Исследовательская работа на тему «Неразгаданная тайна льда»

Научно-практическая конференция «Первые шаги в науку» для учащихся первой и второй ступени образования в 2017 -2018 учебном году

Секция «Физика»

Исследовательская работа на тему

 «Неразгаданная тайна льда»

Автор: Русяев Святослав,

ученик 8 класса ГБОУ СОШ №2

ж.-д. ст. Шентала, Шенталинский район

Научный руководитель:

Фомин Виктор Николаевич     учитель физики

2017 год

Оглавление

·        Введение …………………………………………………………….3

·        Основная часть

1.     Актуальность.…………………………………………….4

2.     Цель, задачи……………………………………………….6

3.     Условия проведения опытов……………………………..7

4.     Экспериментальная часть………………………………..8

·        Заключение

1.    Выводы………………………………………………………..12

2.    Развитие проекта…………………………………………….13

·        Список использованных источников и литературы……………..13

·        Приложения…………………………………………………………14

Введение.

Гляциология - наука о льдах – гляциология (от латинского glacies-лёд и греческого logos-учение) – зародилась в конце 18 века в Альпийских горах,  т.к. именно в Альпах люди жили около ледников. Исторически гляциология выросла из гидрологии и геологии и до сер. 20-го столетия считалась частью гидрологии. Ну а сейчас гляциология превратилась в самостоятельную отрасль знания, лежащую на стыке географии, гидрологии, геологии, геофизике, вместе с мерзлотоведением (иначе геокриологией), изучающей вечную мерзлоту, гляциология представляет часть науки о криосфере- криологии.  Но нам нужно брать лёд и воду. У воды есть 3 агрегатных состояния, а именно: жидкое, газообразное, твёрдое. Жидкое - вода. Газообразное - пар. Ну а нам нужно твёрдое - лёд. Лёд-это одна из самых распространённых горных пород на нашей планете. Им занято больше 1/10 площади суши земного шара. Природные льды очень существенно влияют на формирование климата, на колебание уровня Мирового океана, сток рек и его прогноз (стока рек), на гидроэнергетику, стихийные бедствия в горах, на развитие транспорта, строительство, организацию отдыха и туризма в полярных и высокогорных районах. На поверхности Земли  ежегодно образуется или постоянно существует снежный покров, ледники, подземные льды. Они занимают площадь от долей процента в тропиках, до 100% в полярных областях, где они более заметно влияют на климат и окружающую природу.

Основная часть.

Актуальность

Объявлен международный конкурс на разгадку научной тайны “Эффект Мпембы”. Дедлайн 30 июля 2012 года. Организатор: Британское Королевское химическое общество.

Еще Аристотель 2,5 тысячи лет назад обратил внимание, что в некоторых случаях горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.

Объяснение этому парадоксальному явлению не найдено до сих пор, хотя оно широко применяется на практике, в частности, производителями мороженого и барменами.

После Аристотеля над тайной замерзания горячей воды бились Френсис Бэкон и Рене Декарт, затем ученые как-то охладели к этой теме. Лишь в 1968 году эта загадка снова стала объектом пристального внимания физиков.

А все благодаря танзанийскому школьнику Эрасто Мпембе. Он опаздывал с выполнением практической работы по поварскому делу (нужно было самому изготовить мороженое) и вынужден был поставить еще горячее молоко в морозильную камеру. Каково же было его удивление, когда его горячая смесь замерзла быстрее, чем у его товарищей, которые остудили заготовку перед тем, как ставить ее в холодильник. Эрасто заинтересовался этим необычным явлением и проверил его на обычной воде. Результаты оказались аналогичными: кипяток замерз быстрее воды комнатной температуры. Мпемба обратился за консультацией к профессору Деннису Осборну из университетского колледжа в Дар-Эс-Саламе, и вот уже весь научный мир начал ломать голову над этим чудом. Эффект быстрого замерзания горячей воды, кстати, получил название парадокс Мпембы.

Ученые предлагают разные варианты ответов на поставленный Мпембой вопрос, но к единому мнению ученые мужи так и не пришли. Понятно, что всё дело в разнице свойств горячей и холодной воды. Но вот какие именно свойства играют роль в этом случае: разница в переохлаждении, испарении, формировании льда, конвекции или что-то еще?

Приз конкурса за лучшее объяснение эффекта Мпембы:

·  1000 фунтов стерлингов

Сайт конкурса для добавления объяснения: www.hermes2012.org/ice

Я тоже заинтересовался этим вопросом. Итак, какая вода замерзает быстрее? Многие исследователи выдвигали свои предположения и теории.

Существует несколько объяснения этого парадокса:

1.     Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объем, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. В герметичных контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.

2.     Наличие снеговой подкладки в морозильной камере холодильника. Контейнер с горячей водой протаивает под собой снег, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозильника. Контейнер с холодной водой не протаивает под собой снег.

3.     Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу. При дополнительном механическом перемешивании воды в контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.

4.     Наличие центров кристаллизации в охлаждаемой воде — растворенных в ней веществ. При малом количестве таких центров превращение воды в лед затруднено и возможно даже ее переохлаждение, когда она остается в жидком состоянии, имея минусовую температуру. При одинаковом составе и концентрации растворов холодная вода должна замерзать быстрее.

Но однозначного ответа на вопрос,  — какие из них обеспечивают стопроцентное воспроизводство эффекта Мпембы — так и не было получено. Утверждать пока можно только одно - воспроизводство этого эффекта существенно зависит от условий, в которых проводится эксперимент. Именно потому, что воспроизводится он далеко не всегда. Многие исследователи этого эффекта считают переохлаждение главным фактором в случае с эффектом Мпемба (объяснение 4).

Новое объяснение предложили недавно ученые из Китая и США, статью которых опубликовал Journal of Chemical Theory and Computation. Авторы смоделировали поведение короткоживущих кластеров молекул воды, объединенных водородными связями, при разных температурах. Водородные связи намного (примерно в 18-20 раз) слабее обычных ковалентных химических взаимодействий, однако сила их зависит от геометрии взаимного расположения молекул, между которыми эти связи образуются. По мере нагревания водородные связи ослабевают и, как показало моделирование, молекулы воды в кластерах меняют положение, занимая такие позиции, из которых им проще переходить к кристаллической структуре льда. В холодной воде все происходит так же, только энергии на разрыв водородных связей требуется больше – и замерзание, соответственно, должно проходить медленнее.

Поразмышляв над этим вопросом, я пришел к выводу, что мне ближе версия №3. Мне она кажется логичной исходя из процесса наблюдения за своим экспериментом.

Цель исследования

• Выяснить, какая вода замерзает быстрее: горячая или холодная.

Задачи исследования

• Подобрать инвентарь для опытов.

• Провести опыты по заморозке воды в морозильной камере в различных условиях: в открытых и закрытых сосудах, одновременно, в отдельности друг от друга.

• Изучить исследования по теме в сети интернет.

• Попробовать обосновать результаты опытов.

Условия проведения опытов

Оборудование:

• Холодильник с морозильной камерой.

• 2 одинаковых сосуда.

• Медицинский шприц на 5 мл с ценой деления 0,1 мл.

• Секундомер и таймер на сотовом телефоне.

• Термометр со шкалой от -10°С до +60°С с ценой деления 1°С

Дополнительные условия

• Сосуды можно закрывать.

• Сосуды в морозилку помещаются одновременно.

• Вода кипячёная холодная и горячая.

Экспериментальная часть

Опыт №1

Горячая и холодная вода в открытых сосудах помещаются в морозильную камеру одновременно на 50 минут.

Объём воды до эксперимента, мл		Время охлаждения, мин.	Образование ледяной корки	Объём незамёрзшей воды, мл		Объём растаявшего льда после заморозки, мл
холодная	горячая			холодная	горячая	холодная	горячая
30	30	50	Снизу, по краям	16,3	16,7	13,5	10,8

Суммарный объём горячей воды меньше холодной. Видимо, горячая вода быстрее испаряется, уменьшая тем самым свой объем и замерзает быстрее.

Опыт №2

Открытые сосуды с водой пробуем заморозить. В каком из двух вода замёрзнет быстрее за 100 минут?

Объём воды до эксперимента, мл		Время охлаждения, мин.	Образование ледяной корки	Объём незамёрзшей воды, мл		Объём растаявшего льда после заморозки, мл
холодная	горячая			холодная	горячая	холодная	горячая
30	30	100	Полностью	2	0	27	25

В морозильной камере, в замкнутом пространстве в сосудах устанавливается тепловое равновесие. Горячая вода немного испарилась и  замерзла быстрее.

Опыт №3 

Закрытые сосуды с водой пробуем заморозить. В каком из двух вода замёрзнет быстрее за 50 минут?

Объём воды до эксперимента, мл		Время охлаждения, мин.	Образование ледяной корки	Объём незамёрзшей воды, мл		Объём растаявшего льда после заморозки, мл
холодная	горячая			холодная	горячая	холодная	горячая
30	30	50	Снизу, по краям	14,3	16,7	15,2	12,8

В закрытых сосудах холодная вода замерзает быстрее и вода почти не испаряется.

Опыт №4

Если открытые сосуды расположить на махровом полотенце внутри морозильной камеры, холодная вода замерзает быстрее.

Объём воды до эксперимента, мл		Время охлаждения, мин.	Образование ледяной корки	Объём незамёрзшей воды, мл		Объём растаявшего льда после заморозки, мл
холодная	горячая			холодная	горячая	холодная	горячая
30	30	80	Почти полностью	6,5	7,5	22,5	21,5

В результате наблюдений и выполненных опытов я бы предложил следующие условия наблюдения парадокса Мпембы:

•              Одновременное размещение сосудов.

•              Заморозку производить в морозильной камере (не на улице).

•              Сосуды открыты и их можно закрывать.

•              Сосуды располагать непосредственно на снег морозильной камеры.

•              Наливать одинаковое количество воды.

•              Время для проведения одного опыта – от 40 до 100 минут.

•              Соблюдение правил безопасности (ПРИЛОЖЕНИЕ_1).

Заключение

В результате проделанной работы я узнал для себя много нового и полезного и   выполнил интересные опыты в домашних условиях, узнал, что существует несколько видов льда: атмосферный, водный, подземный, ледниковый. Каждый из видов льда по ­ своему красив и полезен людям. Особенно меня поразило то, что существует сухой лёд. Я узнал о многих свойствах льда: о его огромной, даже разрушительной, силе, о способности охлаждать другие предметы и его таянии под давлением. Узнал, что это все изучает наука гляциология - наука о льдах. Поразило меня то, что люди широко используют свойства льда в своей жизни, и часто лёд бывает просто необходим в той или иной ситуации. Также я узнал о том, нельзя сразу утверждать какие ­ то факты, не проверив их достоверность в различных источниках. Так,  гипотеза «Согласно «Эффекту Мпембы», горячая вода замерзает быстрее, чем холодная»  подтвердилась частично, и я убедился в том, что опытным путем в домашних условиях подтвердить или опровергнуть достоверность «Эффекта Мпембы»  очень сложно. Эффект проявляется только при определенных условиях. Из научной литературы я узнал и то, что «эффект» ­ это ещё не  «закон».

Выводы

• Гипотеза о том, что горячая вода замерзает быстрее холодной, частично  подтверждена. В морозильной камере в открытом сосуде без изоляции от снега горячая вода действительно замерзает быстрее.

• Условия выполнения опыта влияют на результат (как часто открывается холодильник, открыты или закрыты сосуды, подкладываем полотенце под стаканчики или нет).

• Вода капризна, малейшее изменение окружающей среды мешает проведению качественного опыта.

Развитие проекта

В дальнейшем я предполагаю продолжить исследование льда и его свойств, дополнить проект  исследованием кристаллизации воды, когда снег или лёд кладут на стаканчики с водой. В перспективе - изучить виды снежинок, рассмотреть их в электронный микроскоп, измерить поверхностное натяжение воды.

Список использованных источников и литературы

1.     Пёрышкин А.В. Физика 8 класс: Учебник для общеобразовательных учреждений. – 2-е изд. – М.: Дрофа, 2014.

2.     Л.В. Тарасов  Физика в природе. - М. Просвещение. 1988 г

3.     И.Я Перельман  Занимательная физика. –  Екатеринбург 1994 г

4.     http://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Мпембы

5.     http://temperatures.ru/articles/effect_mpembi

6.     http://www.o8ode.ru/article/tawa/mpemba.htm

7.     http://interesko.info/interesno-o-vode-effekt-mpemby/

8.     http://ununu.ru/blog/ehffekt_mpemby_gorjachaja_voda_zamerzaet_bystree/2011-07-18-541   

9.     www.1os.ru/content/subs/doc25

ПРИЛОЖЕНИЕ_1

ВАЖНО!

Правила соблюдения безопасности

1.                     Проводить опыты только под наблюдением взрослых!

2.                     Во избежание поломки дорогого оборудования в качестве морозильной установки нельзя использовать камеру без снежного покрытия. Прослойка снега должна составлять минимум 2,5-3,5 см!

3.                     При работе с горячей водой необходимо быть осторожным, не загромождать область проведения эксперимента.

4.                     Быть аккуратным и собранным, чтобы не ранить себя стеклом или не испортить телефон-секундомер.

ПРИЛОЖЕНИЕ_2