На страницах нашего онлайн портала alivahotel.ru мы расскажем много самого интересного и познавательного, полезного и увлекательного для наших постоянных читателей.
Правила безопасности при работе со спиртовкой и стеклянной посудой.
Цель эксперимента
Наблюдать процесс кипения воды и описать основные явления, которые сопровождают процесс кипения воды.
Гипотеза:
Процесс кипения сопровождается рядом удивительных явлений
Оборудование:
Фото
Описание опыта
Результаты опыта
Объяснение
В лапке штатива закрепляем колбу с водой, снизу поместим спиртовку. Зажигаем спиртовку и наблюдаем за процессами, происходящими в колбе.
1. Идет обильное испарение с поверхности жидкости, над горлышком колбы образуется туман.
1. Пар невидимый, но при попадании в холодную среду (наружный воздух) происходит конденсация пара и образуется туман.
2. На внутренней поверхности стенок образуются и начинают расти пузырьки.
2. Пузырьки содержат воздух, растворенный в воде и водяной пар, который образуется за счет испарения воды внутрь пузырьков.
3. Пузырьки увеличиваются в размерах, отрываются от стенок колбы, поднимаются вверх и исчезают.
3.В холодных непрогретых слоях воды происходит конденсация пара.
4. Возникает шум предшествующий закипанию воды.
4. Шум вызван попеременным уменьшением и увеличением пузырьков в размерах, вода постепенно полностью прогревается.
5. Пузырьки всплывают на поверхность, лопаются, слышно как булькает вода, кипит.
5.Пузырьки всплывают на поверхность под действием архимедовой силы, насыщенный пар из пузырьков выбрасывается в атмосферу.
Опыт 2. Кипение воды при пониженном давлении
Жидкость закипит, если давление насыщенного пара в пузырьках будет больше суммы гидростатического давления жидкости и атмосферного давлении:
Из этого выражения вытекает, что изменив внешнее давление над водой можно изменить температуру кипения воды: при уменьшении внешнего давления температура кипения понижается, а при увеличении давления — повышается. Докажем этот вывод на опыте.
Техника безопасности
Правила безопасности при работе со стеклянной посудой
Цель эксперимента
Наблюдать процесс кипения воды в условиях пониженного давления
Гипотеза:
При уменьшении внешнего давления температура кипения понижается
Опыт 2
Оборудование:
Фото
Описание опыта
Результаты опыта
Объяснение
А) Измеряем начальную температуру в колбе.
Начальная температура воды 30 °С.
Когда из колбы выкачиваем воздух, то давление над жидкостью уменьшается, процесс роста пузырьков начинается при меньшем давлении, что сказывается на понижение температуры кипения.
б) В лапке штатива закрепляем колбу с водой, закрываем резиновой пробкой со стеклянной трубкой. Соединим с помощью резинового шланга колбу с насосом. Из колбы выкачиваем воздух.
В воде образуются пузырьки, они поднимаются на поверхность воды, лопаются, вода закипает
в) Измеряем температуру воды после кипения.
Конечная температура воды 29 °С (понижение температуры вызвано теплоотдачей воды окружающей среде).
Опыт 3. Задача № 862 (снег заменен холодной водой)
(А.Е. Марон, Е.А. Марон, С. В. Позойский. Сборник вопросов и задач Физика 7-9 к учебнику А.В. Перышкина)
Оборудование:
Фото
Описание опыта
Результаты опыта
Объяснение
В колбе доведем воду до кипения. Убираем спиртовку, закрываем колбу плотно резиновой пробкой. Переворачиваем колбу с водой, надежно ее закрепляем в лапке штатива. Сверху колбу обливаем холодной водой
В воде образуются пузырьки воздуха, вода закипает.
Холодная вода охлаждает горячий воздух над водой в колбе, его давление над жидкостью уменьшается. Вода кипит при температуре ниже 100°С.
Применение рассматриваемого явления на практике.
Гейзеры – одно из самых удивительных явлений природы, это периодически фонтанирующие источники горячей воды с паром.
Интересные факты в рассматриваемом явлении
Интересная задача из задачника 861(опыт со шприцем).
Ее можно продемонстрировать на оборудовании L-микро. Наблюдение кипения спирта: пробирку со спиртом помещают в сосуд с кипящей водой, фиксируют температуру кипения воды, с помощью шприца повышают давление над спиртом, на графике при этом видно увеличение температуры кипения спирта (в углу графика t кип. при обычном и повышенном давлениях).
Кипение дистиллированной воды.
Дистиллированная вода – это очищенная вода H2O, в которой практически не содержится каких-либо примесей. В чистую колбу наливаем дистиллированную воду и начинаем нагревать на медленном огне. С помощью электронного термометра измеряем температуру пара над водой (рис.1). Видим, что при температуре 100 °С вода не кипит. Убираем спиртовку, и в перегретую воду бросим кусочки мела (рис.2), на ее поверхности сразу образуются пузырьки. Видим бурное закипание воды (рис.3).
Ссылка на видео https://cloud.mail.ru/public/4k82/e7MeqkpeB (Облако Mail.Ru)
Возможно ли рассчитать температуру воды в чайнике, исходя из звука кипения?
Вероятно под «звуком кипения» подразумевается шум, слышимый во время нагрева воды. Тут стоит отметить, что под кипением понимается интенсивное парообразование, происходящее по всему объёму жидкости. Процесс кипения изотермический, температура кипения однородной жидкости (она же температура насыщения, она же температура конденсации) однозначно зависит от давления. Таким образом, при неизменном давлении температура кипения всегда одна и та же.
Что касается шума, то он, как уже справедливо заметили, возникает из-за появления и схлопывания пузырьков пара и газа при нагревании жидкости ещё до температуры кипения. Дело в том, что локально, в некоторых местах, температура может достигнуть точки кипения, при том, что в целом по объёму температура ещё низкая. Тогда небольшой участок воды вскипает, пузырёк пара и газа отрывается от поверхности и вскоре конденсируется, схлопывается, а газ обратно растворяется. Чем выше температура воды, тем больше локальных точек вскипания, больше образовывается пузырьков и громче шум. Но количество таких точек индивидуально для каждой ёмкости. Можно провести серию экспериментов и вывести корреляционную зависимость между громкостью звука (приборно измеряя шум в децибелах) и температурой воды (приборно измеряя температуру воды в С или К). Обработав результаты статистическими методами, в принципе можно получить эмпирическую зависимость, справедливую только для конкретного чайника. Возможно, применяя методы теории подобия, удастся распространить формулу на целый ряд чайников и, если эксперимент проведён на должном уровне, а мат. аппарат использован солидный, даже урвать Шнобелевскую премию 🙂
Ритуалу чаепития посвящены восточные трактаты и главы в специальных книгах. И все же, посмотрев на этот процесс под несколько иным углом зрения, в нем можно найти множество интересных физических явлений, объяснения которым нет даже в самом толстом кулинарном руководстве.
Для начала проделаем следующий опыт. Поставим два совершенно одинаковых чайника с равными количествами холодной воды на конфорки одинаковой мощности. Один из них закроем крышкой, а второй оставим открытым. Какой из них закипит раньше?
Пока чайники нагреваются, поставим на третью конфорку плиты еще один точно такой же чайник с тем же количеством холодной воды, что и в первых двух, и попробуем его вскипятить быстрее (при той же мощности конфорки). Для этого нужно каким-либо способом быстро повысить температуру воды в нем, обогнав ее нагрев в двух первых чайниках. Например, сунуть в стоящий на плите третий чайник еще и кипятильник. Ну, а если кипятильника нет?
Вспомним, что для того чтобы повысить температуру воды в какой-либо емкости, в нее достаточно добавить более горячей воды. Может быть, такой прием ускорит закипание воды в третьем чайнике? Отнюдь нет. Не только не ускорит, но еще и замедлит. Чтобы убедиться в этом, представим себе, что вода массой m1, находящаяся первоначально в чайнике при температуре Т1, не смешалась и не стала обмениваться теплом с долитой горячей водой массой m2 и температурой T2. Тепло, которое необходимо было первоначально передать воде для доведения ее до кипения, составляет Q1 = cm1 (Тк-T1). Теперь же, кроме нагрева до температуры кипения (Тк) того же количества воды m1, придется разогреть от Т2 до Тк еще и долитую горячую воду массой m2. Поэтому полное количество теплоты составит
Даже если в чайник доливать кипяток, то в процессе переливания он успеет несколько охладиться, и температура Т2 окажется несколько ниже Тк. Понятно, что наше «абсурдное» предположение о том, что порции воды остались неперемешанными, никак не повлияло на закон сохранения энергии в системе, а лишь позволило нам рассмотреть явление проще и быстрее.
Пока мы безуспешно возились с третьем чайником, первый, с закрытой крышкой, уже начинает шуметь. Попробуем выяснить причину этого знакомого всем шума и оценить его характерную частоту.
Рис. 1
* ( Здесь мы пренебрегаем заведомо малой силой тяжести.)
Таким образом, ускорение пузырька на начальном этапе движения будет
Время отрыва пузырька от дна можно теперь оценить, считая его движение равноускоренным. На высоту порядка своего размера он поднимается за время
Соответствующая характерная частота генерируемого при отрыве пузырьков звука составляет v1
Существует и вторая причина шума, возникающего в чайнике при его нагревании. Для того чтобы добраться до нее, проследим судьбу пузырька пара после его отрыва от дна. Оторвавшись от горячего дна, где давление пара в пузырьке было примерно равно атмосферному (иначе он не мог бы достаточно расшириться для всплытия), пузырек, всплывая, попадает в верхние, еще не достаточно прогретые слои воды. Заполняющий пузырек насыщенный пар при этом охлаждается, его давление падает и уже не может компенсировать внешнего давления на пузырек со стороны волы.
Рис. 2
Запишем уравнение Ньютона для массы воды m, устремляющейся внутрь пузырька при его схлопывании:
Вблизи Тк = 100 °С давление насыщенного пара падает примерно на 3*10 3 Па при понижении температуры на 1 °С (см. таблицу). Поэтому для оценки можно принять ΔР
10 3 Па, после чего соответствующее время схлопывания пузырька составит τ2
10 3 Гц. Этот результат уже больше похож на правду, чем предыдущий.
Таким образом, мы приходим к выводу, что шум чайника перед его закипанием связан с рождением на горячем дне, отрыве от дна и гибелью в верхних, еще не достаточно прогретых слоях воды пузырьков пара. Эти процессы очень интересно наблюдать непосредственно при нагревании воды в стеклянном чайнике с прозрачными стенками. Однако не будем обольщаться, что мы заинтересовались и разобрались в этом вопросе первыми. Еще в XVIII веке шотландский ученый Джозеф Блэк изучал «пение» нагретых сосудов и установил, «что в этом пении участвует дуэт: поднимающиеся пузырьки нагретого воздуха и вибрация стенок сосуда».
И вот, как и ожидалось, первым закипает чайник под закрытой крышкой. Об этом нас извещает вырывающаяся из него носика струя пара. А какова ее скорость?
Эту задачу нетрудно решить, если заметить, что в установившемся процессе кипения практически вся подводимая к чайнику энергия нагревателя расходуется на испарение воды. Филателисты знают, что, когда нужно отпарить марку от конверта, воду наливают лишь на дно чайника, чтобы весь образующийся пар выходил через носик. Будем считать, что и в нашем случае носик свободен и пар выходит наружу только через него. Пусть в результате подвода энергии за время Δt испарится масса воды ΔM. Ее можно определить из уравнения
Таким образом, для скорости вытекания пара из носика получаем окончательно
Но мы отвлеклись от обсуждения результата нашего опыта с двумя чайниками. Почему же все-таки отстал чайник с открытой крышкой? Разберемся в этом подробнее. Ответ почти очевиден: в процессе нагревания воды в открытом чайнике наиболее быстрые ее молекулы имеют возможность беспрепятственно покидать чайник, унося с собой таким образом энергию и как бы эффективно охлаждая этим оставшуюся в чайнике воду (этот процесс есть ни что иное, как испарение). Поэтому нагревателю в этом случае приходится не только довести воду в чайнике до кипения, но и часть ее испарить в процессе нагревания. Понятно, что на это уходит большее количество энергии (а следовательно, и времени), чем при кипячении воды в закрытом чайнике, где вырвавшиеся из воды «быстрые» молекулы очень скоро образуют в замкнутом пространстве под крышкой насыщенный пар и, возвращаясь в воду, отдают свою избыточную энергию обратно. Однако имеют место и два эффекта, противоположных рассмотренному. Во-первых, в процессе испарения несколько уменьшается масса воды, которую следует доводить до кипения. Во-вторых, кипение в открытом чайнике при нормальном атмосферном давлении наступает при температуре 100 °С. В закрытом же чайнике, если он налит так, что пары не могут выходить через носик, из-за интенсивного испарения перед кипением давление у поверхности повышается, поскольку оно теперь определяется суммой парциальных давлений находящегося под крышкой небольшого количества воздуха и самих водяных паров. С ростом внешнего давления должна стать и более высокой температура кипения воды, так как она определяется условием равенства давления насыщенного пара в зарождающемся в жидкости пузырьке внешнему давлению. Как же быть? Какому из эффектов отдать предпочтение?
В случае, когда возникают подобного рода сомнения, на помощь следует призвать точный расчет, или, по крайней мере, оценку порядков величин обсуждаемых эффектов. Вначале оценим массу воды, которая испаряется из открытого чайника в процессе доведения его до кипения.
Ну, а теперь забудем о перепрыгивании молекул жидкости с места на место, а будем представлять себе высокоэнергетичные молекулы как некоторый газ. Тогда за малое время Δt через участок поверхности площади S смогут вырваться высокоэнергетичные молекулы из объема ΔU
SΔt (для оценки мы считаем, что 1 /6 часть всех этих молекул приближается к поверхности со скоростью = √( 2U0 /m0). Воспользовавшись выражением (***), для скорости испарения находим
Уносимая при этом из жидкости масса в единицу времени составляет
Эту величину нам будет удобнее пересчитать для массы воды, уносимой из чайника при его нагревании на 1 К. Для этого воспользуемся законом сохранения энергии. За время Δt чайник получает от конфорки количество теплоты ΔQ = Δt ( — полезная мощность конфорки). При этом температура воды повышается на ΔT, так что
Таким образом, в процессе нагревания чайника без крышки до температуры кипения его покидает несколько процентов всей массы воды. Испарение всей этой массы воды идет за счет нагревателя и, естественно, удлиняет процесс закипания открытого чайника. Чтобы понять, насколько, достаточно заметить, что такое испарение для нагревателя эквивалентно доведению до кипения 1 /4 всей массы воды в чайнике (убедитесь в этом сами).
Заглянув еще раз в приведенную выше таблицу, видим, что такое повышение давления сдвинет температуру кипения не более чем на δTк≈0,5 °С. Соответственно на доведение чайника до кипения придется затратить дополнительно количество теплоты δQ = cMδTK. Сравнивая величины сМδТк и rΔM, видим, что неравенство rΔМ>>сМδТк выполняется с запасом в 30:1. Таким образом, и повышение температуры кипения в чайнике, прикрытом крышкой и налитом доверху, не может всерьез противостоять испарению воды с открытой поверхности в чайнике без крышки.
На описанном принципе повышения давления при нагревании воды в замкнутом объеме устроена кастрюля-скороварка. В ней вместо носика сделано маленькое отверстие предохранительного клапана, которое открывается только начиная с некоторого давления, в остальном же она герметична. В результате испарения жидкости в замкнутый объем давление в кастрюле повышается примерно до 1,4*10 5 Па, когда срабатывает клапан, и температура кипения, согласно уже цитировавшейся таблице, сдвигается до Т 0 к = 108 °С. Это позволяет готовить пищу гораздо быстрее, чем в обыкновенной кастрюле. Однако после снятия с плиты открывать скороварку следует с большой осторожностью: после разгерметизации давление падает и жидкость в ней оказывается заметно перегретой. Поэтому масса жидкости δm такая, что rδm = cM (Т 0 к-Tк), взрывным образом испаряется и может сильно обжечь. Жидкость при этом вскипает сразу во всем объеме кастрюли.
Кстати, стоит заметить, что высоко в горах, где атмосферное давление низкое, в обычной кастрюле вообще не удается сварить мясо, поскольку температура кипения воды там может понизиться вплоть до 70 °С (на вершине Эвереста давление составляет Р8848 = 3,5*10 4 Па). Поэтому альпинисты часто берут с собой на восхождение скороварку. Кроме возможности достичь в ней более высокой температуры, скороварка также экономит топливо, что частично ком-пенсирует ее вес в рюкзаке.
Рис. 3
Таким образом, после прекращения подачи тепла в массе воды запасено избыточное относительно равновесного количество теплоты
Избыточное количество тепла ΔQ пойдет на испарение слоя жидкости δН, масса которого δm может быть найдена из уравнения теплового баланса
откуда для δH имеем
Таким образом, после снятия с плиты из чайника вы-кипит еще около 0,2 % его содержимого.
Характерное время выкипания полного чайника с массой воды М (скажем, 2 кг) на плите с полезной мощностью = 1 кВт составляет
Соответственно 0,2 % его массы выкипит за время порядка 10 с (если предполагать, что скорость испарения по порядку величины не меняется по сравнению со стационарным режимом).
Рис. 4
В заключение подумайте, хороши ли с физической точки зрения серебро и алюминий в качестве материалов для изготовления подстаканников? Каким требованиям должен в первую очередь удовлетворять материал, из которого изготовляется подстаканник?
Руслан изучал скорость закипания разного количества воды в электрическом чайнике. Он налил в пустой электрочайник мощностью 1 КВт три стакана холодной воды из крана, включил чайник и засёк время до его автоматического отключения при кипении. Руслан вылил из чайника воду, дал ему остыть и налил шесть стаканов холодной воды из крана. Он снова включил электрочайник и снова засёк время до его отключения.
С помощью какого опыта Руслан может выяснить, влияет ли изначальная температура воды на скорость её закипания в электрочайнике? Опиши этот опыт.
Ответ: В ответе может быть дано такое описание эксперимента. В первом варианте опыта Руслан должен налить в чайник холодную воду из крана и проверить скорость её закипания (Руслан может воспользоваться уже имеющимися данными из предыдущего исследования, если количество воды в исследовании будет равно трём или шести стаканам). Во втором варианте опыта Руслан должен налить в тот же чайник то же количество горячей воды из крана и проверить скорость её закипания.
Может быть дано иное, близкое по смыслу описание эксперимента.
Критерии оценивания выполнения задания
Баллы
В описании опыта не отражены / неверно отражены различия в условиях проращивания семян (в одном из стаканов должна быть земля, в другом нет).
ИЛИ Описание опыта не приведено
0
В описании опыта верно отражены только различия в условиях проращивания семян (в одном из стаканов должна быть земля, в другом нет)
1
В описании опыта верно отражены:
— различия в условиях проращивания семян (в одном из стаканов должна быть земля, в другом нет);
Δt (для оценки мы считаем, что 1 /6 часть всех этих молекул приближается к поверхности со скоростью 
Δt ( 
= 1 кВт составляет
