Гомельскаянаучно-практическая конференция
учащихся
поестественно-научным направлениям
«Поиск»
ГУО«Копаткевичская средняя общеобразовательная школа»
Исследовательскаяработа
«Нагреваниеводы и … экономический кризис»
Учащихся 8 «А» класса ГУО «Копаткевичская
средняя общеобразовательная школа»
Бакун Оксаны Валерьевны, Евдокимовой
Вероники Николаевны, Юркивой Алины
Владимировны
Научный руководитель –
учитель физики ГУО «Копаткевичская
средняя общеобразовательная школа»
Антонова Светлана Ивановна
Копаткевичи,2010
Оглавление
Введение
Глава 1. Вода – основа жизни на Земле
1.1 Физическиеи химические свойства воды
1.2 Распространенностьводы на Земле
1.3 Водаи живые организмы
Глава 2. Экспериментальное исследованиезависимости времени закипания воды от её качества
2.1 Материалы и оборудование дляпроведения исследования
2.2 Методика исследования
2.3 Результаты исследования
Глава 3. Определение наиболееэкономичного способа нагревания воды
Заключение
Список используемых источников илитературы
Введение
Вода – источник жизнина Земле. Она необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточныхживых существ на планете. Человек состоит из воды на 70-80%. В ней протекаютвсе химические процессы в организме. Она принимает участие в усвоении клеткамипитательных веществ и в их транспортировке по всему организму, регулируеттемпературу тела, позволяет выводить из организма шлаки и другой «мусор». Вдень человеку нужно от 1,5 до 5 л воды. Чувство жажды приходит, когда мы теряемвсего 1% жидкости, при обезвоживании на 10% человек теряет сознание, смертьнаступает при потере организмом 12%-15% воды. Без воды человек может прожитьмаксимум 5 дней. Но для нормального функционирования организма нужна вода, несодержащая вредных примесей и механических добавок, т.е. хорошего качества.
Целью данной работыявляется исследование зависимости времени закипания воды от её качества и определениеэкономически выгодного способа нагревания воды.
/>В ходе выполнения данного исследование необходиморешить задачи:
/>· выявитьзависимость времени закипания воды от её качества при нагревании а)электрочайником, б) на газовой горелке;
/>· датьоценку зависимости времени закипания воды от её качества;
/>· определитьэкономически выгодный способ нагревания воды.
/>Теория по данной теме основывается на изученииматериалов книг В.И. Арабаджи «Загадки простой воды», Горского В.В. «Вода –чудо природы», интернетисточников.
/>Здоровье каждого человека – в его руках. Анализируярезультаты данной работы, ученики пришли к выводу, что можно, не неся большихматериальных затрат, снабжать свой организм качественной водой, тем самымсохранять хорошее здоровье, а также экономить денежныесредства из бюджета семьи. Результаты работы также заинтересуют тех гражданстраны, которые стремятся к экономии семейного бюджета.
Глава1. Вода – основа жизни на Земле
Вода́—прозрачная бесцветная жидкость, не имеющая запаха и вкуса. Химическая формула:
Н2O. Втвёрдом состоянии называется льдом или снегом, а в газообразном — водяным паром.Около 71 % поверхности земного шара покрыто водой[1].
1.1 Физические и химическиесвойства воды
Изучение физическихсвойств воды началось в 17 веке, задолго до того, как был определен еёхимический состав.
Известно, что приатмосферном давлении вода кипит при 100єС, а лед плавится при 0єС. Но похимической структуре вода должна бы кипеть, а лед плавиться не при этихтемпературах, а при очень низких, которых на Земле не бывает. И тогда водасуществовала бы в одном агрегатном состоянии – в виде пара. Но ведь жизнь всехживых организмов связана с водой в жидком состоянии.
Высокая удельнаятеплоемкость воды предопределяет большое ее влияние на климат. Основнымтерморегулятором климата являются воды океанов и морей: накапливая тепло летом,они отдают его зимой. Отсутствие водоемов на местности обычно приводит кобразованию резко континентального климата. Благодаря влиянию океанов назначительной части земного шара обеспечивается перевес осадков на суше надиспарением, и организмы растений и животных получают нужное им для жизниколичество воды. Водная и воздушная оболочки земного шара постояннообмениваются углекислотой с горными породами, растительным и животным миром,что также способствует стабилизации климата.
Высокая удельнаятеплоемкость воды имеет большое биологическое значение. Вода нагреваетсявпятеро медленнее песка. А чтобы нагреть на 1єС литр воды, тепла потребуется в3300 раз больше, чем для нагрева литра воздуха. Зато, когда вода остывает, онаотдает столько же тепла, сколько взяла нагреваясь. Из-за этой исключительнойспособности воды обитателям водоемов никогда не угрожает ни сильный перегрев,ни чрезмерное охлаждение.
С ростом температурывещества его удельная теплоемкость, как правило, возрастает, но не у воды. Так,с повышением температуры от 0° до 37°С удельная теплоемкость воды падает, а винтервале от 37° до 100°С – растет. Поэтому она одинакова, например, притемпературах 25° и 45°С, 10° и 74°С. При температуре 37°С реакции обменавеществ происходят наиболее интенсивно, т.е. создается наивыгоднейшееэнергетическое состояние для человеческого организма.
Известно, что приохлаждении вода сжимается, но достигнув 4єС, она начинает уже расширяться, хотятемпература и далее понижается. Поэтому вода самая плотная и тяжелая именно при+ 4єС. Эта особенность воды имеет биологическое значение: зимой, охладившись до4єС, вода опускается на дно и здесь сохраняется в течение всей зимы (в пресныхводоемах), позволяя жить рыбам. Охладившиеся сильнее слои воды всплывают, т.к.их плотность и вес меньше, и превращаются в лед, таким образом предохраняяводоем и его обитателей от глубокого промерзания.
В прямой зависимости отдавления находится температура плавления и кипения воды. При давлении в 611,73Па (около 0,006 атм.) температура кипения и плавления совпадает и становитсяравной 0,01 °C. Такое давление и температура называются тройной точкой воды(рис.1.1.1).
/>
Рис.1.1.1 Фазоваядиаграмма воды[2]
При более низкомдавлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращаетсянепосредственно в пар.
Удельная теплотапарообразования воды почти в 7 раз выше ее удельной теплоты плавления. Этисвойства воды во многом определяют климат нашей планеты. Для испарения воды споверхности океана даже в тропиках необходимо значительно больше солнечнойэнергии, чем для таяния льда.
Поэтому круговорот водыв природе является одним из основных факторов, влияющих на климат на Земле с ееогромным Мировым океаном и ледниками, и он весьма специфичен (рис.1.1.2).
/>
Рис. 1.1.2 Круговоротводы[3]
Известно, что молекулы,находящиеся на поверхности жидкости, имеют избыток потенциальной энергии ипоэтому стремятся втянуться внутрь так, что при этом на поверхности остаетсяминимальное количество молекул. За счет этого вдоль поверхности жидкости всегдадействует сила, стремящаяся сократить поверхность, поэтому капля стремитьсяприобрести шарообразную форму (рис.1.1.3). Это явление в физике получило названиеповерхностного натяжения жидкости. Среди существующих в природе жидкостейповерхностное натяжение воды уступает только ртути. Все мы видели, как поповерхности воды, словно по паркету, бегают насекомые – водомерки – ведь этаповерхность всегда затянута тончайшей пленкой из молекул (рис. 1.1.4).
/>/>
Рис. 1.1.3Капли росы Рис. 1.1.4 Водомерка на воде
За этупленочку цепляются, повиснув вниз головой, личинки комаров и даже ползаютулитки с массивными раковинами. Чтобы разорвать эту пленку, нужна немалая сила.Силы поверхностного натяжения тянут вверх воду из глубины почвы, питая растениясолями и влагой. Увлекаемая ими, течет она по корням и стеблям самих растений инаполняет кровью наши капилляры.
Чистая (несодержащая примесей) вода — хороший изолятор. При нормальных условиях водаслабо диссоциирована, т.е. в ней мало заряженных частиц. Но поскольку вода —хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, тоесть в воде присутствуют положительные и отрицательные ионы. Благодаря этомувода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить еёчистоту. Электропроводность сухого льда и снега весьма мала. Она во много разменьше электропроводности воды. Различные примеси оказывают значительноевлияние на электропроводность воды и почти не изменяют электропроводности льда.Электропроводность химически чистой воды обусловлена частичной диссоциациеймолекулы воды на ионы H+ и OH–.Электропроводность преснойприродной воды может быть 1 000 раз меньше, чем морской. Это объясняется тем,что в воде морей и океанов растворено большее количество солей, чем в речнойводе.
1.2 Распространенностьводы на Земле
Вода являетсясамым распространенным веществом на Земле – планете, которую точнее следовалобы назвать Водяной Планетой или Океаном. Ведь водная поверхность составляет 2/3земного шара или 71% поверхности Земли (рис.1.2.1), и если бы вся эта водаравномерно распределилась по земному шару, толщина слоя поверхности – вода Впервичной водной оболочке земного шара воды было гораздо меньше, чем теперь (неболее 10% от общего количества воды в водоемах и реках в настоящее время).Дополнительное количество воды появилось впоследствии в результате освобожденияводы, входящей в состав земных недр. По расчетам специалистов, в составе мантииЗемли воды содержится в 10-12 раз больше, чем в Мировом океане, которыйсодержит 97,6% известных нам мировых запасов свободной воды[1]. Ноне надо забывать, что эта вода соленая, т. е. не пригодна для питья. Вкусморской воды зависит от концентрации растворенных в ней солей, но известно также, что в разных морях и океанах соленость воды неодинакова. Средняя соленостьвод океана составляет 35%; соленость морской воды может изменяться от нулявблизи мест впадения крупных рек до 40% в тропических морях. Вода для питьядолжна содержать менее 0,05% растворенных солей. Растения погибают при наличии вполивной воде в виде примеси более 0,25% солей. Реки и озера содержат 0,3%мировых запасов свободной воды.
Большимихранилищами влаги на Земле являются ледники, в них сосредоточено до 2,1%мировых запасов воды. Если бы все ледники растаяли, то уровень воды на Землеподнялся бы на 64 м и около 1/8 поверхности суши было бы затоплено водой. Вэпоху оледенения Европы, Канады и Сибири толщина ледяного покрова в горных местностяхдостигала 2 км. В настоящее
Ледники вгорах время вследствие потепления климата Земли постепенно отступают границыледников. Это обусловливает медленное повышение уровня воды в океанах. Сизменением массы льда на планете связаны изменения климаты на Земле. Гигантскоеколичество тепла, освобождающееся при замерзании воды, задерживает наступлениезимних холодов. Тепло, поглощаемое при таянии льдов, замедляет приход весны.
В атмосфере нашейпланеты вода находится в виде капель малого размера, в облаках и тумане, атакже в виде пара (рис.1.2.3). При конденсации выводится из атмосферы в видеатмосферных осадков (дождь, снег, град, роса). Около 86% водяного парапоступает в атмосферу за счет испарения с поверхности морей и океанов и только14% за счет испарения с поверхности суши. В итоге в атмосфере концентрируется 0,0005% общего запаса свободной воды.Количество водяного парав составе приземного воздуха изменчиво.
б)
а) /> />
Рис.1.2.3 Водяной пар: а) в виде тумана, б) в облаках
При особоблагоприятных условиях испарения с подстилающей поверхности оно может достигать2%. Существенную роль в жизни растений играют оптические свойства водяногопара. Водяной пар сильно поглощает инфракрасные лучи с длиной волны от 5,5 до 7микрон, что важно для предохранения почвы от заморозков. Еще более действеннымсредством от заморозков является выпадение росы и образование тумана:конденсация влаги сопровождается выделением большого количества тепла,задерживающего дальнейшее охлаждение почвы.
1.3 Вода иживые организмы
Вода играет оченьбольшую роль в жизни всего живого на Земле, ведь именно море явилось первойареной жизни на Земле. Растворенные в морской воде аммиак и углеводы в контактес некоторыми минералами при достаточно высоком давлении и воздействии мощныхэлектрических разрядов могли обеспечить образование белковых веществ, на основекоторых в дальнейшем возникли простейшие организмы. По мнению К.Э. Циолковского,водная среда способствовала предохранению хрупких и несовершенных вначалеорганизмов от механического повреждения. Суша и атмосфера стали впоследствиивторой ареной жизни.
Можно сказать, что всеживое состоит из воды и органических веществ. Без воды человек, например, могбы прожить не более 2-3 дней, без питательных же веществ он может жить нескольконедель. Для обеспечения нормального существования человек должен вводить ворганизм воды примерно в 2 раза больше по весу, чем питательных веществ.
Так как вода служитпрекрасным растворителем, то она является средой, в которой протекают всехимические превращения, связанные с жизнедеятельностью организмов. Выпитая илипоступившая с пищей вода всасывается в желудке и кишечнике, поступает в кровь иее током распределяется по тканям организма. Только в жидкой водной средесовершаются процессы пищеварения и усвоения пищи в желудочно-кишечном тракте,происходит синтез живого вещества в клетках.
Вода вымывает из клетокотработанные продукты обмена веществ, выносит их из организма, главным образомчерез почки (с мочой) или через кожу (с потом). Она выполняет также важнуюмеханическую роль, облегчая скольжение трущихся поверхностей: суставов, связок,мышц и.т.д.
Посчитано, что в живыхорганизмах суммарный запас воды в несколько раз больше, чем в реках. В среднемв растениях и животных содержание влаги может доходить до 80% массы. Например,у человека она составляет: 95% — в эмбриональных клетках, 80% — в молодости,60% — в пожилом возрасте; 85% — в мозге, 83% — в крови, 80% — в сердце, легких,почках,39% — в жировой ткани, в скелете 22% и даже в зубной эмали 0,2%. Припотере 6-8% воды человек впадает в полуобморочное состояние. Если потерисоставляют более15%, наступает смерть: сердце не может проталкивать черезкровеносные сосуды загустевшую кровь. Продолжая примеры, можно отметить, что врыбах воды 80%, в теле медузы её до 96%, в водорослях – 95-99%, в спорах исеменах от 7 до 15% и т.д.[4] Обмен биологической воды происходит втечение нескольких часов, т.е. 1000-2000 раз в год.
Но, несмотря на всестороннююизученность свойств воды, она по-прежнему остается одним из удивительных изагадочных веществ.
Глава 2. Экспериментальное исследованиезависимости времени закипания воды от её качества
2.1 Материалы иоборудование для проведения исследования
Материалом дляисследования является обычная водопроводная вода и вода бутилированная “Aura”.Вода водопроводная была взята в 3 разных порциях:
1) водопроводная водаиз крана, 2) водопроводная вода, отстоявшаяся в течение суток, 3) водопроводнаявода, пропущенная через угольный фильтр.
Каждая порция водыбралась в объеме 0,5 литра и при температуре 20°С.
Приборы, применяемые висследовании:1) электрический чайник мощностью 0,9 кВт; 2) эмалированный чайникдля плит, 3) газовая плита, работающая на сжиженном газе, 4) секундомер.
2.2 Методикаисследования
Предположим, что времязакипания воды зависит от качества, «чистоты» воды. Допустим, что по количествувредных примесей или механических добавок наши образцы воды имеют следующиеусловные показатели качества:
/>«плохое» — водопроводная вода,
«удовлетворительное» — отстоявшаяся вода,
«хорошее» — вода,пропущенная через фильтр,
«отличное» — вода бутилированная.
Если это так, то времязакипания воды будет уменьшаться от первого образца воды к последнему. Этазакономерность должна наблюдаться как при нагревании электрочайником, так и принагревании на газовой горелке.
Была проведена серияизмерений времени закипания приготовленных образцов воды в электрическомчайнике, затем определили время закипания таких же образцов воды на газовойгорелке (приложение).
2.3 Результатыисследования
Результаты всехпроизведенных измерений отображает таблица 3.1.
Таблица 3.1
Нагревание электрочай-
ником Время закипания воды, минуты вода из крана, 0,5л
отстоявшаяся
вода, 0,5л отфильтро-ванная, 0,5л
бутилирован-
ная, 0,5л 4,32 4,18 4,08 3,18 Нагревание на газовой горелке 4,9 4,72 4,53 3,9
По данным результатам былипостроены диаграммы зависимости времени закипания воды от её качества.
/>
Анализируя результатыэксперимента, установили:
1) вэлектрочайнике вода закипает быстрее, чем на газовой горелке;
2) дольшевсего нагревается вода из крана, быстрее всего – бутилированная вода;
3) этосоотношение (п.2) выполняется для нагревания как электрочайником, так и нагазовой горелке.
По результатам исследованияможно заключить, что сделанное нами предположение о зависимости времени закипанияводы от её качества, её «чистоты» является верным: быстрее всего закипаетбутилированная вода, как самая качественная из рассмотренных вариантов, дольшевсего закипает вода из крана, т.е. является самой некачественной.
Глава 3. Определениенаиболее экономичного способа нагревания воды
Мы живем в периодмирового экономического кризиса, и когда мировая экономика придёт в нормальноесостояние предугадать невозможно. В связи с этим материальные траты желательноуменьшить, а значит, не каждая семья может позволить себе тратить средства на приобретениебутилированной воды.
Поэтому вопрос о том, чемэкономически выгоднее кипятить воду – электрочайником или в чайнике,поставленном на газовую горелку, будем решать для отфильтрованной воды, так какэта вода имеет хорошее качество в нашем исследовании, и приобретение фильтрадля очистки воды экономически оправдано, так как это долгосрочное вложениеденежных средств.
Время, затраченное нанагревание 0,5 литра отфильтрованной воды в электрочайнике мощностью 0,9 кВтсоставило 4,08 минуты или 0,068 часа. На газовой горелке этот объем воды былдоведён до кипения за 4,53 минуты или 0,0755 часа.
Зная мощность электрочайникаи время его работы, можно определить расход электроэнергии в кВт*час. (формула1), а умножив эту энергию на тариф, получим стоимость затраченнойэлектроэнергии (формула 2).
А = Р*t*( 1 ) Стоимость = Р*t *тариф ( 2 )
Стоимость = 0,9кВт*0,068ч*173 руб., /(кВт*ч) = 10,59 руб.
На нагревание 0,5 литраотфильтрованной воды на газовой горелке было затрачено 0,02 м3 природного газа (по показаниям счетчика). Зная, что 1 м3природного газа стоит 462 рубля, и произведя несложные расчёты, мы получимстоимость закипания 0,5 литра воды на газовой горелке.
1 м3 — 462руб.
0,02 м3 — Хруб.
Х = (0,02 м3* 462руб.) / 1 м3 = 9,24руб. – стоимость нагревания 0,5 л воды на газовой горелке.
В условияхэкономического кризиса нагревать воду намного выгоднее на газовой горелке, таккак при нагревании каждых 0,5 л мы экономим 1,35 рубля.
Заключение
В результате изучения иисследования данной темы можно сделать вывод о том, что цели и задачи,поставленные в начале данной работы, были реализованы.
Целью данной работы являлосьисследование зависимости времени закипания воды от её качества, а такжеопределение экономически выгодного способа нагревания воды.
В ходе выполненияисследования было установлено, что дольше всего закипает вода из крана, т.е.она является водой самого плохого качества в нашем исследовании. Быстрее всегокак в электрочайнике, так и на газовой горелке закипает бутилированная вода,т.е. она является самой качественной водой.
Но в условиях мировогоэкономического кризиса, когда материальные затраты желательно уменьшить, некаждая семья позволит себе тратить средства на приобретение бутилированной воды,поэтому экономически оправдано приобретении фильтра для очистки воды, так какэто является долгосрочным вложением денежных средств, и отфильтрованная вода порезультатам нашего исследования имеет хорошее качество. Поэтому экономическивыгодный способ нагревания воды был определён для отфильтрованной воды.
Оказалось, экономическивыгоднее нагревать воду на газовой горелке, так как в этом случае при нагреваниикаждых 0,5 л мы экономим 1,35 рубля.
Результаты даннойработы показывают, что отфильтрованная вода является водой хорошего качества.Ученики, не неся больших материальных затрат, могут обеспечивать свой организмкачественной водой, тем самым сохранять хорошее здоровье, а также экономитьденежные средства из бюджета семьи. Результаты работы будут интересны темгражданам страны, которые стремятся к экономии семейного бюджета не в ущербсвоему здоровью.
Список используемых источникови литературы
1. Арабаджи.В.В.,«Загадки простой воды», М.: Знание,1973
2. http://ru,wikipedia.org/wiki/Вода.Проверено 27 ноября 2010
3. http://www.fs.fed.us/water/.Проверено27 ноября 2010
4. ГорскийВ.В., «Вода – чудо природы», М.: Изд-во АНСССР, 1962
5. ИсаченковаЛ.А., Лещинский Ю.Д., Физика 8, Мн.: Народная асвета, 2010