Научно-исследовательская работа ученика 7 класса "Исследование зависимости температуры кипения жидкостей от внешнего давления"

10

Исследовательская работа

Исследование зависимости

температуры кипения жидкостей

от давления

Выполнил ученик 7 класса:

Глодин Михаил

Руководитель; учитель высшей категории,

Липатова Татьяна Анатольевна

г. Бор

стр

Введение.…………………………………………………..............3

Глава II. Экспериментальная часть……………………………….7

2.1. Оборудование………………………………………………....7

2.2. Порядок проведения эксперимента………………………….7

2.3. Обработка результатов эксперимента…………………….....9

Заключение………………………………………………………….7

Список литературы…………………………………………………8

Приложение…………………………………………………………9

Введение

Актуальность.

Раньше мама готовила разные блюда на плите. Но недавно она купила скороварку, и еда стала готовиться быстрее. Я узнал, что это происходит из-за повышенного давления в скороварке. Так же позже я узнал, что по тому же принципу работают котлы для отопления, домашние и промышленные автоклавы, а при пониженном давлении происходит выпаривание сахарного сиропа в сахарном производстве, чтобы не подгорел сахар.

Мне, стало интересно, почему из-за разного давления жидкости имеют разную температуру кипения и как температура кипения зависит от внешнего давления.

Цель:

Исследование зависимости температуры кипения некоторых жидкостей от давления

Задачи:

1. Изучить процесс кипения

2. Установить зависимость температуры кипения от рода жидкости

3. Исследовать зависимость температуры кипения от внешнего давления с различными жидкостями.

Глава I. Теоретическая часть.

Кипение — это внутреннее парообразование, которое происходит во всем объеме жидкости при температуре, когда давление насыщенного пара равно давлению в жидкости.

У каждого вещества своя температура кипения. Вода обычно кипит при 100 °С. Точка кипения жидкости зависит также от степени её чистоты. Жидкость с какими-либо примесями закипает при более высокой температуре, чем чистая. Вот почему, если добавить в воду соль, сахар температура кипения повысится. Так что картофель быстрее варится в подсоленной воде. Концентрация раствора настолько сильно влияет на его точку кипения, что химики могут определить процентное содержание вещества, просто измерив температуру кипения раствора.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры объясняет, почему температура кипения жидкости зависит от давления на ее поверхность. Пузырек пара может расти, когда давления насыщенного пара внутри его немного превосходит давление в жидкости, которое складывается из давления воздуха на поверхность жидкости (внешнее давление) и гидростатического давления столба жидкости.

Кипение начинается при температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках сравнивается с давлением в жидкости. Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения, и наоборот, уменьшая внешнее давление - понижается температура кипения. У каждой жидкости своя температура кипения, которая зависит от давления насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения соответствующей жидкости, т.к. при меньших температурах давление насыщенного пара становится равным атмосферному.

Как происходит кипение?

Постепенно наращивая объём, пузырёк с насыщенным паром увеличивает и площадь соприкосновения с прогревающейся водой, которая ещё не достигла высокой температуры. В результате этого находящиеся внутри пузырька пар и воздух охлаждаются, вследствие чего давление их уменьшается, и тяжесть воды лопает пузырёк. Именно в этот момент вода издаёт характерный для закипания звук, возникающий из-за столкновений воды с дном ёмкости в тех местах, где лопаются пузырьки.

По мере приближения температуры в нижних слоях воды к 100⁰С внутрипузырьковое давление уравнивается с давлением воды на них, в результате чего пузырьки постепенно расширяются. Увеличение объёма пузырьков приводи и к увеличению действия на них выталкивающей силы, под действием которой наиболее объёмные пузырьки отрываются от стенок ёмкости и стремительно поднимаются вверх. В том случае, если верхний слой воды ещё не достиг 100 ⁰С, то пузырёк, попадая в более холодную воду, теряет часть водяных паров, конденсирующихся и уходящих в воду. При этом пузырьки снова уменьшаются в размере и опускаются вниз под действием силы тяжести. Возле дна они снова набирают объём и поднимаются вверх, и именно эти изменения пузырьков в размерах создают характерный шум закипающей воды.

К моменту, когда весь объём воды достигает 100⁰С, поднимающиеся пузырьки уже не уменьшаются в размере, а лопаются на самой поверхности воды. При этом происходит выброс пара наружу, сопровождаемый характерным бульканьем – это означает, что вода кипит. Температура, при которой жидкость достигает кипения, зависит от давления, которое испытывает её свободная поверхность. Чем больше это давление – тем большая требуется температура, и наоборот.

То, что вода закипает при 100 ⁰С – общеизвестный факт. Но стоит учесть, что такая температура справедлива только при условии нормального атмосферного давления (около 101 кПа). С увеличением давления температура, при которой жидкость достигает кипения, тоже возрастает. К примеру, в кастрюлях-скороварках пища варится под давлением, приближающимся к 200 кПа, при котором температура кипения воды составляет 120⁰С. В воде с такой температурой варение протекает гораздо быстрее, чем при обычной температуре кипения – отсюда и такое название кастрюли.

Соответственно, понижения давления понижает и температуру кипения воды. К примеру, жители горных районов, обитающие на высоте 3 километров, добиваются кипения воды быстрее жителей равнин – все стадии кипения воды происходят быстрее, поскольку для этого необходимо всего 90 ⁰С при давлении 70 кПа. Но сварить, к примеру, куриное яйцо жители гор не могут, поскольку минимальная температура, при которой белок сворачивается – как раз 100 ⁰С.

Глава II. Экспериментальная часть.

Данное исследование заключалось в выявлении зависимости температуры кипения от рода жидкости и температуры кипения от внешнего давления Для достижения поставленной цели я использовал лабораторию L-микро.

Оборудование: датчики температуры и давления, компьютерный измерительный блок, шприц 60 мл, стеклянный сосуд с краном, стакан с горячей водой, (температура 80 ⁰ С), жидкости: воду, спирт, масло (рис.1, рис.2).

Изменяя, с помощью шприца давление от 69 кПа до 55кПа я наблюдал за процессом кипения, измерял температуру и давление (рис.3).

Заключение.

Построив график зависимости температуры от времени, я убедился, что кипение происходит при постоянной температуре и эта температура разная для разных жидкостей. Проще всего мне было со спиртом, т.к. температура кипения 78⁰ С. (рис.5). Кипение воды и масло при пониженном давлении, также происходит при своей постоянной температуре (рис.4, рис.6). Измерив давление, при котором кипит жидкость я убедился, что температура кипения уменьшается при уменьшении давления. Мои исследования не закончены, мне бы хотелось измерить температуру кипения при повышенном давлении, что требует усовершенствование оборудования, а также хочу изготовить собственный домашний автоклав для консервации мясных продуктов, но это следующей этап моей работы.

Список использованных источников информации.

1. http://demo.home.nov.ru/toppage3.htm ;

2. http://ru.wikipedia

3. Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн 2004.

4. Перышкин А.В. Физика. 8 класс: Учеб. для общеобразовательных учреждений. – 5-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2013 ;

5. Физика жидкого состояния. М., 1978 Новиков И.И. Термодинамика. М., 1984.

Приложение.

Рис.1. Проведение эксперимента. Наблюдение процесса кипения воды и спирта.

Рис.2. Проведение эксперимента. Наблюдение процесса кипения масла.

Рис 3. Измерение давления при значениях которого будет измеряться температура кипения (лаборатория L-микро).

Рис 4. Графики зависимости температуры кипения воды от времени при понижении давления (лаборатория L-микро).

Рис 5. Графики зависимости температуры спирта от времени при понижении давления (лаборатория L-микро).

Рис 6. График зависимости температуры кипения масла от времени при понижении давления (лаборатория L-микро).