Проектно-исследовательская работа

муниципальное казенное общеобразовательное учреждение

Верхнехавская средняя общеобразовательная школа №3

Верхнехавского муниципального района Воронежской области

Проектно-исследовательская работа

Тема: «__________________________»

Выполнил:

Руководитель:

Верхняя Хава

____ г.

1.Введение

Актуальность

Без воды на Земле не было бы никакой жизни. Поэтому ее разыскивают на других планетах, но нашли лишь до сих пор лишь замерзшую воду-лед. К тому же вода ведет себя необычно. Актуальность данной исследовательской работы не вызывает сомнения. Каждый человек должен знать о воде как можно больше. Ведь «без воды и не туды и не сюды».

Гипотеза

Мы предположили, что лед при различных внешних воздействиях тает по разному, так же как и вода замерзает в зависимости от внешних условий.

Проблемы: как ведут себя вода и лед в разных условиях.

Цель: углубить изучение вопроса об изменениях агрегатных состояний воды и аномальных свойствах воды.

Задачи

-выявить состояния воды в природе;

-расширить знания о воде и значении ее в жизни человека;

-провести опыты и наблюдения.

Для решения нашей проблемы мы составили программу действий :

-изучить теорию плавления льда;

-провести опыты с водой и со льдом;

-объяснить опытные наблюдения;

-оформить проект;

-конечный результат: обобщить проделанную работу и защитить свой проект на конференции.

Основная часть

1. Вода-чудо, сотворимое природой.

Самая распространенная жидкость на Земле - вода. Ее твердое состояние-лед, а газообразное - пар. Вода была еще до появления человека: жизнь возникла в водной среде. Почти 70% поверхности нашей планеты занято океанами и морями. Твердой водой – снегом и льдом – покрыто 20% суши. Тело человека почти на 70% состоит из воды. Молекулы воды обнаружены в межзвездном пространстве. Вода входит в состав комет, большинства планет солнечной системы и их спутников. Вода обладает уникальными химическими и физическими свойствами.

2. Три состояния воды.

Вода - единственное вещество на Земле, которое существует в природе в трех состояниях: жидком, твердом, газообразном.

Из твердого состояния вещество переходит в жидкое, а из жидкого в газообразное. Такой переход называют фазовым переходом.

В жидкостях молекулы расположены почти вплотную друг к другу. Они обладают большей свободой, чем молекулы твердого вещества, хотя полностью свободно перемещаться не могут. Притяжение между ними хоть и слабее, чем в твердых телах, но все-таки его достаточно, чтобы молекулы удерживались на близком расстоянии друг от друга. Молекулы в жидкостях могут перескакивать на свободные места, поэтому жидкость обладает таким свойством как текучесть.

При температуре меньше 0⁰С вода превращается в лед. При этом состав молекул не изменяется, изменяется их взаимное расположение, характер теплового движения и силы межмолекулярного взаимодействия.

Весной, когда пригревает солнышко, начинают таять сугробы и появляются сосульки. Причина их появления в поверхностном натяжении и во взаимном притяжении молекул воды. Мельчайшие кристаллики льда, из которых состоит снег, превращается в воду. Капли воды свисают с крыши, удерживаемые вмести силами поверхностного натяжения и притяжением молекул воды к краю крыши. Если температура снижается, капли могут замерзнуть в таком положении. Во время оттепели новые порции воды стекают по предыдущим каплям и свисают уже с них, если те капли не растаяли и так далее. Лед нарастает капля за каплей, так образуется сосулька.

Если к воде добавить мыло, то поверхностное натяжение воды уменьшается. Поверхностное натяжение позволяет некоторым насекомым ходить по воде.

Воздух весной прогревается, и его температура становится выше нуля, температура, тающего снега и температура талой воды остаются равными 0⁰С до тех пор , пока снег и лед не растают совсем. Все дело в том, что плавление происходит постепенно. Вещество при плавлении поглощает тепло, которое получает извне, и некоторое время одновременно находится и в твердом и жидком состоянии. И его температура не меняется, пока все оно не расплавится и не станет жидким.

При повышении температуры скорость колебания частиц внутри вещества увеличивается. Следовательно, увеличивается внутренняя энергия. При определенной температуре, которую называют температурой плавления, кристаллическая решетка твердого тела начинает разрушаться. Вещество превращается в жидкость. Но если жидкость перестанет получать тепло, она начнет остывать. И как только ее температура снизится до значения, равного температуре плавления, начинается процесс кристаллизации.

Каждое вещество имеет свою температуру плавления. При нормальном давлении (760 мм. рт. ст.) лед начинает плавиться при 0⁰С. Переход твердого тела в жидкое состояние называется плавлением, обратное явление называется отвердеванием. Если при отвердевании жидкости получается кристаллическое тело, то такое отвердевание называют кристаллизацией. Процессы плавления и кристаллизации хорошо видны на графике (см. Приложение1).

3. Аномальные свойства воды.

Вода обладает рядом необычных – аномальных - свойств, которые не подчиняются законам физики и химии и благодаря которым возникла и существует жизнь на Земле.

Вода - это единственное вещество на земле, которое при замерзании расширяется.

Для всей биосферы исключительно важной особенностью воды является ее способность при замерзании увеличивать, а не уменьшать свой объем, т.е. уменьшать плотность. При переходе любой жидкости в твердое состояние молекулы располагаются теснее, а само вещество, уменьшаясь в объеме, становится плотнее. Вода здесь представляет исключение. При охлаждении до +3,98⁰С вода сначала ведет себя как и другие жидкости: постепенно уплотняясь, уменьшает свой объем, затем, при дальнейшем снижении температуры до 0⁰С, вся вода замерзает и расширяется в объеме. В результате удельный вес льда становится меньше воды и лед плавает. Лед, как и вода, хороший теплоизолятор. Если бы лед не всплывал, а тонул, то все водоемы (реки, озера, моря) промерзли бы до дна, испарение бы резко сократилось, все пресноводные животные и растения погибли бы. Жизнь на Земле стала бы невозможной.

Вода – единственная жидкость на Земле, лед которой не тонет за счет того, что его объем на 1/11 больше объема воды.

У воды высокая удельная теплота плавления -334 кДж/кг и высокая температура плавления 0⁰С. Удельная теплоемкость воды в пять раз выше, чем у песка, и почти в десять раз выше, чем у железа. Замерзая, вода выделяет тепло и согревает окружающий воздух. Это свойство воды также играет немаловажную роль в формировании климата планеты Земля. Замерзание воды в реках, озерах, морях в тоже время не дает переохлаждаться воздуху в данной местности. Часто можно наблюдать, как птицы в сильный мороз греются, сидя на льду.

У воды высокое поверхностное натяжение, что позволяет некоторым насекомым бегать по поверхности воды.

Вязкость воды уменьшается при увеличении давления, что обеспечивает большую подвижность глубоко в недрах планеты, где давление достигает огромных значений.

Все аномальные свойства воды объясняются существованием в ней водородных связей, которые связывают между собой молекулы во всех агрегатных состояниях.

4. Условия проведения экспериментов.

Для проведения наших опытов нужна была низкая температура, поэтому мы их выполняли, когда на улице был сильный мороз. Некоторые опыты проводились при потеплении.

5. Практическая работа.

Опыт №1 «Замерзание воды разной массы».

Мы использовали: две одинаковые жестяные банки из под сгущенного молока, воду, растительное масло.

Одну банку наполовину наполнили водой, а другую почти до краев, затем банки вынесли на мороз. Мы наблюдали, что в банке, содержащей меньше воды, она с поверхности начинает замерзать раньше, чем в той, где воды больше. Затем в банку с меньшей массой воды долили немного растительного масла. Результат получился противоположный.

Мы объяснили это так: чем больше масса воды, тем больше ее внутренняя энергия, поэтому замерзание начинается у воды меньшей массы. После добавлении масла образуется масляная пленка, она изолирует воду от холодного воздуха. В этом случае прекращается испарение воды, а испарение понижает температуру жидкости. Кроме того молекулы масла имеют большую энергию, чем молекулы воды при той же температуре.

Опыт № 2 «Сосулька веретено».

Мы использовали: цилиндрический стакан, сосульку, термометр. Сосульку изготовили при помощи куска пластиковой трубки.

Сосульку аккуратно вытащили из трубы и поставили в стакан. И она начала таять, в стакане появилась вода, уровень которой начал постепенно подниматься. Когда вода достигла примерно середины стакана, сосулька приобрела форму веретена, самая толстая часть находилась в поверхностном слое воды. Приложение 2

Мы объяснили это так: когда сосулька тает вода стекая вниз имеет температуру 0⁰С, по мере накоплении воды температура ее повышается (тепло поступает от стенок стакана, дна от воздуха). Слои нагретые до 4⁰С, опускаются вниз, температура верхнего слоя остается постоянной и равной 0⁰С. В промежутке образуются слои с температурой 1⁰С,2⁰С,3⁰С ( измерения температуры проводились точным термометром). Мы сделали вывод: быстрее тает та часть сосульки, которая находится над поверхностью воды и у дна, медленнее та, что расположена в поверхностном слое.

Опыт №3 «Соленый снег».

Мы использовали: пластмассовый стакан, пробирку с водой, снег, соль.

В дне стакана мы сделали отверстие и вставили в него пробирку, наполненную до краев водой.

В стакан набили снег, смешанный с поваренной солью (опыт проводили, когда на улице температура была около 0⁰С). При смешивании соли со снегом разрушается кристаллическая структура соли с поглощением тепла. Температура таяния соленого снега ниже нуля градусов. Наблюдения показали, что вода выше и ниже сосуда со смесью не замерзает. Приложение 3

Мы объяснили это так: в месте соприкосновении пробирки со смесью смесь поглощает тепло воды и вода замерзает. Вода является плохим проводником тепла, вся вода в пробирке может замерзнуть только при перемешивании, т. е. когда будет конвекция. Приложение 3.

Опыт № 4 «Лед в бутылке».

Мы использовали: две стеклянные бутылки.

В этом эксперименте мы показали, что можно заморозить воду в бутылке сохранив ее целой. В пол-литровую бутылку полностью наполнили водой и вынесли на мороз, когда вода замерзла стеклянная бутылка разорвалась. Тогда мы провели другой опыт: в бутылку наливали по 50 мл ледяной воды и замораживали, после того как лед наполнил цилиндрическую часть, порции уменьшили вдвое и снова замораживали до полного заполнения бутылки льдом. При таком заполнении бутылка осталась целой.

Мы объяснили это так: при заполнении бутылки порциями воды расширение воды идет вверх, так как сопротивление в этом направлении наименьшее, на стенки и дно лед давит слабо. При одноразовом заполнении бутылки вода сначала замерзает у стенок, сверху и у дна. Когда замерзает середина объема воды, то возникает сильное давление, которое передается по всем направлениям, стенки и дно не выдерживают нагрузку и трескаются. Приложение 4.

Опыт № 5 «Сосулька на спицах».

Мы использовали: две спичечные коробки, две стальные вязальные спицы одинаковой длины, но разной толщины, сосульки.

Спицы положили на параллельные друг другу спичечные коробки, а на них поперек сосульку. Приложение 5. В месте соединения сосульки с металлом, она, на толстой спице, перерезается быстрее, чем на тонкой. Такой же опыт мы проделали со спицей и стеклянной палочкой тех же размеров, что и спица. Здесь сосульку быстрее перерезала спица.

Мы объяснили это так: в первом опыте разница в количествах теплоты, поступающей к месту соединения спицы с сосулькой за одинаковое время, зависит от массы спиц. Во втором опыте зависит только от теплопроводностей. Теплопроводность стали больше, чем стекла.

Опыт № 6 «Липкая сосулька»

Мы использовали: узкий стакан со снегом, вода, сосульки и кусок льда.

Этот эксперимент мы провели со снегом и со льдом.

1. В стакан налили немного воды и затем набили в него снег, потом в снег вертикально вставили сосульку. Через небольшой промежуток времени потянули сосульку вверх, она поднялась вместе со снегом, снег плотно прилип к сосульке.

2. Взяли кусок льда с гладкой поверхностью, после слабого оттаивания на лед положили две сосульки разной длины. Через некоторое время убедились, что для того чтобы снять сосульки с поверхности льда потребовалось усилие.

Почему же при таянии сильно сцепляются мокрый снег со льдом или лед с сосулькой?

Мы объяснили это так: в процессе таяния между снегом и сосулькой (льдом и сосулькой) возникает тонкая пленка воды. Можно считать, что толщина пленки равна диаметру молекулы воды и в такой пленке молекулы не совершают поступательно-колебательного движения, а только колеблются. Часть их из пленки, приобретая большую энергию, попадают в кристалл и его молекулы заполняют вакантные места в пленке. Таким образом, происходит смерзание льда со снегом (льда со льдом). Именно по этой причине нельзя касаться металлических предметов мокрым языком. Приложение 6.

Опыт № 7 «Прыгающий лед»

Мы использовали: металлическая тарелка, вода.

В тарелку до краев наполнили водой и вынесли на мороз, после того как вода замерзла на поверхности образовался бугорок. Тарелку занесли и сразу же поставили на горячую плиту. Вскоре послышался треск, то в одном то в другом месте тарелки. Затем слиток слегка подпрыгнул вверх.

Мы объяснили это так: при охлаждении металлическая тарелка сжимается, а вода в интервале температур от 4⁰С до 0⁰С сильно расширяется, контакт между металлом и льдом становится плотнее, т.т. е. сцепление возрастает. Дно тарелки слегка прогибается под действием давления со стороны льда. Во время нагревания контакт резко ослабевает, в это время и слышится треск и тут же силы упругости подбрасывают слиток вверх.

6. Методы исследования.

-анализ литературы, поиск информации в интернете;

-наблюдения;

-сравнение;

-фотографирование;

- практическая значимость.

Заключение

Исследовательская работа нас увлекла. Практическая значимость работы заключается в том, что собранные материалы расширяют наши знания о воде. По сути, мы узнали про воду больше, чем на уроках физики и химии. Проведя различные эксперименты, мы теперь знаем, не со слов, почему надо сливать воду с систем печного отопления зимой, если отапливаться дом не будет; почему язык прилипает к металлу на морозе; почему сосулька на металлической крыше тает быстрее; зачем в снег добавляют поваренную соль и как природа позаботилась о сохранении жизни на Земле во время зимних холодов.

В перспективах у нас продолжить работу по дальнейшему изучению свойств воды и перехода вода-пар и пар-лед.

Вывод

Все поставленные цели и задачи решены.

Список источников и литературы

1. Большая энциклопедия знаний / Пер. с немецкого Л.С.Беловой, Е.В. Черныш.-М.:эксмо, 2015.

Приложения

Сосулька «веретено»

«Соленый снег»

«Сосулька на спицах»

«Липкая сосулька»