Исследовательский работа на тему: НЕОБЫКНОВЕННЫЕ СВОЙСТВА ВОДЫ

Исследовательский работа на тему:
НЕОБЫКНОВЕННЫЕ СВОЙСТВА ВОДЫ

1

Содержание

Введение…………………………………………………..3

1. Теоретическая часть.

Теоретические исследования:

1. «Странные» свойства воды………..……………..……4

2) Зависимость теплоёмкости от температуры………6

1. Практическая часть.

Экспериментальные исследовании…………............…..…...5-7

1. Вывод................……………………………..….8

2. Заключение …....................................................9

3. Список литературы.........………………………...…...9

4. Приложения………………………………….…10

2

Введение

Актуальность. Интерес к экспериментальной физике и мечта выбрать профессию, связанную с экспериментальной физикой.

Данная работа способствует продолжению изучения необыкновенных свойств удивительного вещества на Земле – воды.

Проблема: недостаточно знаний о свойствах воды.

• Цели исследования:

• Изучить необычные свойства воды;

• Провести эксперименты, демонстрирующие необычные

свойства жидкости.

• Задачи:

• Рассмотреть необычные свойства воды.

• Изучить методику проведения эксперимента.

• Провести собственный эксперимент по изучению свойств воды.

• Узнать практическое применение необычных свойств жидкости.

• Сделать выводы по теме исследования.

Гипотеза:

• Тепловые свойства воды необыкновенны и не подчиняются логике тех законов физики, которые управляют другими веществами.

Объект исследования: вода в твердом и жидком агрегатном состоянии.

Предмет исследования: тепловые свойства воды.

3

Методы исследования:

1. Анализ литературных источников.

2. Эксперимент.

3. Наблюдение.

1. Теоретическая часть

Теоретические исследования

Кажется, мы так много знаем о воде. Мы узнаём её в виде жидкости и твёрдого тела, мы любуемся её парами, проплывающими над нами в виде белых облаков.

Вода – самое распространённое, знакомое и необходимое вещество для человека на Земле: сам человек на 75 – 90 % состоит из воды; воду мы пьём (без воды человек сможет прожить не более трёх дней); водой мы моемся; на воде готовим пищу; используем её в системе отопления; на основе воды изготавливаются множество необходимых для человека веществ (кремы, шампуни). Но так, ли уж много мы знаем о ней? Ценим ли её сегодня так, как она того заслуживает? Вода - одно из самых уникальных и загадочных веществ на Земле. Природа этого вещества до конца еще не понята.

«Странные» свойства воды

Вода обладает многими удивительными свойствами, резко отличающими её от всех других жидкостей. И если бы вода вела себя «как положено», то Земля стала бы просто неузнаваемой. Природа этого вещества до конца еще не понята. Внешне вода кажется достаточно простой, в связи с чем долгое время считалась неделимым элементом. Лишь в 1766 году Г. Кавендиш (Англия) и затем в 1783 году А. Лавуазье (Франция) показали, что вода не простой химический элемент, а соединение водорода и кислорода в определенной пропорции. После этого открытия химический элемент, обозначаемый как Н, получил название "водород" (Hydrogen - от греч. hydro genes), которое можно истолковать как "порождающий воду".
Дальнейшие исследования показали, что за химической формулой Н2О скрывается вещество, обладающее уникальной структурой и не менее уникальными свойствами. Исследователи, пытавшиеся на протяжении двух с лишним столетий раскрыть секреты воды, часто заходили в тупик. Да и сейчас ученые понимают, что вода остается трудным объектом для исследований, ее свойства до сих пор не всегда до конца прогнозируемы.
Так в чем же заключаются загадочные, необычные свойства привычной всем жидкой воды? Прежде всего, в том, что практически все свойства воды необычны, а многие из них не подчиняются логике тех законов физики, которые управляют другими веществами.

Кратко остановимся на тех свойствах, которые обуславливают существование жизни на Земле.

4

Особенности в поведении объема воды. Плотность большинства веществ - жидкостей, кристаллов и газов - при нагревании уменьшается и при охлаждении увеличивается, вплоть до процесса кристаллизации или конденсации. Плотность воды при охлаждении от 100 до 4^оС (точнее, до 3,98^оС) возрастает, как и у подавляющего большинства жидкостей. Однако, достигнув максимального значения при температуре 4^оС, плотность при дальнейшем охлаждении воды начинает уменьшаться. Другими словами, максимальная плотность воды наблюдается при температуре 4^оС (одна из уникальных аномалий воды), а не при температуре замерзания 0⁰С.
Замерзание воды сопровождается скачкообразным (!) уменьшением плотности более чем на 8%-9%, тогда как у большинства других веществ, процесс кристаллизации сопровождается увеличением плотности (рис 1). В связи с этим, лед (твердая вода) занимает больший объем, чем жидкая вода, и держится на ее поверхности.

Столь необычное поведение плотности воды крайне важно для поддержания жизни на Земле.
Покрывая воду сверху, лед играет в природе роль своего рода плавучего одеяла, защищающего реки и водоемы от дальнейшего замерзания и сохраняющего жизнь подводному миру. Осенью и зимой в глубоких водоемах конвекция происходит своеобразно. Вода, охлаждаясь сверху, опускается вниз, на дно, только до тех пор, пока температура не снизится до +4⁰ С. Тогда в стоячем водоёме устанавливается распределение температуры, изображённое на рисунке 2.

5

Благодаря этому под слоем льда, покрывающим водоём сверху, живут в воде рыбы и другие обитатели водоёмов. Если бы плотность воды увеличивалась при замерзании, лед оказался бы тяжелее воды и начал тонуть, что привело бы к гибели всех живых существ в реках, озерах и океанах, которые замерзли бы целиком, превратившись в глыбы льда, а Земля стала ледяной пустыней, что неизбежно привело бы к гибели всего живого.

Зависимость теплоёмкости от температуры.

Рассмотрим еще одну, на наш взгляд, самую сложную загадку воды - температурное поведение ее теплоемкости. Величина теплоемкости показывает, сколько нужно затратить тепла, чтобы изменить температуру вещества на один градус. Для большинства веществ теплоемкость жидкости после плавления кристалла увеличивается незначительно - никак не более 10%. Другое дело - вода. При плавлении льда теплоемкость возрастает от 2100 Дж/кг⁰С до 4200 Дж/кг⁰С, то есть в два раза! Такого огромного скачка теплоемкости при плавлении не наблюдается ни у одного другого вещества: здесь вода абсолютный рекордсмен. Во льду энергия, подводимая для нагревания, тратится в основном на увеличение тепловой скорости молекул. Скачок теплоемкости после плавления означает, что в воде открываются какие-то новые процессы (и очень энергоемкие), на которые тратится, подводимое тепло и которые обусловливают появление избыточной теплоемкости. Такая избыточная теплоемкость и, следовательно, упомянутые энергоемкие процессы существуют во всем диапазоне температур, при которых вода находится в жидком состоянии. Она исчезает только в паре, это и есть та загадка, которая является свойством именно жидкого состояния воды. Теплоемкость воды необычна не только по своему значению. Удельная теплоемкость воды разная при различных температурах. Минимальное значение удельной

6

теплоемкости воды обнаружено при температуре 36,79⁰С, а ведь это нормальная температура человеческого тела! Нормальная температура почти всех теплокровных живых организмов также находится вблизи этой точки. При сильном переохлаждении теплоемкость сильно возрастает.

Большое значение в жизни природы имеет и тот факт, что вода обладает очень высокой теплоемкостью 4200 Дж/кг⁰С. Поэтому в ночное время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или при переходе от зимы к лету так же медленно нагревается, являясь, таким образом, регулятором температуры на земном шаре.

Вода обладает высокими  удельной теплотой плавления и удельной теплотой парообразования . Воду очень трудно заморозить, а лед - растопить. Переход из твёрдого состояния в жидкое сопровождается у воды необыкновенно большим поглощением теплоты-330кДж/кг! Из распространённых металлов только алюминий превосходит воду по величине уделённой теплоты плавления. Большое количество теплоты, которое нужно отнять у воды при её замерзании, объясняет тот факт, что во время снегопада обычно становится теплее, а во время весеннего ледохода у реки сравнительно прохладно.  Благодаря этому климат на Земле в целом достаточно стабилен и мягок.
Вода требует громадного количества теплоты для своего испарения. Вот почему там, где много воды, даже под палящими лучами солнца бывает не очень жарко. Испаряя некоторое количество воды через поры кожи, организм человека имеет возможность поддерживать определённую температуру тела. Собаки, у которых нет потовых желёз, достигают того же результата за счёт испарения влаги с языка. Если бы удельная теплота парообразная воды бала раз в девять меньше (например, как жидкого азота или керосина),  то один за другим высыхали бы мелкие

7

водоёмы, дождь испарялся бы зачастую ещё в воздухе, а леса и луга вскоре превратились бы в пустыню.

Аномалии воды - отклонения от нормальных свойств тел - до конца не выяснены и сегодня, но главная причина их известна: строение молекул воды. Атомы водорода присоединяются к атому кислорода не симметрично с боков, а тяготеют к одной стороне. Учёные считают, что если бы не эта несимметричность, то свойства воды резко изменились бы. Например, вода отвердевала при- 90⁰С и кипела при -70⁰С. Именно анализ строения молекулы воды позволяет понять ее исключительность в живой и неживой природе. 

Выводы

Опыты и исследования справочной литературы показывают, что теплопроводность воды очень низкая. Вода обладает аномальными свойствами. Аналогичные механизмы работают и в природе и технике и имеют огромное значение для существования жизни на Земле. Можно вообразить, как выглядел бы мир, если бы вода обладала нормальными свойствами, а лёд был бы, как и полагается любому нормальному веществу, плотнее воды: зимой намерзающий сверху более плотный лёд тонул бы в воде, непрерывно опускаясь на дно. Летом лёд, закрытый толстым слоем холодной воды, не смог бы за лето растаять. Постепенно все озера, пруды, реки промёрзли бы целиком, превратившись в гигантские ледяные заторы. Потом промёрзли бы все моря и океаны. Весь мир превратился бы в ледяную пустыню, кое-где покрытую талой водой.

8

Заключение

Вода – самое распространённое, знакомое и необходимое вещество для человека на Земле. Природа этого вещества до конца еще не понята.

В данной работе приведены материалы теоретического и экспериментального исследований необыкновенных свойств воды, дана их характеристика. Из большого количества «странных» свойств воды мы выделили и исследовали тепловые процессы.

Гипотеза, выдвинутая нами: тепловые свойства воды аномальны и не подчиняются логике тех законов физики, которые управляют другими веществами, полностью подтвердилась.

Исследования, отражённые в данной работе, помогут расширить кругозор учащихся, пробудить познавательный интерес к физике.

Список литературы

1. Алексеева М.Н. Физика - юным. – М.: Просвещение,1980.

2. Енохович А.С. Справочник по физике. – М.: Просвещение, 1990.

3. Пёрышкин А.В., Родина Н.А. Физика-8,9. – М.: Просвещение, 2013.

4. Томашов В.Н. Аномальные свойства воды. Физика, 2006.№ 4.

5. Фидаров А. Удивительная вода. Физика, 2008. № 4.

6. http://ru.wikipedia.org/wiki/

7. http:// www.nkj.ru/archive/2004/10/

8. http://www.msuee.ru/html2/med_gidr/l3_4.html

9. http://www.o8ode.ru/article/answer/ice/voda_pri_4degc.htm

9

Приложения

Таблица 1.

11

Рис 1.

Рис.2

Рис 3.

12

Таблица 2.

Таблица плотности воды при различных температурах

Примечание.  Максимальной плотности воды соответствует температура t = 3.98° С.

Таблица 3.

Плотность льда в зависимости от t от 0 до -100 °С при атмосферном давлении.

Рис 4.

14