Содержание подпрограммы
первого года обучения
Ι Введение (4 ч.)
Знакомство учащихся с предстоящей работой. Современные средства для изучения физических явлений. Полезные ссылки по физике в Интернет
ΙΙ Теория исследуемой темы (52ч.)
· Значение физических и химических свойств воды, строение молекул воды, объяснение свойств воды в различных агрегатных состояниях.
· Конвекционный теплообмен. Закон Стефана – Больцмана.
· Тепловые свойства вещества: экспериментальное изучение тепловых свойств воды (теплоемкости; измерение плотности воды различными способами).
· Соляные пальцы. Распределение слоев воды по плотностям и соответственно по концентрации.
· Насыщенный раствор. Способы приготовления насыщенного раствора.
· Устойчивость процесса. Метод Гунге – Кутта. Закон теплопроводности Фурье.
· Средства измерения температуры
Экспериментальные исследования:
Демонстрационные
· Наблюдение зависимости давления внутри жидкости от глубины.
· Наблюдение конвекционных потоков в жидкостях и газах.
· Наблюдение измерения внутренней энергии при нагревании воды в пробирке, закрытой пробкой.
· Наблюдение постоянства температуры воды при кипении.
Лабораторные
· Измерение плотности вещества методом гидростатического взвешивания.
· Сравнение скорости диффузии в воде и других жидкостях.
· Наблюдение зависимости температуры кипения воды от атмосферного давления.
· Изучение зависимости времени шума перед кипением от массы воды и наличия примесей.
· Определение удельной теплоемкости воды.
Домашние
Измерение плотности мыла.
ΙΙΙ Практическая часть (80 ч.)
· Методы исследования тепловых свойств воды. Теплообмен, необратимость теплопередачи.
· Устройство и принцип действия экспериментальной установки.
· Теплопередача через дно сосуда. Подъемная сила.
· Расчет насыщенных солевых растворов. Зоны погрешностей.
Экспериментальные исследования
Демонстрационные
· Сборка экспериментальной установки.
Лабораторные
· Расчет и экспериментальная проверка изменения внутренней энергии воды при ее нагревании.
· Исследование насыщенного солевого раствора Nа Сl на медленном нагревателе
· Исследование насыщенного солевого раствора Nа Сl на быстром нагревателе
· Исследование насыщенного солевого раствора СuSО4 на медленном нагревателе
· Исследование насыщенного солевого раствора СuSО4 на быстром нагревателе
· Исследование №6 Расчет массы Nа Сl ,СuSО4, ВаСl2
· Исследование насыщенного солевого раствора, ВаСl2 на быстром нагревателе
· Исследование насыщенного солевого раствора, ВаСl2 на медленном нагревателе
ΙҮ Защита (8 ч.)
Обработка числовых результатов. Создание презентации по данной теме.
Содержание подпрограммы
второго года обучения
Ι Введение (4 ч.)
Знакомство учащихся с предстоящей работой. Современные средства для изучения физических явлений. Полезные ссылки по физике в Интернет Эксперимент – метод научного познания
ΙΙ Теория исследуемой темы
· Значение физических и химических свойств воды. Смачиваемость и несмачиваемость.
· Гидрофобность поверхности. Поверхностное натяжение, факторы, влияющие на капиллярность. Краевой угол. «Танцующая капля».
· Применение основ молекулярно – кинетической теории для объяснения разной сжимаемости воды. Эффект разбрызгивания и подпрыгивания капель.
· Колебания капли. Радиус растекания капли. «Прыжок капли». Ожерелье из капель
· Вязкость жидкостей, механические свойства жидкости (сжимаемость, прочность, хрупкость), наблюдение вязкости воды и сравнение ее с другими жидкостями, наблюдение зависимости вязкости воды от температуры.
· Выдвижение гипотезы об информационной памяти воды, создание фантастических проектов, основанных на данном свойстве воды. Влияние воды на здоровье человека
· Средства измерения
Экспериментальные исследования
Демонстрационные
· Наблюдение сжимаемости воды.
· Наблюдение поверхностного натяжения жидкости.
· Запись колебательного движения.
Лабораторные
· Наблюдение теплового расширения воды.
· Измерение поверхностного натяжения капли воды.
· Наблюдение капиллярного поднятия жидкости.
· Зависимость подпрыгивания капель жидкости от различных факторов.
ΙΙΙ Практическая часть (82 ч.)
· Определение коэффициента поверхностного натяжения методом компенсации давления Лапласа.
· Экспериментальные исследования падения различных растворов на гидрофобную поверхность.
· Исследование поведение капли раствора этанола при падении на гидрофобную поверхность. покрытую сажей
· Исследование поведение капли раствора этанола при падении на гидрофобную поверхность. покрытую тефлоном
· Исследование поведение капли раствора этанола при падении на гидрофобную поверхность. покрытую пластилином
· Исследование поведение капли раствора этанола при падении на полиэтиленовые покрытия
· Исследование поведение капли раствора мыла при падении на гидрофобную поверхность. покрытую сажей
· Исследование поведение капли раствора мыла при падении на гидрофобную поверхность. покрытую тефлоном
· Исследование поведение капли раствора мыла при падении на гидрофобную поверхность. покрытую пластилином
· Исследование поведение капли раствора мыла при падении на полиэтиленовые покрытия
· Исследование поведение капли сладкой воды при падении на гидрофобную поверхность. покрытую сажей
· Исследование поведение капли сладкой воды при падении на гидрофобную поверхность. покрытую тефлоном
· Исследование поведение капли сладкой воды при падении на гидрофобную поверхность. покрытую пластилином
· Исследование поведение капли сладкой воды при падении на полиэтиленовые покрытия
· Исследование поведение капли питьевой воды при падении на гидрофобную поверхность. покрытую сажей
· Исследование поведение капли питьевой воды при падении на гидрофобную поверхность. покрытую тефлоном
· Исследование поведение капли питьевой воды при падении на гидрофобную поверхность. покрытую пластилином
· Исследование поведение капли питьевой воды при падении на полиэтиленовые покрытия
ΙҮ Защита (6 ч.)
Обработка числовых результатов. Создание презентации.
Содержание подпрограммы
третьего года обучения
Ι Введение (4 ч.)
Знакомство учащихся с предстоящей работой. Современные средства для изучения физических явлений. Полезные ссылки по физике в Интернет Эксперимент – метод научного познания
ΙΙ Теория исследуемой темы (52 ч.)
· Гипотезы происхождения воды на Земле.
· Поверхностное натяжение, факторы, влияющие на капиллярность.
· Электропроводность воды, диамагнитные свойства воды.
· Работа с графиком измерения температуры тел при нагревании, кристаллизации, парообразования.
· Выдвижение гипотезы об информационной памяти воды, создание фантастических проектов, основанных на данном свойстве воды. Влияние воды на здоровье человека
· Значение физических и химических свойств воды, строение молекулы воды. Схема молекулы воды в виде тетраэдра. Мерцающие кластеры воды.
· Аномальная теплоемкость воды. Водные растворы. Пароводы и ортоводы воды.
· Кипение жидкости. Метастабильные состояния воды.
· Поверхностная энергия и сила поверхностного натяжения. Модели описания теплового движения молекул. Объемные и поверхностные силы. Свойство контактных сил.
· Условие равновесия несжимаемой жидкости. Относительное равновесие жидкости.
· Термопары. Устройство и принцип действия термопар. ЭДС термопары. Явление Зеебека.
Экспериментальные исследования
Демонстрационные
· Измерение плотности воды по её объему и массе.
· Измерение плотности льда.
· Определение удельной теплоты плавления льда.
Лабораторные
· Растворение соли и выпаривание её из раствора.
· Наблюдение кипения воды.
· Наблюдение явления теплопроводности и выяснение основных закономерностей этого явления.
· Наблюдение электропроводности воды.
· Исследование электропроводности водных растворов разных веществ.
· Сборка простейшей электрической цепи.
· Измерение коэффициента поверхностного натяжения воды.
· Проверка закона Бойля – Мариотта.
ΙΙΙ Практическая часть (82 ч.)
· Устройство и принцип действия экспериментальной установки.
· Явление Зеебека. Подключение термопары к измерительному прибору. Зависимость ЭДС от температуры.
· Диаграмма фазовых состояний растворов.
· Исследование органолептических свойств питьевой воды
· Исследование органолептических свойств кипяченой воды
· Исследование органолептических свойств 15% водный раствор NaCl
· Исследование температуры кристаллизации питьевой воды
· Исследование температуры кристаллизации кипяченой воды
· Исследование температуры кристаллизации 15% водный раствор NaCl
· Исследование поведения системы жидкостей при нагревании нижней части
сосуда.
· Исследование зависимости коэффициента поверхностного натяжения жидкости от её температуры и плотности
ΙҮ Защита (6 ч.)
Обработка числовых результатов. Создание презентации.
4. Методическое обеспечение дополнительной образовательной программы
Видами и методами обучения являются: целенаправленное исследование, проб-лемное обучение, проектный метод, организация самостоятельной работы, лабо-раторная практика.
Начальный этап программы предусматривает освоение обязательного миниму-ма содержания программного материала. В реализации программы первого этапа преобладают педагогические технологии, связанные преимущественно с объясни-тельными методами обучения в сочетании с демонстрацией изучаемого материа-ла на конкретных примерах из окружающей среды (репродуктивные методы).
Второй этап рассчитан на преобладание продуктивных педагогических техно-логий, которые характеризуются проблемными методиками обучения, активно-стью учащихся, стимулированием и развитием их творческого мышления. Проб-лемное обучение на этом этапе представляет систему самостоятельной учебно-познавательной деятельности учащихся, направленную на разрешение учебных проблем.
В ходе второго этапа обучения юные экспериментаторы с помощью руководи-теля выбирают направление и тему исследования.
Третий этап - усложненный или исследовательский уровень - характеризуется не только использованием проблемных методов изучения материала, но и разра-боткой и применением алгоритмических технологий. Исследовательский уровень направлен на формирование не только обобщенного изучения окружающей среды и поиск моделей, но и на формирование специальных умений и навыков. Этот уровень требует демонстрации учащимися навыка постановки проблемы, характе-ристики ее актуальности, определение объекта и предмета исследования, отбора методов и средств детального изучения проблемы, а так же оформления и пред-ставления результатов исследования в разных видах.
Методические рекомендации по реализации дополнительной программы «Вода и водные растворы»
• Подготовительный период.
Это начальный этап любой исследовательской работы. Своевременно и правиль-но проведенная подготовка поможет избежать многих ошибок и недочетов в даль-нейшей практической работе, формулировке выводов, рекомендаций и т. п. Ины-ми словами, "готовь сани летом..." Поскольку большая часть практических исследований проходит в зимний период необходимо обязательно проделать сле-дующие виды работы:
• выбрать направление исследования;
• ознакомиться с научной проблемой и с объектом исследования по доступным литературным источникам;
• выбрать тему, поставить цель исследования, сформулировать задачи;
• ознакомиться с возможными методиками исследования и выбрать среди них наиболее оптимальные - реальные как с точки зрения достижения поставленной цели, так и с точки зрения ваших наклонностей.
Выбор темы исследования, определение цели и задач
После принципиального выбора направления исследования и теоретического знакомства с объектом исследования и научной проблемой можно приступать к формулировке конкретной исследовательской темы, постановке цели, составле-нию перечня практических задач исследования.
Цель - достижения конкретного результата исследования, а в задачах раскры-ваются способы или этапы достижения цели. Сообразно поставленным задачам следует выбрать методики практической работы, с помощью которых вы достиг-ните поставленной цели.
Выбор методов исследования
Основная задача исследователя на данном этапе заключается в правильном подборе методов изучения природных ресурсов. Для этого необходимо учесть следующее:
• состояние материально-технической базы школы (оснащенность приборами, оборудованием, реактивами и т. п.) и возможности ее улучшения (помощь спонсо-ров и родителей, а также самостоятельное изготовление несложного оборудова-ния);
• индивидуальные особенности участников исследования (например учащимся, еще не изучавшим химию, будет сложно овладеть методами химического анализа, т. п.);
• характер целей и задач исследования (если цель достижима при помощи простых методов, то нет необходимости их искусственно усложнять).
Общие требования к проведению исследований
Обратимся к опыту известных исследователей. Большинство из них рекомендуют при проведении исследовательской работы соблюдать следующие правила:
• соблюдать правила техники безопасности;
• не шуметь без особой причины;
• правильно подобрать одежду ;
• одновременно с записью интересующих вас сведений по теме исследования, необходимо регистрировать дату, время, место исследования;
• проводить исследования не менее чем в трехкратной повторности в каждой опыте (во избежание случайных ошибок).
• соблюдать общие правила противопожарной безопасности
Цели исследования:
· постановка и обсуждение задачи;
· изучение теоретического материала, к которому задача имеет непосредствен-ное отношение;
· разработка (вместе с учителем) содержания и плана эксперимента, имеющего цель решить поставленную задачу;
· самостоятельно проводить эксперимент, обрабатывать результаты;
· строить математическую модель явления;
· сопоставлять полученные результаты, обсуждать их, обрабатывать, делать выволы;
Обработка и обсуждение результатов исследований
Полученная в результате исследования информация приводится, по возможно-сти, в табличной форме, в виде графиков или диаграмм. К каждой таблице или графику должны прилагаться обсуждение и комментарии, объясняющие значение приведенных данных. Итогом обсуждения результатов исследования являются формулировка выводов. В них должна содержаться оценка полноты достижения цели исследования и успешности решения поставленных задач. Она может быть как положительной, так и отрицательной.
Результаты исследовательской работы могут быть оформлены в различном ви-де. Например, в виде развернутого научного доклада
При проведении исследовании необходимо помнить следующее:
1. При работе с литературными источниками необходимо фиксировать все библи-ографические данные для включения в список использованной литературы: фами-лия и инициалы, автора или редактора, название книги, место издания, издатель-ство, год издания и количество страниц в данном издании.
2. Необходимо тщательно фиксировать первичную информацию. первичная ин-формация обобщается и оформляется в табличной форме. Отдельные совокупно-сти данных оформляются в виде графиков ил диаграмм.
3. При оформлении и последующем представлении результатов работы особую ценность будут представлять рисунки, фотографии, видеоматериалы.
Структура отчета
• Титульный лист;
• Содержание работы;
• Введение;
• Основная часть:
• Обзор литературных и других источников информации;
• Материалы и методы исследования;
• Обсуждение результатов исследования и выводы;
• Заключение;
• Список использованной литературы;
• Приложения (если имеются).
Использование результатов исследований
Результаты грамотно проведенного исследования могут быть использованы для участия в следующих мероприятиях:
• выступления на научных конференциях, научно-практических выставках, конкурсах и олимпиадах;
• публикации в научных изданиях или средствах массовой информации;
• защита исследовательской работы в качестве аттестационной работы на выпускных и переводных экзаменах в общеобразовательном учреждении.
Возможные темы исследовательских работ
1.Кавитационная обработка воды
2.Выращивание водорастворимых кристаллов
3. Моделирование свойств космического льда в земных условиях
Материально-техническое обеспечение
· Имеется хорошо оборудованный физический кабинет
· Кабинет соответствует всем санитарно-гигиеническим требованиям
· Имеется много лабораторного оборудования
· Учащиеся имеют свои рабочие места
· Кабинет физики соответствует пожарной и электробезопасности
· В кабинете имеются инструкции по охране труда
· Кабинет оснащен компьютером, мультимедийным проектором, интерактивной доской, сетью Интернет
· Лабораторное оборудование Института физики и химии НИ ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева»
Оборудование и материалы для реализации дополнительной образовательной программы:
- различные нагреватели ( спиртовка, лабораторная электрическая плитка);
- штативы;
- стеклянные колбы различной формы;
- термометры, мультиметр М838 с термопарой ТХА К – типа ;
- соли ( KCl, BaCl2, CuSO4, NaCl);
- пресная вода, красители ( марганцевокислый калий, метилоранж);
- фотоаппарат, видеокамера;
- гидрофобные поверхности покрытые сажей; тефлоном; пластилином;
- мерная капельница;
- морозильная камера бытового холодильника;
- капилляры( медицинские для забора крови);
- ртутные термометры;
- стеклянную посуду; пластмассовые тазики; красители;
- марганцовка
Дополнительная образовательная программа может быть осуществлена педаго-гом ( учитель физики или учитель химии),способным к инновационной професси-ональной деятельности, обладающий необходимым уровнем методологической культуры и сформированной готовностью к непрерывному процессу образования в течение всей жизни.
5. Список литературы для педагога
1.,Молекулярная структура воды. М.: Знание 2009.–46 с.
2.Бернал Дж. Д. Геометрия построек из молекул воды. Успехи химии, 2007, т.25, с. 643-660.
3. О возможной роли гидратации как ведущего интеграционного фактора в организации биосистем на разных уровнях их иерархии. Биофизика, 2008, т.36, в.2, с.181-243.
4.Зацепина и структура воды. М.: изд-во МГУ, 2006, - 280 с.
5.Наберухин модели жидкости. М.: Наука. 1981 – 185 с.
Зацепина свойства и структура воды. — М.: Изд-во Московско-го университета. — 2007. — 185 с.
6., , О возможности исследования кинетики фазовых переходов в жидкой среде методом акустической эмиссии // Инженерная физика, 2008, № 1, с. 16—20.
7. , , Сыроежкин эмиссия при фазовых превращениях в водной среде // Российский химический журнал — М.: Рос. хим. общество им. , 2008, т. 52, № 1, с. 114—121.
8.Смирнов воды: новые экспериментальные данные. // Наука и технологии в промышленности, 2010, № 4, с. 41—45.
9.Смирнов эмиссия при протекании химической реакции и физико-химических процессов // Российский химический журнал. — М.: Рос. хим. об-во им. , 2010, т. 45, с. 29—34.
10., Сыроежкин комплексы воды // Российский химический журнал. — М.: Рос. хим. об-во им. , 2004, т. 48, № 2, с. 125—135.
11А. Эйзенберг, В. Кауцман. Структура и свойства воды. «Гидрометеоиздат», Л.,2009.
12. . Справочник по физике и технике. «Просвещение», М., 2010.
13. , . Учебник физической химии. «Госхимиздат», М., 1955.
14.. Память воды, гомеопатия, опыты, факты, доказательства. Веб-ресурс http://www. *****/article_info. php? articles_id=74
15.В. Зильбер. природа действия гомеопатических лекарств. Наука и жизнь, 12, 2008. http://www. *****/archive/articles/9293/
16... Особенности талой воды. «Структура и роль воды в живом организме», Сборник 1, стр. 179. «Изд-во Ленинградского университета», 2007.
Список литературы для учащихся
1., Кабардина и лабораторные работы по термодинамике в средней школе. Оренбург,2008.
2. Кабардин по тепловой физике.----- М:Просвещение,2007
3. Теплота. Дозы, эффекты, риск.----М:Мир,1968.
4.Физика-11 / Под ред. .------М:Просвещение,2007.
5.Уткин теплообмен в экологии.//СОЖ.№3.
6. Ф, Орлов задания по физике. 9 – 11 классы. –М:Вербум-М,2008.
7.Кабардин физики и развитие представлений о мире. Элективный курс. 9 – 11 классы. ---- М: Аст. -----Астрель. Транзит - книга,2009.
8.,Шеффер физических величин: Учеб. пособие/ Под ред. О.Ф. Кабардина.---М:Бином. Лаборатория знаний,2009.
Приложение 1
Практическая работа
Анализ воды
Опыт 1. Определение прозрачности воды
Для опыта нужен прозрачный плоскодонный стеклянный цилиндр диаметром 2 - 2,5 см, высотойсм.
Рекомендуется провести опыт сначала с водопроводной водой, а затем с водой из водоема и сравнить результаты. Установите цилиндр на печатный текст и вливайте исследуемую воду, следя за тем, чтобы можно было читать через воду текст. Отметьте, на какой высоте вы не будете видеть шрифт. Измерьте высоты столбов воды линейкой. Сделайте выводы.
Опыт 2. Определение интенсивности запаха воды.
Коническую колбу наполните на 2/3 объема исследуемой водой, плотно закройте пробкой и сильно встряхните. Затем откройте колбу и отметьте характер и интенсивность запаха. Дайте оценку интенсивности запаха воды в баллах, пользуясь таблицей.
Характеристика запаха | Интенсивность запаха (балл) |
Отсутствие ощутимого запаха | 0 |
Очень слабый запах - не замечается потребителями, но обнаруживается специалистами | 1 |
Слабый запах – обнаруживается потребителями, если обратить на это внимание | 2 |
Запах легко обнаруживается | 3 |
Отчетливый запах – неприятный и может быть причиной отказа от питья | 4 |
Очень сильный запах – делает воду непригодной для питья | 5 |
Результаты работы заносим в технологическую карту
Образцы воды | Анализируемые показатели | |||
цвет | запах | прозрачность | Наличие примесей | |
№1 водопроводная вода | ||||
№2 вода из пруда |
Приложение 2
Теоретический материал для занятий
Что определяет физические свойства воды?
Из самых легких соединений подгруппы кислорода (а ими являются гидриды) вода – легчайшее. Физические характеристики гидридов, как и других типов химических соединений, определяются положением в таблице элементов соответствующей подгруппы. Так, чем легче элемент подгруппы, тем выше летучесть его гидрида. Поэтому в подгруппе кислорода самой высокой должна быть летучесть воды – гидрида кислорода.
Смачиваемость воды
Это же свойство очень явственно проявляется и в способности воды «прилипать» ко многим предметам, то есть смачивать их. При изучении этого явления установили, что все вещества, которые легко смачиваются водой (глина, песок, стекло, бумага и др.), непременно имеют в своем составе атомы кислорода. Для объяснения природы смачивания этот факт оказался ключевым: энергетически неуравновешенные молекулы поверхностного слоя воды получают возможность образовывать дополнительные водородные связи с «посторонними» атомами кислорода. Благодаря поверхностному натяжению и способности к смачиванию, вода может подниматься в узких вертикальных каналах на высоту большую чем та, которая допускается силой тяжести, то есть вода обладает свойством капиллярности.
Капиллярность воды
Капиллярность играет важную роль во многих природных процессах, происходящих на Земле. Благодаря этому вода смачивает толщу почвы, лежащую значительно выше зеркала грунтовых вод и доставляет корням растений растворы питательных веществ. Капиллярностью обусловлено движение крови и тканевых жидкостей в живых организмах.
В чем вода противоречит химии и таблице Менделеева?
Самыми высокими оказываются у воды как раз те характеристики, которые должны были бы быть самыми низкими: температуры кипения и замерзания, теплоты парообразования и плавления. Об этом - далее...
Температуры кипения и замерзания воды
Температуры кипения и замерзания гидридов элементов кислородной подгруппы графически представлены на рис. У самого тяжелого из гидридов H2Te они отрицательны: выше 0°С это соединение газообразно. По мере перехода к гидридам более легким (H2Se, H2S) температуры кипения и замерзания все более снижаются. Сохранись и далее эта закономерность, можно было бы ожидать, что вода должна кипеть при -70°С и замерзать при -90°C. В таком случае в земных условиях она никогда не могла бы существовать ни в твердом, ни в жидком состояниях. Единственно возможным было бы газообразное (парообразное) состояние. Но на графике зависимости температуры неожиданно резкий подъем – температура кипения воды +100°С, замерзания – 0°C. Это наглядное преимущество ассоциативности – широкий температурный интервал существования, возможность осуществить все фазовые состояния в условиях нашей планеты.
Теплота парообразования воды
Ассоциативность воды сказывается и на очень высокой удельной теплоте ее парообразования. Чтобы испарить воду, уже нагретую до 100°С, требуется вшестеро больше количества теплоты, чем для нагрева этой же массы воды на 80°С (от 20 до 100°С).Каждую минуту миллион тонн воды гидросферы испаряется от солнечного нагрева. В результате в атмосферу постоянно поступает колоссальное количество теплоты, эквивалентное тому, которое бы вырабатывали 40 тысяч электростанций мощностью 1 млрд. киловатт каждая.
Температура плавления воды
При плавлении льда немало энергии уходит на преодоление ассоциативных связей ледяных кристаллов, хотя и вшестеро меньше, чем при испарении воды. Молекулы Н2O фактически остаются в той же среде, меняется лишь фазовое состояние воды. Удельная теплота плавления льда более высокая, чем у многих веществ, она эквивалентна расходу количества теплоты при нагреве того же количества воды на 80°С (от 20 до 100°С).При замерзании воды соответствующее количество теплоты поступает в окружающую среду, при таянии льда – поглощается. Поэтому ледяные массы, в отличие от масс парообразной воды, являются своего рода поглотителями тепла в среде с плюсовой температурой.
Использование аномальных свойств воды
Аномально высокие значения удельной теплоты парообразования воды и удельной теплоты плавления льда используются человеком в производственной деятельности. Знание природных особенностей этих физических характеристик иногда подсказывает смелые и эффективные технические решения. Так, воду широко применяют в производстве как удобный и доступный охладитель в самых разнообразных технологических процессах. После использования воду можно возвратить в природный водоем и заменить свежей порцией, а можно снова направить на производство, предварительно охладив в специальных устройствах – градирнях.
Охлаждение... кипятком!
На многих металлургических производствах Донбасса в качестве охладителя используют не холодную воду, а кипяток. Охлаждение идет за счет использования теплоты парообразования – эффективность процесса повышается в несколько раз, к тому же отпадает надобность в сооружении громоздких градирен. Конечно, кипяток-охладитель используют там, где нужно охладить объекты, нагретые выше 100°C. А вот пример совсем из другой области человеческой деятельности – сельского хозяйства, садоводства. Когда поздней весной внезапные ночные заморозки угрожают цветущим плодовым деревьям, опытные садоводы находят выход, кажущийся совершенно неожиданным: они проводят дождевание сада. Пелена мельчайших водных брызг окутывает замерзающие деревья. Капельки воды покрывают лепестки цветов. Превращаясь в лед, вода надевает на цветы ледяную шубу, отдавая при этом им свое тепло (335 Дж от 1 г замерзающей воды).
Аномальная теплоемкость воды
Широкое применение воды в качестве охладителя объясняется не только и не столько ее доступностью и дешевизной. Настоящую причину нужно тоже искать в ее физических особенностях. Оказывается, вода обладает еще одной замечательной способностью – высокой теплоемкостью. Поглощая огромное количество теплоты, сама вода существенно не нагревается. Удельная теплоемкость воды в пять раз выше, чем у песка, и почти в десять раз выше, чем у железа. Способность воды накапливать большие запасы тепловой энергии позволяет сглаживать резкие температурные колебания на земной поверхности в различные времена года и в разное время суток. Благодаря этому вода является основным регулятором теплового режима нашей планеты.
Вода и температура живых существ
Интересно, что теплоемкость воды аномальна не только по своему значению. Удельная теплоемкость разная при различных температурах, причем характер температурного изменения удельной теплоемкости своеобразен: она снижается по мере увеличения температуры в интервале от 0 до 37°С, а при дальнейшем увеличении температуры – возрастает. Минимальное значение удельной теплоемкости воды обнаружено при температуре 36,79°С, а ведь это нормальная температура человеческого тела! Нормальная температура почти всех теплокровных живых организмов также находится вблизи этой точки. Оказалось, что при этой температуре осуществляются и микрофазовые превращения в системе «жидкость – кристалл», то есть «вода – лед». Установлено, что при изменении температуры от 0 до 100°С вода последовательно проходит пять таких превращений. Назвали их микрофазовыми, так как протяженность кристаллов микроскопична, не более 0,2...0,3 нм. Температурные границы переходов – 0, 15, 30, 45, 60 и 100°С. Температурная область жизни теплокровных животных находится в границах третьей фазы (30...45°С). Другие виды организмов приспособились к иным температурным интервалам. Например, рыбы, насекомые, почвенные бактерии размножаются при температурах, близких к середине второй фазы (23...25°С), эффективная температура весеннего пробуждения семян приходится на середину первой фазы (5...10°С).Характерно, что явление прохождения удельной теплоемкости воды через минимум при температурном изменении обладает своеобразной симметрией: при отрицательных температурах также обнаружен минимум этой характеристики. Он приходится на – 20°С. Если вода ниже 0°С сохраняет не замерзшее состояние, например, будучи мелкодисперсной, то около -20°С резко увеличивается ее теплоемкость. Это установили американские ученые, исследуя свойство водных эмульсий, образованных капельками воды диаметром около 5 микрон.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 |
