Гомельская научно-практическая конференция

учащихся

по естественно-научным направлениям

«Поиск»

ГУО «Копаткевичская средняя общеобразовательная школа»

Исследовательская работа

«Нагревание воды 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. Физические и химические свойства воды

2. Распространенность воды на Земле

3. Вода и живые организмы

Глава 2. Экспериментальное исследование зависимости времени закипания воды от её качества

2.1 Материалы и оборудование для проведения исследования

2.2 Методика исследования

2.3 Результаты исследования

Глава 3. Определение наиболее экономичного способа нагревания воды

Заключение

Список используемых источников и литературы

Введение

Вода – источник жизни на Земле. Она необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на планете. Человек состоит из воды на 70-80%. В ней протекают все химические процессы в организме. Она принимает участие в усвоении клетками питательных веществ и в их транспортировке по всему организму, регулирует температуру тела, позволяет выводить из организма шлаки и другой «мусор». В день человеку нужно от 1,5 до 5 л воды. Чувство жажды приходит, когда мы теряем всего 1% жидкости, при обезвоживании на 10% человек теряет сознание, смерть наступает при потере организмом 12%-15% воды. Без воды человек может прожить максимум 5 дней. Но для нормального функционирования организма нужна вода, не содержащая вредных примесей и механических добавок, т.е. хорошего качества.

Целью данной работы является исследование зависимости времени закипания воды от её качества и определение экономически выгодного способа нагревания воды.

В ходе выполнения данного исследование необходимо решить задачи:

• выявить зависимость времени закипания воды от её качества при нагревании а) электрочайником, б) на газовой горелке;

• дать оценку зависимости времени закипания воды от её качества;

• определить экономически выгодный способ нагревания воды.

Теория по данной теме основывается на изучении материалов книг В.И. Арабаджи «Загадки простой воды», Горского В.В. «Вода – чудо природы», интернетисточников.

Здоровье каждого человека – в его руках. Анализируя результаты данной работы, ученики пришли к выводу, что можно, не неся больших материальных затрат, снабжать свой организм качественной водой, тем самым сохранять хорошее здоровье, а также экономить денежные средства из бюджета семьи. Результаты работы также заинтересуют тех граждан страны, которые стремятся к экономии семейного бюджета.

Глава 1. Вода – основа жизни на Земле

Вода́ — прозрачная бесцветная жидкость, не имеющая запаха и вкуса. Химическая формула:

Н₂O. В твёрдом состоянии называется льдом или снегом, а в газообразном — водяным паром. Около 71 % поверхности земного шара покрыто водой^[1].

1.1 Физические и химические свойства воды

Изучение физических свойств воды началось в 17 веке, задолго до того, как был определен её химический состав.

Известно, что при атмосферном давлении вода кипит при 100єС, а лед плавится при 0єС. Но по химической структуре вода должна бы кипеть, а лед плавиться не при этих температурах, а при очень низких, которых на Земле не бывает. И тогда вода существовала бы в одном агрегатном состоянии – в виде пара. Но ведь жизнь всех живых организмов связана с водой в жидком состоянии.

Высокая удельная теплоемкость воды предопределяет большое ее влияние на климат. Основным терморегулятором климата являются воды океанов и морей: накапливая тепло летом, они отдают его зимой. Отсутствие водоемов на местности обычно приводит к образованию резко континентального климата. Благодаря влиянию океанов на значительной части земного шара обеспечивается перевес осадков на суше над испарением, и организмы растений и животных получают нужное им для жизни количество воды. Водная и воздушная оболочки земного шара постоянно обмениваются углекислотой с горными породами, растительным и животным миром, что также способствует стабилизации климата.

Высокая удельная теплоемкость воды имеет большое биологическое значение. Вода нагревается впятеро медленнее песка. А чтобы нагреть на 1єС литр воды, тепла потребуется в 3300 раз больше, чем для нагрева литра воздуха. Зато, когда вода остывает, она отдает столько же тепла, сколько взяла нагреваясь. Из-за этой исключительной способности воды обитателям водоемов никогда не угрожает ни сильный перегрев, ни чрезмерное охлаждение.

С ростом температуры вещества его удельная теплоемкость, как правило, возрастает, но не у воды. Так, с повышением температуры от 0° до 37°С удельная теплоемкость воды падает, а в интервале от 37° до 100°С – растет. Поэтому она одинакова, например, при температурах 25° и 45°С, 10° и 74°С. При температуре 37°С реакции обмена веществ происходят наиболее интенсивно, т.е. создается наивыгоднейшее энергетическое состояние для человеческого организма.

Известно, что при охлаждении вода сжимается, но достигнув 4єС, она начинает уже расширяться, хотя температура и далее понижается. Поэтому вода самая плотная и тяжелая именно при + 4єС. Эта особенность воды имеет биологическое значение: зимой, охладившись до 4єС, вода опускается на дно и здесь сохраняется в течение всей зимы (в пресных водоемах), позволяя жить рыбам. Охладившиеся сильнее слои воды всплывают, т.к. их плотность и вес меньше, и превращаются в лед, таким образом предохраняя водоем и его обитателей от глубокого промерзания.

В прямой зависимости от давления находится температура плавления и кипения воды. При давлении в 611,73 Па (около 0,006 атм.) температура кипения и плавления совпадает и становится равной 0,01 °C. Такое давление и температура называются тройной точкой воды (рис.1.1.1).

Рис.1.1.1 Фазовая диаграмма воды^[2]

При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар.

Удельная теплота парообразования воды почти в 7 раз выше ее удельной теплоты плавления. Эти свойства воды во многом определяют климат нашей планеты. Для испарения воды с поверхности океана даже в тропиках необходимо значительно больше солнечной энергии, чем для таяния льда.

Поэтому круговорот воды в природе является одним из основных факторов, влияющих на климат на Земле с ее огромным Мировым океаном и ледниками, и он весьма специфичен (рис.1.1.2).

Рис. 1.1.2 Круговорот воды[3]

Известно, что молекулы, находящиеся на поверхности жидкости, имеют избыток потенциальной энергии и поэтому стремятся втянуться внутрь так, что при этом на поверхности остается минимальное количество молекул. За счет этого вдоль поверхности жидкости всегда действует сила, стремящаяся сократить поверхность, поэтому капля стремиться приобрести шарообразную форму (рис.1.1.3). Это явление в физике получило название поверхностного натяжения жидкости. Среди существующих в природе жидкостей поверхностное натяжение воды уступает только ртути. Все мы видели, как по поверхности воды, словно по паркету, бегают насекомые – водомерки – ведь эта поверхность всегда затянута тончайшей пленкой из молекул (рис. 1.1.4).

Рис. 1.1.3 Капли росы Рис. 1.1.4 Водомерка на воде

За эту пленочку цепляются, повиснув вниз головой, личинки комаров и даже ползают улитки с массивными раковинами. Чтобы разорвать эту пленку, нужна немалая сила. Силы поверхностного натяжения тянут вверх воду из глубины почвы, питая растения солями и влагой. Увлекаемая ими, течет она по корням и стеблям самих растений и наполняет кровью наши капилляры.

Чистая (не содержащая примесей) вода — хороший изолятор. При нормальных условиях вода слабо диссоциирована, т.е. в ней мало заряженных частиц. Но поскольку вода — хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, то есть в воде присутствуют положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту. Электропроводность сухого льда и снега весьма мала. Она во много раз меньше электропроводности воды. Различные примеси оказывают значительное влияние на электропроводность воды и почти не изменяют электропроводности льда. Электропроводность химически чистой воды обусловлена частичной диссоциацией молекулы воды на ионы H⁺ и OH^–.Электропроводность пресной природной воды может быть 1 000 раз меньше, чем морской. Это объясняется тем, что в воде морей и океанов растворено большее количество солей, чем в речной воде.

1.2 Распространенность воды на Земле

Вода является самым распространенным веществом на Земле – планете, которую точнее следовало бы назвать Водяной Планетой или Океаном. Ведь водная поверхность составляет 2/3 земного шара или 71% поверхности Земли (рис.1.2.1), и если бы вся эта вода равномерно распределилась по земному шару, толщина слоя поверхности – вода В первичной водной оболочке земного шара воды было гораздо меньше, чем теперь (не более 10% от общего количества воды в водоемах и реках в настоящее время). Дополнительное количество воды появилось впоследствии в результате освобождения воды, входящей в состав земных недр. По расчетам специалистов, в составе мантии Земли воды содержится в 10-12 раз больше, чем в Мировом океане, который содержит 97,6% известных нам мировых запасов свободной воды^[1]. Но не надо забывать, что эта вода соленая, т. е. не пригодна для питья. Вкус морской воды зависит от концентрации растворенных в ней солей, но известно так же, что в разных морях и океанах соленость воды неодинакова. Средняя соленость вод океана составляет 35%; соленость морской воды может изменяться от нуля вблизи мест впадения крупных рек до 40% в тропических морях. Вода для питья должна содержать менее 0,05% растворенных солей. Растения погибают при наличии в поливной воде в виде примеси более 0,25% солей. Реки и озера содержат 0,3% мировых запасов свободной воды.

Большими хранилищами влаги на Земле являются ледники, в них сосредоточено до 2,1% мировых запасов воды. Если бы все ледники растаяли, то уровень воды на Земле поднялся бы на 64 м и около 1/8 поверхности суши было бы затоплено водой. В эпоху оледенения Европы, Канады и Сибири толщина ледяного покрова в горных местностях достигала 2 км. В настоящее

Ледники в горах время вследствие потепления климата Земли постепенно отступают границы ледников. Это обусловливает медленное повышение уровня воды в океанах. С изменением массы льда на планете связаны изменения климаты на Земле. Гигантское количество тепла, освобождающееся при замерзании воды, задерживает наступление зимних холодов. Тепло, поглощаемое при таянии льдов, замедляет приход весны.

В атмосфере нашей планеты вода находится в виде капель малого размера, в облаках и тумане, а также в виде пара (рис.1.2.3). При конденсации выводится из атмосферы в виде атмосферных осадков (дождь, снег, град, роса). Около 86% водяного пара поступает в атмосферу за счет испарения с поверхности морей и океанов и только 14% за счет испарения с поверхности суши. В итоге в атмосфере концентрируется 0,0005% общего запаса свободной воды. Количество водяного пара в составе приземного воздуха изменчиво.

б)

а)

Рис.1.2.3 Водяной пар: а) в виде тумана, б) в облаках

При особо благоприятных условиях испарения с подстилающей поверхности оно может достигать 2%. Существенную роль в жизни растений играют оптические свойства водяного пара. Водяной пар сильно поглощает инфракрасные лучи с длиной волны от 5,5 до 7 микрон, что важно для предохранения почвы от заморозков. Еще более действенным средством от заморозков является выпадение росы и образование тумана: конденсация влаги сопровождается выделением большого количества тепла, задерживающего дальнейшее охлаждение почвы.

1.3 Вода и живые организмы

Вода играет очень большую роль в жизни всего живого на Земле, ведь именно море явилось первой ареной жизни на Земле. Растворенные в морской воде аммиак и углеводы в контакте с некоторыми минералами при достаточно высоком давлении и воздействии мощных электрических разрядов могли обеспечить образование белковых веществ, на основе которых в дальнейшем возникли простейшие организмы. По мнению К.Э. Циолковского, водная среда способствовала предохранению хрупких и несовершенных вначале организмов от механического повреждения. Суша и атмосфера стали впоследствии второй ареной жизни.

Можно сказать, что все живое состоит из воды и органических веществ. Без воды человек, например, мог бы прожить не более 2-3 дней, без питательных же веществ он может жить несколько недель. Для обеспечения нормального существования человек должен вводить в организм воды примерно в 2 раза больше по весу, чем питательных веществ.

Так как вода служит прекрасным растворителем, то она является средой, в которой протекают все химические превращения, связанные с жизнедеятельностью организмов. Выпитая или поступившая с пищей вода всасывается в желудке и кишечнике, поступает в кровь и ее током распределяется по тканям организма. Только в жидкой водной среде совершаются процессы пищеварения и усвоения пищи в желудочно-кишечном тракте, происходит синтез живого вещества в клетках.

Вода вымывает из клеток отработанные продукты обмена веществ, выносит их из организма, главным образом через почки (с мочой) или через кожу (с потом). Она выполняет также важную механическую роль, облегчая скольжение трущихся поверхностей: суставов, связок, мышц и.т.д.

Посчитано, что в живых организмах суммарный запас воды в несколько раз больше, чем в реках. В среднем в 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%. При потере 6-8% воды человек впадает в полуобморочное состояние. Если потери составляют более15%, наступает смерть: сердце не может проталкивать через кровеносные сосуды загустевшую кровь. Продолжая примеры, можно отметить, что в рыбах воды 80%, в теле медузы её до 96%, в водорослях – 95-99%, в спорах и семенах от 7 до 15% и т.д.^[4] Обмен биологической воды происходит в течение нескольких часов, т.е. 1000-2000 раз в год.

Но, несмотря на всестороннюю изученность свойств воды, она по-прежнему остается одним из удивительных и загадочных веществ.

Глава 2. Экспериментальное исследование зависимости времени закипания воды от её качества

2.1 Материалы и оборудование для проведения исследования

Материалом для исследования является обычная водопроводная вода и вода бутилированная “Aura”. Вода водопроводная была взята в 3 разных порциях:

1) водопроводная вода из крана, 2) водопроводная вода, отстоявшаяся в течение суток, 3) водопроводная вода, пропущенная через угольный фильтр.

Каждая порция воды бралась в объеме 0,5 литра и при температуре 20°С.

Приборы, применяемые в исследовании:1) электрический чайник мощностью 0,9 кВт; 2) эмалированный чайник для плит, 3) газовая плита, работающая на сжиженном газе, 4) секундомер.

2.2 Методика исследования

Предположим, что время закипания воды зависит от качества, «чистоты» воды. Допустим, что по количеству вредных примесей или механических добавок наши образцы воды имеют следующие условные показатели качества:

«плохое» - водопроводная вода,

«удовлетворительное» - отстоявшаяся вода,

«хорошее» - вода, пропущенная через фильтр,

«отличное» - вода бутилированная.

Если это так, то время закипания воды будет уменьшаться от первого образца воды к последнему. Эта закономерность должна наблюдаться как при нагревании электрочайником, так и при нагревании на газовой горелке.

Была проведена серия измерений времени закипания приготовленных образцов воды в электрическом чайнике, затем определили время закипания таких же образцов воды на газовой горелке (приложение).

2.3 Результаты исследования

Результаты всех произведенных 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 были построены диаграммы зависимости времени закипания воды от её качества.

Анализируя результаты эксперимента, установили:

1. в электрочайнике вода закипает быстрее, чем на газовой горелке;

2. дольше всего нагревается вода из крана, быстрее всего – бутилированная вода;

3. это соотношение (п.2) выполняется для нагревания как электрочайником, так и на газовой горелке.

По результатам исследования можно заключить, что сделанное нами предположение о зависимости времени закипания воды от её качества, её «чистоты» является верным: быстрее всего закипает бутилированная вода, как самая качественная из рассмотренных вариантов, дольше всего закипает вода из крана, т.е. является самой некачественной.

Глава 3. Определение наиболее экономичного способа нагревания воды

Мы живем в период мирового экономического кризиса, и когда мировая экономика придёт в нормальное состояние предугадать невозможно. В связи с этим материальные траты желательно уменьшить, а значит, не каждая семья может позволить себе тратить средства на приобретение бутилированной воды.

Поэтому вопрос о том, чем экономически выгоднее кипятить воду – электрочайником или в чайнике, поставленном на газовую горелку, будем решать для отфильтрованной воды, так как эта вода имеет хорошее качество в нашем исследовании, и приобретение фильтра для очистки воды экономически оправдано, так как это долгосрочное вложение денежных средств.

Время, затраченное на нагревание 0,5 литра отфильтрованной воды в электрочайнике мощностью 0,9 кВт составило 4,08 минуты или 0,068 часа. На газовой горелке этот объем воды был доведён до кипения за 4,53 минуты или 0,0755 часа.

Зная мощность электрочайника и время его работы, можно определить расход электроэнергии в кВт*час. (формула 1) , а умножив эту энергию на тариф, получим стоимость затраченной электроэнергии (формула 2).

А = Р*t* ( 1 ) Стоимость = Р*t *тариф ( 2 )

Стоимость = 0,9 кВт*0,068ч*173 руб., /(кВт*ч) = 10,59 руб.

На нагревание 0,5 литра отфильтрованной воды на газовой горелке было затрачено 0,02 м³ природного газа (по показаниям счетчика). Зная, что 1 м³ природного газа стоит 462 рубля, и произведя несложные расчёты, мы получим стоимость закипания 0,5 литра воды на газовой горелке.

1 м³ - 462руб.

0,02 м³ - Х руб.

Х = (0,02 м³ * 462руб.) / 1 м³ = 9,24руб. – стоимость нагревания 0,5 л воды на газовой горелке.

В условиях экономического кризиса нагревать воду намного выгоднее на газовой горелке, так как при нагревании каждых 0,5 л мы экономим 1,35 рубля.

Заключение

В результате изучения и исследования данной темы можно сделать вывод о том, что цели и задачи, поставленные в начале данной работы, были реализованы.

Целью данной работы являлось исследование зависимости времени закипания воды от её качества, а также определение экономически выгодного способа нагревания воды.

В ходе выполнения исследования было установлено, что дольше всего закипает вода из крана, т.е. она является водой самого плохого качества в нашем исследовании. Быстрее всего как в электрочайнике, так и на газовой горелке закипает бутилированная вода, т.е. она является самой качественной водой.

Но в условиях мирового экономического кризиса, когда материальные затраты желательно уменьшить, не каждая семья позволит себе тратить средства на приобретение бутилированной воды, поэтому экономически оправдано приобретении фильтра для очистки воды, так как это является долгосрочным вложением денежных средств, и отфильтрованная вода по результатам нашего исследования имеет хорошее качество. Поэтому экономически выгодный способ нагревания воды был определён для отфильтрованной воды.

Оказалось, экономически выгоднее нагревать воду на газовой горелке, так как в этом случае при нагревании каждых 0,5 л мы экономим 1,35 рубля.

Результаты данной работы показывают, что отфильтрованная вода является водой хорошего качества. Ученики, не неся больших материальных затрат, могут обеспечивать свой организм качественной водой, тем самым сохранять хорошее здоровье, а также экономить денежные средства из бюджета семьи. Результаты работы будут интересны тем гражданам страны, которые стремятся к экономии семейного бюджета не в ущерб своему здоровью.

Список используемых источников и 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. Горский В.В., «Вода – чудо природы», М.: Изд-во АНСССР, 1962

5. Исаченкова Л.А., Лещинский Ю.Д., Физика 8, Мн.: Народная асвета, 2010