуда, без использования специальных источников энергии. Я продолжу изучения тепловых явлений, с целью поиска возможного нового их практического применения.

Библиографический список

Список используемой литературы

1. Алексеева М.Н. Физика–юным: Теплота. Электричество: Книга для внеклассного чтения, М., Просвещение, 1980.

2. Дягелев Ф.М. Из истории физики и жизни ее творцов: Кн. для учащихся, М., Просвещение, 1986.

3. Перышкин А.В. «Физика», 8 класс: М., Дрофа, 2012.

Список используемых сайтов

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/;

2. http://class-fizika.narod.ru/

3. https://www.poznavayka.org/fizika/isparenie/

Просмотров работы: 18