Что происходит при нагревании и охлаждении. Фазовые переходы
Японский физик Масакадзу Мацумото выдвинул теорию, которая объясняет, почему вода при нагревании от 0 до 4°C сжимается, вместо того чтобы расширяться. Согласно его модели, вода содержит микрообразования — «витриты», представляющие собой выпуклые пустотелые многогранники, в вершинах которых находятся молекулы воды, а ребрами служат водородные связи. При повышении температуры конкурируют между собой два явления: удлинение водородных связей между молекулами воды и деформация витритов, приводящая к уменьшению их полостей. В диапазоне температур от 0 до 3,98°C последнее явление доминирует над эффектом удлинения водородных связей, что в итоге и дает наблюдаемое сжатие воды. Экспериментального подтверждения модели Мацумото пока что нет — впрочем, как и других теорий, объясняющих сжатие воды.
В отличие от подавляющего большинства веществ, вода при нагревании способна уменьшать свой объем (рис. 1), то есть обладает отрицательным коэффициентом теплового расширения. Впрочем, речь идет не обо всём температурном интервале, где вода существует в жидком состоянии, а лишь об узком участке — от 0°C примерно до 4°C. При бо льших температурах вода, как и другие вещества, расширяется.
Между прочим, вода — не единственное вещество, имеющее свойство сжиматься при увеличении температуры (или расширяться при охлаждении). Подобным поведением могут «похвастать» еще висмут, галлий, кремний и сурьма. Тем не менее, в силу своей более сложной внутренней структуры, а также распространенности и важности в разнообразных процессах, именно вода приковывает внимание ученых (см. Продолжается изучение структуры воды , «Элементы», 09.10.2006).
Некоторое время назад общепринятой теорией, отвечающей на вопрос, почему вода увеличивает свой объем при понижении температуры (рис. 1), была модель смеси двух компонент — «нормальной» и «льдоподобной». Впервые эта теория была предложена в XIX веке Гарольдом Витингом и позднее была развита и усовершенствована многими учеными. Сравнительно недавно в рамках обнаруженного полиморфизма воды теория Витинга была переосмыслена. Отныне считается, что в переохлажденной воде существует два типа льдообразных нанодоменов: области, похожие на аморфный лед высокой и низкой плотности. Нагревание переохлажденной воды приводит к плавлению этих наноструктур и к появлению двух видов воды: с большей и меньшей плотностью. Хитрая температурная конкуренция между двумя «сортами» образовавшейся воды и порождает немонотонную зависимость плотности от температуры. Однако пока эта теория не подтверждена экспериментально.
С приведенным объяснением нужно быть осторожным. Не случайно здесь говорится лишь о структурах, которые напоминают аморфный лед. Дело в том, что наноскопические области аморфного льда и его макроскопические аналоги обладают разными физическими параметрами.
Японский физик Масакадзу Мацумото решил найти объяснение обсуждаемого здесь эффекта «с нуля», отбросив теорию двухкомпонентной смеси. Используя компьютерное моделирование, он рассмотрел физические свойства воды в широком диапазоне температур — от 200 до 360 К при нулевом давлении, чтобы в молекулярном масштабе выяснить истинные причины расширения воды при ее охлаждении. Его статья в журнале Physical Review Letters так и называется: Why Does Water Expand When It Cools? («Почему вода при охлаждении расширяется?»).
Изначально автор статьи задался вопросом: что влияет на коэффициент теплового расширения воды? Мацумото считает, что для этого достаточно выяснить влияние всего трех факторов: 1) изменения длины водородных связей между молекулами воды, 2) топологического индекса — числа связей на одну молекулу воды и 3) отклонения величины угла между связями от равновесного значения (углового искажения).
Перед тем как рассказать о результатах, полученных японским физиком, сделаем важные замечания и разъяснения по поводу вышеупомянутых трех факторов. Прежде всего, привычная химическая формула воды H 2 O соответствует лишь парообразному ее состоянию. В жидкой форме молекулы воды посредством водородной связи объединяются в группы (H 2 O) x , где x — количество молекул. Наиболее энергетически выгодно объединение из пяти молекул воды (x = 5) с четырьмя водородными связями, в котором связи образуют равновесный , так называемый тетраэдральный угол , равный 109,47 градуса (см. рис. 2).
Проанализировав зависимость длины водородной связи между молекулами воды от температуры, Мацумото пришел к ожидаемому выводу: рост температуры рождает линейное удлинение водородных связей. А это, в свою очередь, приводит к увеличению объема воды, то есть к ее расширению. Сей факт противоречит наблюдаемым результатам, поэтому далее он рассмотрел влияние второго фактора. Как коэффициент теплового расширения зависит от топологического индекса?
Компьютерное моделирование дало следующий результат. При низких температурах наибольший объем воды в процентном отношении занимают кластеры воды, у которых на одну молекулу приходится 4 водородных связи (топологический индекс равен 4). Повышение температуры вызывает уменьшение количества ассоциатов с индексом 4, но при этом начинает возрастать число кластеров с индексами 3 и 5. Проведя численные расчеты, Мацумото обнаружил, что локальный объем кластеров с топологическим индексом 4 с повышением температуры практически не меняется, а изменение суммарного объема ассоциатов с индексами 3 и 5 при любой температуре взаимно компенсирует друг друга. Следовательно, изменение температуры не меняет общий объем воды, а значит, и топологический индекс никакого воздействия на сжатие воды при ее нагревании не оказывает.
Остается выяснить влияние углового искажения водородных связей. И вот здесь начинается самое интересное и важное. Как было сказано выше, молекулы воды стремятся объединиться так, чтобы угол между водородными связями был тетраэдральным. Однако тепловые колебания молекул воды и взаимодействия с другими молекулами, не входящими в кластер, не дают им этого сделать, отклоняя величину угла водородной связи от равновесного значения 109,47 градуса. Чтобы как-то количественно охарактеризовать этот процесс угловой деформации, Мацумото с коллегами, основываясь на своей предыдущей работе Topological building blocks of hydrogen bond network in water , опубликованной в 2007 году в Journal of Chemical Physics , выдвинули гипотезу о существовании в воде трехмерных микроструктур, напоминающих выпуклые полые многогранники. Позднее, в следующих публикациях, такие микроструктуры они назвали витритами (рис. 3). В них вершинами являются молекулы воды, роль ребер играют водородные связи, а угол между водородными связями — это угол между ребрами в витрите.
Согласно теории Мацумото, существует огромное разнообразие форм витритов, которые, как мозаичные элементы, составляют большую часть структуры воды и которые при этом равномерно заполняют весь ее объем.
Молекулы воды стремятся создать в витритах тетраэдральные углы, поскольку витриты должны обладать минимально возможной энергией. Однако из-за тепловых движений и локальных взаимодействий с другими витритами некоторые микроструктуры не обладают геометрией с тетраэдральными углами (или углами, близкими к этому значению). Они принимают такие структурно неравновесные конфигурации (не являющиеся для них самыми выгодными с энергетической точки зрения), которые позволяют всему «семейству» витритов в целом получить наименьшее значение энергии среди возможных. Такие витриты, то есть витриты, которые как бы приносят себя в жертву «общим энергетическим интересам», называются фрустрированными. Если у нефрустрированных витритов объем полости максимален при данной температуре, то фрустрированные витриты, напротив, обладают минимально возможным объемом.
Компьютерное моделирование, проведенное Мацумото, показало, что средний объем полостей витритов с ростом температуры линейным образом уменьшается. При этом фрустрированные витриты значительно уменьшают свой объем, тогда как объем полости нефрустрированных витритов почти не меняется.
Итак, сжатие воды при увеличении температуры вызвано двумя конкурирующими эффектами — удлинением водородных связей, которое приводит к увеличению объема воды, и уменьшением объема полостей фрустрированных витритов. На температурном отрезке от от 0 до 4°C последнее явление, как показали расчеты, преобладает , что в итоге и приводит к наблюдаемому сжатию воды при повышении температуры.
Осталось дождаться экспериментального подтверждения существования витритов и такого их поведения. Но это, увы, очень непростая задача.
Воздух – одинаковый на всем земном шаре.
Он будет расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении в любой стране и городе, в любом поселке или деревне.
Программное содержание: Закрепить представление детей о свойствах воды, снега, льда расширять представления о свойствах воды (прозрачная, не имеет формы и запаха) и воздуха (расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении) стимулировать желание самостоятельно делать выводы и выдвигать гипотезы.
Оборудование: Воздушные шары, пластмассовые бутылки, тазики с горячей (не более 60 С) и холодной водой, изображение воздушного шара, соль, сахар, пластмассовые стаканчики, ложки, емкости для воды (колбы, пробирки, бутылки, банки), фильтры (салфетки), лед, глобус.
Ход занятия:
Организационный момент: Игра «Ракета»
Воспитатель: На чем можно отправиться в путешествие? (ответ) Предлагаю сегодня воспользоваться воздушным шаром.
Вы не против? Нам в пути нужен важный помощник. О нем говорится в загадке.
Через нос проходит в грудь
И обратно держит путь
Невидимка он, и все же
Без него мы жить не можем.
Воздух везде. Посмотрите вокруг. Кто видел воздух? (ответ) Да воздух невидимка, но он всегда вокруг нас. Без него мы не могли бы жить, т.к. нечем было бы дышать. А теперь, ребята, давайте проверим, как долго мы ожжем не дышать. А почему мы не видим воздух? (ответ) Воздух невидим, т.к. он прозрачен. А хотите увидеть воздух? Но сначала повторим правила безопасного поведения при экспериментировании:
- Не толкай соседа во время работы Сначала посмотри, потом повтори Убери, на место положи С горячей водой будь осторожен.
Но перед опытами давайте сделаем зарядку для глаз.
Зарядка для глаз.
Опыт 1: Стакан опускается в банку — попадает вода в стакан? Почему нет? (ответ)
Вывод: В стакане есть воздух, он не пускает туда воду.
Опыт 2: Стакан наклонить — что появляется (пузырьки) Откуда они взялись? (ответ)
Вывод: Воздух выходит из стакана, его место занимает вода.
Воспитатель открывает изображение воздушного шара.
Воспитатель: Скажите, зачем под шаром расположена горелка? (ответ) Сейчас мы с вами узнаем, что происходит с воздухом, когда его нагревают.
Опыт 3: Пустой воздушный шарик надеть на горлышко пласт. Бутылки. Подержать ее в течении 1 мин. В горячей воде. — Что вы видите? (Шар надувается) Почему? (ответ)
Вывод: При нагревании воздух в бутылке расширяется и заполняет шар, он надувается.
Воспитатель ставит бутылку с шариком в холодную воду.
— Что вы видите? (Шарик сдувается) Почему? (ответ)
Вывод: Воздух при охлаждении сжимается и выходит из шарика — он сдувается.
Воспитатель: Зачем же нужна горелка? (ответ) При нагревании воздух расширяется и заполняет шарик. Когда горелка выключается, воздух постепенно охлаждается и сжимается — шар сдувается.
Воспитатель: Отправляемся в полёт! Занять свои места. Полетели. (Дети садятся на стульчики. Воспитатель достаёт глобус.) Посмотрите на глобус. Так выглядит наша земля из космоса. Что на глобусе обозначено синим цветом? (Вода) Послушайте стихотворение о воде.
Вы слыхали о воде?
Говорят она везде!
В луже, море, океане
И водопроводном кране.
Как сосулька, замерзает,
В лес туманом заползает,
На плите у вас кипит,
Паром чайника шипит,
Растворяет сахар в чае.
Мы её не замечаем.
Мы привыкли, что вода
Наша спутница всегда!
Без воды нам не умыться,
Не наесться, не напиться.
Смею вам я доложить #150
Без воды нам не прожить!
Воспитатель: И, правда, без воды жизнь представить сложно. Внимание, вот мы и прилетели! Приземляемся! (Дети выходят.) Кто-то стоит у нас на пути. Кто? (Это водяной)
Водяной: Здравствуйте! Очень рад вас видеть! Я так люблю шлёпать босыми ногами по лужам, купаться, брызгаться. После этого на руках и ногах в солнечных лучах переливаются прозрачные капельки. Только мне непонятно: куда потом исчезает эта вода? И еще, зимой, я хотел искупаться в своей любимой речке, а вместо воды — лёд. Откуда он взялся?
Воспитатель: П опробуем ответить на вопросы. Для этого нужно вооружиться вниманием и терпением. Пройдёмте в лабораторию.
Пальчиковая гимнастика.
Воспитатель: В одяной, ребята покажут, какими свойствами обладает вода. Обратите внимание: на столе лежит лёд. Мы позже к нему вернёмся.
Опыт 4: В зять стакан с чистой водой и понюхать её.
Воспитатель: Имеет ли вода запах? (Нет, вода не имеет запаха.)
Вывод: Вода не имеет запаха.
Опыт 5: Поставить на картинку стакан, а водой и стакан с молоком.
Воспитатель: Вам видно, что нарисовано на картинке? (Там, где вода, видно, а где молоко — нет.)
Вывод: Вода прозрачная.
Опыт 6: Положить в стакан ложку сахару или соли, размешать.
Воспитатель: что произошло? (Сахар растворился)
Вывод: Вода является растворителем для некоторых веществ.
Опыт 7: Разлить воду по разным сосудам.
Воспитатель: какую форму приняла вода? (Форму той посуды, в которую её налили)
Вывод: Вода не имеет постоянной формы, она принимает форму того сосуда, в который её налили.
Физкультминутка: Игра «Воздух, огонь, вода, земля»
Воспитатель: Ребята, давайте пройдем к столу, на котором был лёд. Что вы видите? Почему это произошло?
Водяной: жаль, что лёд растаял, я так люблю его есть.
Воспитатель: Что ты! Сосульки и лёд нельзя есть! Почему? Давайте докажем, что лед грязный. (профильтруем)
Опыт 8: Налить талую воду из тарелки в воронку с фильтром.
Воспитатель: Чистым или грязный лёд? Почему? Водяной, можно есть лёд или нет?
Водяной: что вы! Я больше никогда не буду есть лёд и снег.
Воспитатель: давайте повторим свойства воды.
Водяной: Спасибо вам. Я запомню свойства воды и никогда их не забуду. Ват вам шарики на память о этом путешествии. До свидания.
Воспитатель: нам пора возвращаться в детский сад. Занимайте места. Закрываем глаза. Раз, два, три. Прилетели.
Человек! Запомни навсегда:
Символ жизни на Земле — вода!
Экономь её и береги.
Мы ведь на планете не одни!
Подведение итогов. Что узнали о воде?
Что использовалось:
- электрическая плитка
- жидкий азот
- воздушный шарик
- конфетти
- пластиковая бутылка
Описание:
Очень наглядный опыт! Многие догадываются, что при нагревании вещества увеличиваются в объеме, а при охлаждении – уменьшаются. И не важно, твердое это тело, жидкость или газ. Всё изменяет размер. Вот только в обычной жизни в подобное слабо верится. Наливаешь себе два половника супа, разогреваешь. Как было два, так два и осталось. Да и кастрюля в холодильнике меньше места не станет занимать, когда охладится.
На самом деле объем меняется.
Только незначительно, незаметно для человеческого глаза. При нагревании молекулы в веществе становятся более подвижными и начинают отдаляться друг от друга. Расстояние больше – объем больше. При охлаждении, соответственно, наоборот. В твердом веществе самые сильные связи между молекулами, в жидком – послабее, а в газообразном – самые слабые. Вот, и выходит, что газ изменяет объем легче, чем вещества в других агрегатных состояниях.
Теперь об условиях. Чем выше температура, тем выше скорость молекул и тем значительнее увеличивается объем. Чем больше скорость охлаждения или нагревания (разница температуры вещества и окружающей среды), тем быстрее будет виден результат.
Для закрепления, и дабы вернуть бутылке прежнюю форму, повторим процедуру с нагреванием.
Источники:
Тараканам вход закрыт: Известно, что сколько не воюй с тараканами, но если они есть у соседей, то обязательно прийдут снова к нам. Самый легкий путь для них — ветиляционная шахта. Снимите решетку с вентиляционного отверстия и на ее обратную сторону прикрепите (можно приклеить) капроновый чулок. Теперь никакая живность в Вашу квартиру не проникнет.
Простой и прочный древесный клей: Клей для дерева можно сделать самому. Достаточно взять немного творога и растворить его в нашатырном спирте. На 100гр. нашатырного спирта, 25гр. творога. Древесные поверхности нужно тщательно подогнать друг к другу, чтобы не было щелей, намазать и плотно скрепить струпцинами.
Что происходит с воздухом при нагревании и охлаждении
Провели такой опыт. Вставили в колбу пробку со стеклянной трубочкой.
Конец трубочки опустили в стакан с водой. Нагрели колбу, обхватив её руками. Скоро заметили, что из трубочки начали выходить пузырьки воздуха. Это произошло потому, что воздух при нагревании расширяется и не умещается в колбе.
Провели второй опыт. Положили на колбу, с которой ставили первый опыт, тряпку, смоченную холодной водой. Вода из стакана начала входить в трубку и подниматься по ней. Значит, воздух при охлаждении сжимается.
Чтобы лучше видеть, как поднимается по трубочке вода, её предварительно подкрасили.
Воздух, так же как и жидкие и твёрдые тела, расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении.
Воздух – одинаковый на всем земном шаре. Он будет расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении в любой стране и городе, в любом поселке или деревне.
Для того, чтобы общаться с гражданами других стран, нужно выучить их язык. Например, это можно сделать, посещая различные школы изучения английского языка. Если ты знаешь иностранный язык, то можно спросить в интернете у англичан, или немцев, или французов – как ведет себя воздух в их стране. И, можно быть уверенным, что у них у всех воздух расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении, независимо от местности, где они живут и языка, на котором они разговаривают.
У воздуха есть еще одно интересное свойство — он плохо проводит тепло. Многие растения, зимующие под снегом, не замерзают, потому что между холодными частицами снега много воздуха и снежный сугроб напоминает теплое одеяло, укрывающее стебли и корни растений. Осенью белочка, заяц, волк, лиса и другие звери линяют. Зимний мех гуще и пышнее, чем летний. Между густыми волосками задерживается больше воздуха, и животным в заснеженном лесу не страшен мороз.
(Учитель записывает на доске.)
Воздух плохо проводит тепло.
Итак, какие свойства имеет воздух?
V. Физкультминутка
VI. Закрепление изученного материала Выполнение заданий в рабочей тетради
№ 1 (с. 18).
- Прочитайте задание. Рассмотрите рисунок и подпишите на схеме, какие газообразные вещества входят в состав воздуха.(самопроверка со схемой в учебнике на с. 46.)
№2 (с. 19).
Прочитайте задание. Запишите свойства воздуха. (После выполнения задания проводится самопроверка с записями на доске.)
№3(с. 19).
- Прочитайте задание. Какие свойства воздуха нужно учитывать, чтобы правильно выполнить задание? (При нагревании воздух расширяется, при охлаждении сжимается.)
Как объяснить, что воздух при нагревании расширяется? Что происходит с частицами, из которых он состоит? (Частицы начинают двигаться быстрее, и промежутки между ними увеличиваются.)
— Нарисуйте в первом прямоугольнике, как располагаются частицы воздуха при нагревании.
— Как объяснить, что воздух при охлаждении сжимается? Что происходит с частицами, из которых он состоит? (Частицы начинают двигаться медленнее, и промежутки между ними уменьшаются.)
— Нарисуйте во втором прямоугольнике, как располагаются частицы воздуха при охлаждении.
№4 (с. 19).
— Прочитайте задание. Какое свойство воздуха объясняет это явление? (Воздух плохо проводит тепло.)
VII. Рефлексия
Работа в группах
— Прочитайте первое задание в учебнике на с. 48. Попробуйте объяснить свойства воздуха.
— Прочитайте второе задание на с. 48. Выполните его.
— Что загрязняет воздух? (Промышленные предприятия, транспорт.)
Беседа
Неподалеку от моего дома есть фабрика. Из моих окон видна высокая кирпичная труба. Из нее день и ночь валят черные густые клубы дыма, отчего горизонт вечно прячется за плотной серозной завесой. Порой так и кажется, будто это заядлый курильщик окуривает город своей неугасаемой гулливерской трубкой. Мы все кашляем, чихаем, кое-кого приходится даже укладывать в больницу. А «курильщику» хоть бы что: знай себе пых да пых, пых да пых.
Дети плачут: противная фабрика! Взрослые сердятся: немедленно закрыть!
А в ответ все слышат: как так «противная»?! Как так «закрыть»?!
Наша фабрика товары для людей выпускает. А, к сожалению, дыма без огня не бывает. Загасим пламя топок — фабрика остановится, товаров не будет.
Как-то поутру проснулась я, глянула в окно — не дымит! Перестал великан курить, фабрика на месте, труба по-прежнему торчит, а дыма нет. Интересно, надолго ли? Однако вижу: и завтра не дымит, и послезавтра, и послепослезавтра… Неужто фабрику вовсе закрыли?
А дым куда же подевался? Сами ведь говорили, что дыма без огня не бывает.
Вскоре выяснилось: услышали наконец бесконечные наши жалобы - приладили к фабричной трубе дымоуловители, дымоловку, которая не позволяет частичкам сажи вылетать из трубы.
И вот что интересно. Казалось бы, никому не нужный и даже вредный дым заставили делать доброе дело. Его (вернее, сажу) теперь здесь бережно собирают и отправляют на завод пластмасс. Кто знает, быть может, этот мой фломастер как раз из той самой сажи, пойманной дымоловками. Словом, польза от дымоловок всем: и нам, горожанам (мы больше не болеем), и самой фабрике (она сажу продает, а не пускает, как прежде, на ветер), и покупателям пластмассовых изделий (в том числе фломастеров).
Назовите способы охраны чистоты воздуха. (Установки для очистки воздуха, электромобили.)
- Чтобы очистить воздух, люди сажают деревья. Почему? (Растения поглощают углекислый газ, а выделяют кислород.)
Давайте внимательно рассмотрим листочек дерева. Нижняя поверхность листа покрыта прозрачной пленочкой и усеяна очень мелкими отверстиями. Их называют «устьица», хорошенько разглядеть их можно только в лупу. Они то открываются, то закрываются, собирая углекислый газ. При свете солнца из воды, которая поднимается от корней по стеблям растений, и углекислого газа в зеленых листьях образуются сахар, крахмал, кислород.
Не зря растения называют «легкими планеты».
Какой чудесный воздух в лесу! В нем много кислорода и полезных веществ. Ведь деревья выделяют особые летучие вещества - фитонциды, которые убивают бактерии. Смолистые запахи ели и сосны, аромат березы, дуба, лиственницы очень полезны для человека. А вот в городах воздух совсем другой. Он пахнет бензином, выхлопными газами, ведь в городах много машин, работают фабрики, заводы, которые тоже загрязняют воздух. Дышать таким воздухом человеку вредно. Чтобы очистить воздух, мы сажаем деревья, кустарники: липы, тополя, сирень.
⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒
Приборы, в которых происходит обмен тепла, называются теплообменниками .
Простейший тип теплообменника можно изготовить, поместив одну цилиндрическую трубку в другую. Если по наружной трубке снизу пропустить холодный воздух, а навстречу ему по внутренней - теплый, то последний охладится, отдавая свое тепло холодному воздуху, идущему по наружной трубке. В таком теплообменнике даже при низкой температуре холодного воздуха нельзя достичь хорошего охлаждения поступающего сверху газа.
Имеются более сложные конструкции теплообменников, в которых внутренняя трубка сделана в виде спирали или заменена большим количеством трубок малого диаметра. Это увеличивает площадь соприкосновения трубок с проходящим мимо них холодным воздухом.
Теплообменники изготовляются преимущественно из красной меди. Она обладает хорошей теплопроводностью.
Снаружи теплообменники покрываются теплоизоляционным материалом, который предохраняет их от внешнего тепла. В хорошем теплообменнике можно охладить воздух до очень низких температур, но для этого нужен еще более холодный воздух.
Откуда его взять?
Если быстро сжать газ, то он нагреется; если же его быстро расширить, то он охладится.
Пропустите сжатый воздух через пористую пробку, вставленную в середину небольшой трубки. Нажмите на поршень. Левая сторона трубки, где воздух сжимается, нагреется. Одновременно заметно охладится правая часть трубки, куда поступает сжатый воздух, расширяясь при выходе через пробку.
Ученые-физики объясняют нагревание газа при его сжатии тем, что при уменьшении объема сжатого газа молекулы настолько близко подходят друг к другу, что между ними начинают действовать силы притяжения, молекулы газа еще больше сближаются - совершается работа, которая как бы приводит к дополнительному сжатию. Происходит выделение тепла, температура газа повышается.
При быстром расширении сжатого газа происходит увеличение его объема. Молекулы газа стремятся отойти друг от друга, но силы притяжения препятствуют этому. На преодоление сил притяжения затрачивается работа, расходуется часть тепла, и газ охлаждается.
Величина, на которую понизится температура газа при расширении, зависит от начального и конечного давления. В практике принято считать, что при понижении давления на 1 атмосферу температура газа понижается.
Если в специальной машине, называемой компрессором, сжать некоторый объем воздуха до 200 атмосфер, затем пропустить его через специальный кран - расширительный вентиль - и дать ему быстро расшириться до первоначального объема, температура его понизится примерно на 50°. Если температура сжатого воздуха до его прохождения через расширительный или дроссельный вентиль была 10°, то после его расширения она станет -40°. Чем ниже температура сжатого воздуха до его расширения, тем ниже она будет после дросселирования, то есть после пропускания через узкую щель дроссельного вентиля. Постепенно понижая температуру сжатого воздуха, можно достичь температуры, при которой он начнет сжижаться.
Но прежде чем приступить к получению жидкого воздуха, его нужно очистить.
В воздухе обычно содержится много пыли - мелких твердых частиц песка и угля. В среднем в кубическом метре воздуха содержится до 0,01 грамма примесей. Механические примеси, попадая между трущимися частями компрессора, образуют царапины и приводят к преждевременному износу машины. Поэтому воздух нужно освободить от пыли.
Для очистки воздуха используют специальные масляные фильтры, которые устанавливают на всасывающей трубе компрессора.
Образование тумана при охлаждении влажного воздуха.
Кроме механических загрязнений, воздух содержит влагу, углекислый газ и другие газообразные примеси.
Количество влаги в воздухе зависит от его температуры.
Наибольшее количество влаги в 1 кубическом метре воздуха при температуре -30° составляет около 0,1 грамма, а при температуре 30° - примерно 30 граммов.
При небольшом охлаждении воздуха пары воды конденсируются и превращаются в туман.
Налейте в банку немного воды и закройте ее пробкой, в которую вставлена трубка. Наденьте на трубку резиновую грушу и сожмите ее так, чтобы весь воздух из груши перешел в банку. В банке создастся давление. Если после некоторой выдержки быстро ослабить грушу, воздух з банке расширится и охладится - в банке появится туман. Это значит, что водяные пары, которые находились в банке вместе с воздухом, сконденсировались. Мельчайшие капельки воды равномерно распределились по всему объему.
При более низкой температуре влага вымораживается и образуется иней, который может осесть в виде льда на стенках аппаратуры.
Если в теплообменник или расширительный вентиль пустить воздух, содержащий влагу, на их стенках образуется сначала тонкий, а затем более толстый слой льда. Чтобы лед не закупорил трубки, воздух, прежде чем приступить к его охлаждению, нужно осушить.
Воздух можно осушить, пропуская его через пористые вещества, способные поглощать влагу. Такими веществами являются силикагель и специально обработанный - активированный - глинозем. Когда эти вещества поглотят столько влаги, что перестанут осушать воздух, их прокаливают и снова используют для просушки.
Влагу из воздуха можно также поглотить каустической содой или прокаленным хлористым кальцием. Эти вещества загружают в специальные баллоны, через которые пропускают воздух. Пройдя через них, воздух становится совершенно сухим.
На крупных установках, вырабатывающих кислород, влагу вымораживают в специальных ловушках - вымораживателях, где поддерживается температура -40-50°. Когда в одной ловушке набирается много льда, воздух переключают на другую ловушку, а первую нагревают. Лед тает, и воду из нее сливают через специальный кран.
Очистив воздух от пыли и осушив его, нельзя еще приступить к ожижению.
В воздухе имеется углекислый газ. При температуре около -80° этот газ превращается в снегообразную массу, которая при дальнейшем охлаждении образует твердое вещество, похожее на лед.
Если кусочек такого льда положить на чистый лист белой бумаги, лед постепенно начнет уменьшаться в объеме, не оставляя после себя никаких следов. Вот он окончательно исчез, а бумага по прежнему осталась такой же чистой и сухой. Сухой лед - это твердая углекислота. Он широко применяется в пищевой промышленности.
Для получения жидкого воздуха нельзя обойтись без очистки газообразного воздуха от углекислого газа. Иначе через некоторое время в холодильной установке накопится большое количество сухого льда, который может вывести ее из строя.
Как же очистить воздух от углекислого газа?
Раствор щелочи помещают в колонку, через которую пропускают воздух. Углекислый газ, находящийся в воздухе, соединяется с едким натром и образует соль. Выходящий из колонки воздух практически не содержит углекислоты.
Очистив газообразный воздух от всех примесей, которые могут помешать его сжижению, можно приступить к получению жидкого воздуха.
Для этого необходимо соединить между собой компрессор, простой холодильник, теплообменник и расширительный вентиль по схеме холодильного цикла с дросселированием.
Предварительно очищенный воздух направляют в компрессор и сжимают его до 200 атмосфер; так как воздух нагреется, его следует охладить, пропустив через простой холодильник с проточной холодной водой. Сжатый газ, проходя в холодильнике по внутренней трубке, отдаст свое тепло воде, которая омывает трубку снаружи. Из холодильника газ выйдет более холодным, чем из компрессора: его температура будет приблизительно 10°.
Сжатый воздух из холодильника направляют в теплообменник. Но так как теплообменник еще ничем не охлаждается, газ пройдет через него без изменения температуры и, попав в дроссельный вентиль, расширится в нем. При расширении газ охладится и перейдет в ожижитель, из ожижителя - обратно в теплообменник. С этого момента начинается работа теплообменника.
Воздух, идущий из ожижителя, будет охлаждать сжатый воздух, поступающий из компрессора. Температура сжатого воздуха после прохождения через расширительный вентиль понизится еще больше и, уходя через теплообменник в атмосферу, еще сильнее охладит свежие порции поступающего сжатого воздуха.
Итак, ежеминутно автоматически все больше и больше понижается температура воздуха, входящего в расширительный вентиль. Наконец наступает момент, когда воздух охладится настолько, что часть его ожижится.
Жидкий воздух собирается в ожижителе, откуда его сливают через кран.
Неожиженная часть воздуха поступает в теплообменник с температурой около -190°, а выходит из него с температурой, близкой к комнатной. Идет непрерывное ожижение небольшой части воздуха, проходящего через холодильную установку.
В описанном цикле только 5 процентов пропускаемого воздуха переходит в жидкое состояние, большая часть его не сжижается и уходит обратно в атмосферу.
Это объясняется тем, что цикл с дросселированием обладает малой производительностью холода, то есть расход энергии на сжатие газа до высокого давления велик, а снижение температуры при дроссельном расширении газа мало. Холодильный цикл прост по своему устройству, но малоэкономичен.
Ученые стали настойчиво искать более экономичных способов получения жидкого воздуха. Было установлено, что если сжатый воздух расширить в цилиндре поршневого двигателя или на лопатках ротора - вращающейся части воздушной турбины - и заставить его при расширении производить внешнюю работу, то воздух охладится значительно сильнее, чем при расширении в дроссельном вентиле, где производится только внутренняя работа, которая идет на преодоление сил взаимного притяжения молекул.
Машины, в которых происходит расширение сжатого газа с получением внешней работы, называются детандерами.
Охлаждение газа в детандере тем больше, чем больше он производит работы при своем расширении. Для охлаждения газа в детандере не требуется высокого давления.
Достаточно давления 50-60 атмосфер. Температура газа при его наибольшем расширении понизится до -120- 125°. Таким образом, при снижении давления газа в детандере на 1 атмосферу температура понижается приблизительно на 2° - в 8 раз больше, чем при дросселировании.
Производительность холодильного цикла с детандером в 2-3 раза выше производительности цикла с дросселированием. Из всего воздуха, проходящего через такую систему, ожижается не 5, а 10-15 процентов. Затрата энергии на сжатие газа в холодильном цикле среднего давления с детандером примерно в 3 раза меньше, чем в холодильной установке с дросселем.
В установке с детандером воздух, сжатый до 40-50 атмосфер, поступает сначала в холодильник, где он охлаждается водопроводной водой. Из холодильника весь воздух поступает в первый теплообменник, где он еще больше охлаждается.
При выходе из первого теплообменника сжатый воздух пускают по двум направлениям. Большая часть газа отводится в детандер, где он расширяется до 1 атмосферы и сильно охлаждается.
Охлажденный в детандере воздух направляется через теплообменники в атмосферу. По пути он отбирает тепло от идущего навстречу воздуха, поступающего из компрессора.
Оставшаяся часть сжатого воздуха охлаждается во втором теплообменнике и поступает в расширительный вентиль. При расширении воздух еще больше охлаждается и, достигнув температуры сжижения, частично ожижается. Жидкий воздух собирается в ожижителе. Неожиженная, холодная часть воздуха направляется через теплообменники в атмосферу. По мере накопления жидкий воздух сливают.
Сравнительно недавно в одном из институтов Академии наук СССР был разработан способ получения жидкого воздуха в установках с низким давлением.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
Вконтакте
Одноклассники
Вода и жидкие тела
При нагревании наблюдается значительное расширение жидких тел, в отличие от твердых тел. Ацетон обладает довольно большим температурным расширением. А для воды и ртути характерно наименьшее температурное расширение.
Всем известно о том, что каждое охлажденное тело будет сжиматься. Вода считается исключением (аномалия воды). Охлаждение воды до +4°С приводит к уменьшению объема, однако, продолжив дальнейшее охлаждение от +4°С до О°С объем снова увеличится.
Поэтому вода при температуре +4°С будет обладать наибольшей плотностью. Это объясняет то, почему лед плавает в воде, а замерзшая водопроводная труба лопается.
Газообразные тела
Нагрев воздуха в каком-либо объеме, приведет к его расширению.
Плотность нагретого воздуха по отношению к ненагретому — уменьшается, поэтому горячий воздух поднимается кверху.
Газ при нагревании будет расширяться значительно больше, чем жидкость. Газ, который помещен в замкнутый сосуд, не будет расширяться при нагревании. Увеличенное давление газа может вызвать разрыв сосуда.
Больше интересных статей:
Тема: Неживая природа
Урок: Свойства воды в жидком состоянии
В чистом виде вода не имеет вкуса, запаха и цвета, но она почти никогда не бывает такой, потому что активно растворяет в себе большинство веществ и соединяется с их частицами. Так же вода может проникать в различные тела (ученые нашли воду даже в камнях).
Хлор имеет слабый момент: он может реагировать на образование хлораминов и хлорированных углеводородов, которые являются опасными канцерогенами. Побочным продуктом этой реакции является хлорит. Токсикологические исследования показали, что побочный продукт дезинфекции диоксида хлора, хлорита, не представляет значительного риска для здоровья человека. Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас есть другие вопросы.
Наши дети видят мир по-другому. Ничто не может избежать их внимания, и их любопытство не имеет границ. Они постоянно задают вопросы и хотят ответить на этот вопрос. Но проблемы с детьми часто мешают нам. Мы будем делиться с вами наиболее часто задаваемыми вопросами и их ответами, чтобы подготовиться в следующий раз.
Если в стакан набрать воды из-под крана, она будет казаться чистой. Но на самом деле, это - раствор многих веществ, среди которых есть газы (кислород, аргон, азот, углекислый газ), различные примеси, содержащиеся в воздухе, растворенные соли из почвы, железо из водопроводных труб, мельчайшие нерастворенные частицы пыли и др.
Когда вода нагревается, ее молекулы начинают двигаться. По мере увеличения этого движения расстояние между молекулами становится больше. Наконец, наступает время, когда отношения между молекулами становятся слишком слабыми. Молекулы рассеяны и становятся водяными парами. Этот процесс называется «испарение».
Что держит самолеты в воздухе? Что держит огромный воздух в воздухе? Сила работы здесь называется «подъем». Подъем происходит, когда воздух проходит выше и ниже крыла плоскости в одно и то же время. Поскольку воздух движется быстрее, чем кончик крыла, он оказывает меньшее давление. В то же время плотный воздух под крыльями подталкивает самолет вверх. Чем выше скорость движения самолета, тем выше подъем.
Если нанести пипеткой капельки водопроводной воды на чистое стекло и дать ей испариться, останутся едва заметные пятнышки.
В воде рек и ручьев, большинства озер содержатся различные примеси, например, растворенные соли. Но их немного, потому что эта вода - пресная.
Если рассматривать отдельно, каждая снежинка бесцветна и прозрачна. Ответ заключается в том, что, когда снежинки образуют большую массу, они отражают солнечный свет. Отраженный свет белый, потому что солнце также белое. Почему человеческие волосы не могут быть натуральными?
Человеческие волосы содержат пигменты, которые делают его черным, коричневым, светлым или красным. Наши волосы также содержат небольшие пузырьки воздуха. Комбинации пигментов и количество пузырьков воздуха в волосах определяют цвет. Пигменты, которые встречаются в наших волосах, не могут привести к синему или зеленому при сочетании.
Вода течет на земле и под землей, наполняет ручьи, озера, реки, моря и океаны, создает подземные дворцы.
Прокладывая себе путь сквозь легкорастворимые вещества, вода проникает глубоко под землю, унося их с собой, и через щелочки и трещинки в скальных породах, образуя подземные пещеры, капает с их свода, создавая причудливые скульптуры. Миллиарды капелек воды за сотни лет испаряются, а растворенные в воде вещества (соли, известняки) оседают на сводах пещеры, образуя каменные сосульки, которые называют сталактитами.
Почему космонавты путешествуют в космосе? Вопреки тому, что многие думают, астронавты на борту Международной космической станции не свободны от гравитации. Серьезность Земли влияет на все объекты на орбите. Но большая высота, на которой расположена станция, делает это падением навсегда. Как будто орбитальный объект все еще не касается поверхности нашей планеты и вместо этого летает над Землей. Представьте себе кабину лифта, падающую с верхнего этажа небоскреба. Человек внутри этой кабины будет испытывать временную невесомость.
Космонавты на орбите испытывают то же самое, но постоянно. Поскольку солнечные лучи попадают в атмосферу планеты, они разбросаны и разбиты. Первоначально белый солнечный свет делится на 7 цветов радуги. Поскольку синий рассеивается больше, чем другие цвета, он доминирует. Но небо никогда не бывает совершенно голубым из-за присутствия других цветов в спектре.
Сходные образования на полу пещеры называются сталагмитами.
А когда сталактит и сталагмит срастается, образуя каменную колонну, это называют сталагнатом.
Туман состоит из тысяч крошечных капель воды или кристаллов льда, висящих в воздухе чуть выше земли. Он образуется, когда воздух холодный, а земля теплая или наоборот. В обоих случаях появляется густое облачное облако водяного пара или ледяные частицы и распространяется по поверхности.
Вода образуется в результате химической реакции , в которой водород окисляется кислородом и выделяется тепло. Поскольку он уже отступил, вода не может гореть в естественных условиях. Почему часы вращаются по часовой стрелке? Перед созданием механических часов люди используют солнцезащитные часы, чтобы понять, сколько времени это происходит. Солнечные часы появляются впервые в Северном полушарии, где движение солнца заставляет тени двигаться слева направо. Позже в истории механических часов они наследуют это движение от солнца.
Наблюдая ледоход на реке, мы видим воду в твердом (лед и снег), жидком (текущая под ним) и газообразном состоянии (мельчайшие частицы воды, поднимающиеся в воздух, которые ещё называют водяным паром).
Круглая форма идеально подходит для прокатки на ровных поверхностях. Поскольку все точки на колесе равноудалены от их оси, ось остается на той же высоте над землей, и транспортное средство не перемещается вверх и вниз по мере продвижения по дороге. Помимо гарантии того, что наше нижнее белье обеспечивает, оно также защищает наши интимные части от инфекций и травм. Гигиена - главная причина того, что мы носите нижнее белье. Раньше одежда была очень дорогой, и люди часто не могли их менять.
Эта попытка занимает немного больше времени, поэтому планируйте ее на две встречи и постепенно «вырастите» декоративные, съедобные и несъедобные кристаллы. Вы можете создать кристальный дисплей, кристаллы, чтобы назвать себя, создавать кристальные изображения, с нетерпением ждать ваших идей и фотографий.
Вода может одновременно находится во всех трех состояниях: в воздухе всегда есть водяной пар и облака, которые состоят из капелек воды и кристалликов льда.
Водяной пар невидим, но его можно легко обнаружить, если оставить в теплой комнате охлаждавшийся в холодильнике в течение часа стакан с водой, на стенках которого сразу появятся капельки воды. При соприкосновении с холодными стенками стакана, водяной пар, содержащийся в воздухе, преобразуется в капельки воды и оседает на поверхности стакана.
Съедобные и несъедобные кристаллы Вы можете открыть и загрузить весь текст или. Тема: Кристаллизация, насыщенные решения. Твердые вещества делятся на аморфные и кристаллические вещества. Расположение частиц аморфных веществ является случайным, и их структура напоминает структуру жидкостей. Частицы кристаллических веществ расположены в кристаллической решетке. Основой этой сетки является элементарная ячейка, которая постоянно повторяется.
Кристаллизация или кристаллизация - явление, в котором твердые регулярные кристаллы образуются жидкостью из-за окружающей среды. Кристаллы могут образовываться из растворов, расплавов или паров, где изменение давления, температуры или концентрации вещества может привести к кристаллизации. Для плавности процесса требуется хотя бы одно из следующих условий: Снижение температуры исходной жидкости. Увеличение концентрации кристаллизатора из-за испарения растворителя. Подкисление исходного материала кристаллизатором.
Рис. 11. Конденсат на стенках холодного стакана ()
По этой же причине в холодное время года запотевает внутренняя сторона оконного стекла. Холодный воздух не может содержать столько же водяного пара, сколько и теплый, поэтому какое-то его количество конденсируется - превращается в капельки воды.
Кристаллизация из раствора происходит при растворении кристаллизационного вещества до насыщения раствора при данной температуре. После нагревания раствор снова становится ненасыщенным, но при охлаждении или выпаривании растворителя раствор становится чрезмерно насыщенным и происходит кристаллизация. Естественная кристаллизация происходит после образования ядер ядра зародышеобразования. Кристаллизация также может быть искусственно вызвана так называемой инокуляцией - путем введения инородного тела в раствор, причем этот метод используется, например, при производстве сахара.
Белый след за летящим в небе самолетом - тоже результат конденсации воды.
Если поднести к губам зеркальце и выдохнуть, на его поверхности останутся мельчайшие капельки воды, это доказывает то, что при дыхании человек вдыхает с воздухом водяной пар.
Название происходит от арабского бурака - белого. Дальнейшее использование в химической и пищевой промышленности, стекла, бумаги, сельского хозяйства в качестве удобрения и для кузнечной сварки. Для этих целей он также готовят искусственно. Инструменты: бура, чайник, вода, прозрачное стекло, вертеть или солома, нить или проволока, очиститель труб, пищевой краситель, ложка.
Конструкция: Мы формируем любую форму из очистителя труб. Мы прикрепляем эту форму к нити или проволоке. Мы вешаем палку на ложку или солому. В чайнике мы поливаем воду и выливаем ее в стакан. В воде перемешать буру до получения насыщенного раствора. Если остаточная бура остается в контейнере, восстановите раствор в чистое стекло. Используя шашлык, повесьте наше тело из волосатой проволоки в стекло, чтобы оно полностью погрузилось в раствор насыщенной буры, который мы создали, и что он не прикасается к стенам и нижней части стекла в любой момент времени.
При нагревании вода «расширяется». Это может доказать простой опыт: в колбу с водой опустили стеклянную трубку и замерили уровень воды в ней; затем колбу опустили в сосуд с теплой водой и после нагревания воды повторно замерили уровень в трубке, который заметно поднялся, поскольку вода при нагревании увеличивается в объеме.
Вся система остается на ночь в растворе, так что бура может кристаллизоваться. Объяснение: пушистый провод - это место, где ядра кристаллизации очень хорошо сформированы, к которым кристаллы буры постепенно упаковываются, а кристалл растет. Кристаллизация ускоряется с использованием горячей воды для образования насыщенного раствора и охлаждения и выпаривания, чтобы сделать избыток раствора.
Время: подготовка эксперимента и подготовка всех вспомогательных средств 5 минут. Испытание эксперимента5 мин. Рост кристаллов24 часа. Обозначение кристаллов. Оценка 10 минут. Тест 5 минут. Через 25 минут и 24 часа. Возможно дальнейшее обсуждение эксперимента и его модификация.
Рис. 14. Колба с трубкой, цифрой 1 и чертой обозначен первоначальный уровень воды
Рис. 15. Колба с трубкой, цифрой 2 и чертой обозначен уровень воды при нагревании
Он выражает, как изменяется внутренняя энергия, т.е. сумма энергии движения и положения частиц тела, когда это тело охлаждается или увеличивает его температуру. Тепло равно энергии, которую теплый корпус обеспечивает во время теплообмена. Теплоотдача Протекает через излучение.
Во всех состояниях молекулы находятся в постоянном неупорядоченном движении. Каждая частица имеет свое собственное место, вибрирующее вокруг него. Когда частицы нагреваются, они быстрее вибрируют. Когда температура увеличивается достаточно, частицы будут вырываться из их фиксированного положения и начать свободно перемещаться. На этом этапе твердое вещество начнет превращаться в жидкость. Мы называем это происходящим плавлением, и мы говорим, что ткань тает.
При охлаждении вода «сжимается». Это может доказать сходный опыт: в этом случае колбу с трубкой опустили в сосуд со льдом, после охлаждения уровень воды в трубке понизился относительно первоначальной отметки, потому что вода уменьшилась в объеме.
Затвердевание Когда жидкость охлаждается, она начинает затвердевать при определенной температуре и изменяется на ткань. Частицы, которые движутся свободно, двигаются медленнее по мере того, как температура уменьшается, пока они не сойдутся и не осядут в определенном положении, вокруг которого они затем вибрируют. Жидкость становится твердой. Мы называем это затвердеванием, и мы говорим, что вещество затвердеет.
Кипячение происходит, когда жидкость нагревается до точки кипения. Точка кипения отличается для разных жидкостей. Температура кипения также зависит от давления над жидкостью. Это также влияет на кипение в сосудах значительной высоты. Жидкость переходит в газ только с поверхности. Испаряющая жидкость удаляет тепло из окружающей среды. Испарение происходит при любой температуре жидкости.
Рис. 16. Колба с трубкой, цифрой 3 и чертой обозначен уровень воды при охлаждении
Так происходит, потому что частицы воды, молекулы, при нагревании движутся быстрее, сталкиваются между собой, отталкиваются от стенок сосуда, расстояние между молекулами увеличивается, и поэтому жидкость занимает больший объем. При охлаждении воды движение её частиц замедляется, расстояние между молекулами уменьшается, и жидкости требуется меньший объем.
Государственные вопросы Планы уроков, студенческие мероприятия и графические организаторы
Тем выше температура, тем быстрее испарение, размеры поверхности до поверхности, более быстрое испарение, свойства жидкости, поток газа над жидкостью, давление газового пара над жидкостью. Материя может быть описана как нечто, что занимает пространство в нашей вселенной. Тип частиц и способ расположения частиц определяют, как будет выглядеть этот вопрос и что он может сделать. Хорошее понимание состояния материи является ключом к описанию вселенной вокруг нас.
Свойства различных состояний вещества
Тип индивидуального или группового назначения.Рис. 17. Молекулы воды обычной температуры
Рис. 18. Молекулы воды при нагревании
Рис. 19. Молекулы воды при охлаждении
Такими свойствами обладает не только вода, но и другие жидкости (спирт, ртуть, бензин, керосин).
Знание этого свойства жидкостей привело к изобретению термометра (градусника), где используется спирт или ртуть.
При замерзании вода расширяется. Это можно доказать, если емкость, наполненную до краев водой, неплотно накрыть крышкой и поставить в морозильную камеру, через время мы увидим, что образовавшийся лед приподнимет крышку, выйдя за пределы емкости.
Это свойство учитывается при прокладывании водопроводных труб, которые обязательно утепляются, чтобы при замерзании образовавшийся из воды лед не разорвал трубы.
В природе замерзающая вода может разрушать горы: если осенью в трещинах скал скапливается вода, зимой она замерзает, и под напором льда, который занимает больший объем, чем вода, из которой он образовался, горные породы трескаются и разрушаются.
Вода, замерзающая в трещинах дорог, приводит к разрушению асфальтового покрытия.
Длинные гребни, напоминающие складки, на стволах деревьев - раны от разрывов древесины под напором замерзающего в ней древесного сока. Поэтому в холодные зимы можно услышать треск деревьев в парке или в лесу.
- Вахрушев А.А., Данилов Д.Д. Окружающий мир 3. М.: Баллас.
- Дмитриева Н.Я., Казаков А.Н. Окружающий мир 3. М.: ИД «Федоров».
- Плешаков А.А.Окружающий мир 3. М.: Просвещение.
- Фестиваль педагогических идей ().
- Наука и образование ().
- Открытый класс ().
- Составьте короткий тест (4 вопроса с тремя вариантами ответа) на тему «Вода вокруг нас».
- Проведите небольшой опыт: стакан с очень холодной водой поставьте на стол в теплой комнате. Опишите, что будет происходить, объясните, почему.
- *Нарисуйте движение молекул воды в нагретом, нормальном и охлажденном состоянии. Если нужно, сделайте подписи на своем рисунке.
Вода - наиболее распространенное вещество на планете, обладающее особенностью, отличающей ее от других жидкостей: при нагреве от точки плавления вплоть до 40 °C ее сжимаемость увеличивается, а а затем уменьшается.
Уникальные свойства воды
На Земле нет вещества более важного для человека, чем вода. Океаны и моря занимают ¾ поверхности планеты, еще 20% поверхности суши покрыто снегами и льдом - твердой водой. Если бы не вода, непосредственно влияющая на климат, Земля превратилась бы в безжизненный камень, летящий сквозь космос.
За сутки человечество расходует минимум 1 млрд тонн воды, при этом общее количество ресурса на планете остается прежним. Миллионы лет тому назад на поверхности Земли было столько же воды, как сейчас.
Живые организмы, населяющие планету, научились приспосабливаться к неблагоприятным условиям. Но ни одно существо не может существовать без воды - это вещество содержится во всех животных и растениях. Тело человека состоит из воды на ¾.
Содержание воды в теле человекаОсновные свойства воды:
Не имеет цвета;
Прозрачна;
Не имеет запаха и вкуса;
Способна пребывать в трех агрегатных состояниях;
Способна переходить из одного в другое агрегатное состояние;
Опыт, демонстрирующий свойства воды при нагревании и охлаждении
Для проведения эксперимента в домашних условиях потребуется две ёмкости и две лабораторные колбы с газоотводной трубкой, а также вещества: лед, горячая вода и вода комнатной температуры.
В две одинаковые колбы наливаем воду комнатной температуры, отмечаем уровень воды меткой и опускаем в две емкости - с горячей водой и со льдом. Какой результат эксперимента? Вода в колбе, опущенная в горячую воду , поднимается выше метки. Вода в колбе, помещенная в лед, опускается ниже метки.
Вывод: в результате нагревания вода расширяется, а при охлаждении она сжимается.
Опыт, демонстрирующий свойства воды при хранении в разных условиях
Эксперимент проводится в домашних условиях вечером. Наполняем три одинаковые емкости (подойдут стаканы) водой по 100 мл. Один стакан ставим на подоконник, второй - на стол, третий - возле батареи.
Утром сравниваем результаты: в стакане, оставленном на подоконнике, вода испарилась на 1/3, в стакане на столе вода испарилась наполовину, стакан возле батареи оказался пустым и сухим: вода из него испарилась. Вывод: испарение воды зависит от температуры окружающей среды, и чем она выше, тем быстрее вода испаряется.
Превращение водяного пара в воду
Для проведения эксперимента подготавливаем специальное оборудование:
Спиртовку;
Металлическую пластину;
Колбу с газоотводной трубкой.
В колбу наливаем воду и нагреваем на спиртовке до закипания. Возле газоотводной трубки держим холодную металлическую пластину - на ней оседает пар в виде капелек воды. Превращение газообразной воды в жидкость называется конденсацией. Вывод: при сильном нагревании вода превращается в пар и возвращается в жидкое состояние при соприкосновении с холодной поверхностью.
Конденсат на стеклянной поверхности
Нагревание воды до состояния кипения
Вода, достигающая точки кипения, обладает характерными признаками: жидкость бурлит, внутри появляются пузырьки, поднимается густой пар. Это происходит, потому что молекулы воды при нагревании получают от источника тепла дополнительную энергию и быстрее двигаются. При длительном нагревании жидкость достигает точки кипения: на стенках посуды появляются пузырьки.
Heated water
Если кипение не остановить, процесс продолжается до тех пор, пока вся вода не превращается в газ. При увеличении температуры давление усиливается, молекулы воды двигаются быстрее и преодолевают межмолекулярные силы, которые их связывают. Атмосферное давление противостоит давлению пара. Вода закипает, когда давление пара превышает внешнее давление или достигает его значения.
Чем выше становится температура, тем активнее двигаются молекулы вещества (чем бы оно ни являлось - газом, жидкостью или твердым телом). Все молекулы находятся в постоянном движении, если только температура не опускается до минус 273°С. Эта температура, которая называется абсолютным нулем, достигается, когда всякое движение молекул полностью прекращается.Если зимним вечером в трескучий мороз вынести на улицу чашку с кипящей водой, чашку с раскаленным до такой же температуры песком и большую бочку с теплой водой, через некоторое можно будет увидеть, что первым до 0°С остынет песок, потом замерзнет вода в чашке, а на бочке лед появится в последнюю очередь. На скорость остывания, кроме температуры, влияет и размер предмета.
Если нагревать емкость со льдом, температура не будет подниматься выше нуля, пока весь лед не растает. Лед тает при температуре 0°С, при этой же температуре вода начинает замерзать.
Иногда, выйдя из дому, думаешь, что на улице тепло, но, пройдя некоторое время, понимаешь, что на самом деле довольно холодно. Если жарким летним днем спуститься в подвал, то покажется, что там очень холодно, хотя температура там плюс 2СГС. Человеческие ощущения не самый лучший метод для измерения температуры.
Возьмем на кухне три кружки и нальем в одну горячую, но не обжигающую воду, в другую - теплую, а в третью - холодную. Теперь палец левой руки опустим в горячую воду, а правой - в холодную. Стоит подождать, пока пальцы привыкнут к температуре воды, в которую они опущены. Теперь одновременно вынем пальцы из чашек и засунем их в чашку с теплой водой. Оказывается пальцу, который был в горячей воде, стало холодно, а палец из холодной воды, наоборот, в теплой воде согрелся.
Температура теплой воды может быть точно измерена при помощи термометра, а наши ощущения сильно зависят от условий, в которых мы находились до опыта.
Большая часть термометров работают на основе простого свойства вещества расширяться при нагревании и сжиматься при охлажде-
Опыт с водой разной температуры
нии. В самом первом термометре в качестве расширяющегося и сжимающегося вещества был взят обычный воздух. Изобрел этот термометр Галилей. Этот прибор представлял собой перевернутую колбу с воздухом, опущенную горлышком в сосуд с водой. Прибор был не точен, так как показания термометра зависели от изменчивой погоды, а именно, атмосферного давления. Но и это был важный шаг вперед. Термометр Галилея позволил измерить температуру у больного лихорадкой. Так, впервые, был «поставлен градусник».
В следующих моделях термометров вместо воздуха стали использовать подкрашенную жидкость. Но и эти приборы работали плохо, потому что жидкость испарялась. По настоящему термометры вошли в жизнь человека, когда кто-то из учеников Галилея догадался запаять трубку с жидкостью.
Термометр Галилея. Рисунок из рукописи
Существуют разные термометры для разных целей. Большая часть термометров, которые можно встретить в доме человека, содержат спирт или ртуть. Спирт замерзает при минус 112°С, а кипит - при плюс 72°С. Это делает спирт удобным для уличных термомет
ров. Ртуть замерзает при минус 39°С, поэтому ртутные термометры нельзя использовать в районах с очень низкими температурами, но зато кипит при 357°, поэтому очень удобна для измерения высоких температур. Так устроены химические и технические термометры для измерения высоких температур.
В медицинских термометрах тоже используется ртуть, что делает их более точными. Для того чтобы ртуть в термометре не опускалась, пока врач подносит термометр к глазам, отверстие в нижней части термометра, около шарика, очень маленькое. Поэтому, чтобы заставить ртуть пройти сквозь него перед тем, как мерить температуру тела, нужно термометр встряхнуть.
Одни из самых точных термометров - газовые. Они позволяют измерять температуру от абсолютного нуля до полутора тысяч градусов.
Одно из самых распространенных веществ на Земле: вода. Она, как и воздух, необходима нам, но мы ее порой совсем не замечаем. Она просто есть. Но, оказывается
Одно из самых распространенных веществ на Земле: вода. Она, как и воздух, необходима нам, но мы ее порой совсем не замечаем. Она просто есть. Но, оказывается, обыкновенная вода может менять свой объем и весить то больше, то меньше. При испарении воды, ее нагревании и охлаждении происходят поистине удивительные вещи, о которых мы и узнаем сегодня.
Мюриэль Мэнделл в своей занимательной книге «Phycisc Experiments for Children» излагает интереснейшие мысли о свойствах воды, на основе которых не только юные физики могут узнать немало нового, но и взрослые освежат свои знания, которые давненько не приходилось применять, поэтому они оказались слегка забытыми.
Сегодня речь пойдет об объеме и весе воды. Оказывается, один и тот же объем воды не всегда весит одинаково. И если налить воду в стакан и она не прольется через край - это еще не значит, что она поместится в нем при любых обстоятельствах.
1. При нагревании вода увеличивается в объеме
Поставьте наполненную водой банку в кастрюлю, наполненную сантиметров на пять кипящей водой, и на слабом огне поддерживайте кипение. Вода из банки начнет переливаться через край. Это происходит потому, что при нагревании вода, подобно другим жидкостям, начинает занимать больше пространства. Молекулы отталкиваются друг от друга с большей интенсивностью и это ведет к увеличению объема воды.2. При охлаждении вода сжимается
Дайте воде в банке остыть при комнатной температуре, или налейте новую воду, и поставьте ее в холодильник. Через некоторое время вы обнаружите, что полная прежде банка уже не полна. При охлаждении до температуры 3,89 градусов по Цельсию вода уменьшает свой объем по мере снижения температуры. Причиной тому стало снижение скорости движения молекул и их сближение друг с другом под воздействием охлаждения. Казалось бы, все очень просто: чем холоднее вода, тем меньший объем она занимает, но…
3. …объем воды вновь возрастает при замерзании
Наполните банку водой до краев и накройте куском картона. Поставьте ее в морозилку и дождитесь замерзания. Вы обнаружите, что картонную «крышку» вытолкнуло. На температурном интервале между 3,89 и 0 градусов по Цельсию, то есть на подходе к точке своего замерзания, вода вновь начинает расширяться. Она является одним из немногих известных веществ, обладающих подобным свойством. Если использовать плотную крышку, то лед просто разнесет банку. Приходилось ли вам слышать о том, что даже водопроводные трубы может разорвать льдом?4. Лед легче воды
Поместите пару кубиков льда в стакан с водой. Лед будет плавать на поверхности. Вода при замерзании увеличивается в объеме. И, вследствие этого, лед легче воды: его объем составляет около 91% соответствующего объема воды.Это свойство воды существует в природе не зря. У него есть вполне определенное предназначение. Говорят, что зимой реки замерзают. Но на самом деле это не совсем верно. Обычно замерзает лишь небольшой верхний слой. Это ледяной покров не тонет, поскольку он легче жидкой воды. Он замедляет замерзание воды на глубине реки и служит своеобразным одеялом, оберегая рыб и другую речную да озерную живность от лютых зимних морозов. Изучая физику, начинаешь понимать, что очень многое в природе устроено целесообразно.