В повседневной жизни мы не редко сталкиваемся с явлениями фазового перехода. За этим научным терминов скрываются, например, процессы замерзания и таяния воды, которые мы не раз наблюдаем на улице, в прихожей, в холодильнике и т. д. Конечно, упомянутые явления не исчерпываются этим списком, но мы хотим рассмотреть именно те, которые наблюдал каждый из нас, и которые оказывают большое влияние на нашу жизнь.
Я решил изучить эти процессы, чтобы донести эту информацию до одноклассников и рассказать какие существуют пищевые добавки, которые влияют на скорость таяния и замерзания, чтобы расширить их и свой кругозор.
Объект исследования является процесс фазовых переходов
Предмет исследования является процесс таяния снега и кристаллизации воды в домашних условиях под воздействием пищевых добавок
Цель работы заключается в изучении процессов кристаллизации и таяния воды под действием пищевых добавок.
В основу работы была положена гипотеза о том, чтолюбое из рассмотренных веществ, растворенных в воде, влияет на её скорость замерзания и таяния. А значит, их можно использовать в быту в качестве размораживателей, антифризов или даже наоборот ускорителей замерзания.
Для реализации выдвинутой гипотезы необходимо решить следующие задачи:
- выяснить какой из водных растворов (лимонной кислоты, пищевой соды, поваренной соли и сахара) дольше замерзает;
- выявить какая из пищевых добавок лучше способствует таянию снега.
Для решения поставленных задач использованы следующие методы исследования:
– изучение источников информации;
– эксперимент;
– наблюдение;
– обобщение.
Для того, чтобы нами были достигнуты поставленные цели, необходимо выдвинуть и построить план работы. Исследование проходило в несколько этапов:
1 этап: изучение научной литературы
2 этап: проведение практических опытов.
3 этап: анализ и обобщение опытно-экспериментальной работы, оформление исследовательской работы.
Практическая значимость работы очевидна. Люди часто и давно используют различные способы, чтобы растаять замерзшую воду. Физические способы не всегда подходят. Они часто требуют дорогостоящего оборудования, большого расхода энергии или имеют еще какие-то ограничения. Нельзя обогреть все дороги, ступеньки, замки. Поэтому для данных задач используют химические методы. Но если для решения больших, общих проблем люди строят специальную инфраструктуру и достаточно хорошо научились их решать, то отдельный человек может столкнуться с весьма неожиданными трудностями. Речь идет не только о достаточно распространённых случаях, когда люди не могут оттаять стекло или открыть дверь своей машины, но и про способы разморозить холодильник с труднодоступными воздуховодами или сделать не замерзающим бетон или затирку для срочного ремонта. Сталкиваясь с такой необычной проблемой, человек начинает перебирать возможные варианты и останавливается на пищевых добавках. Действительно, химических веществ, представленных в аптечке, как правило, мало, а бытовая химия обладает большим количеством побочных свойств: их водные растворы скользкие, вредные при попадании в организм человека и домашних животных.
Нам нужно рассмотреть самые распространённые пищевые добавки. Как они будут замерзать, и как будет таять снег под их воздействием. Многие знают, что поваренная соль способствует понижению температуры замерзания воды, но вдруг она будет недоступна или будут ограничения (например, химические) по её использованию.
Для подготовки опытов мы будем пользоваться объемной мерой пищевых добавок: чайная ложка. Это наиболее доступная мера. Как правило, в быту именно чайными ложками пользуется человек. Столовая ложка слишком велика, а десертная не очень распространена. Пользоваться же массовой мерой неудобно, т. к. на кухонных весах измерить малые количества добавок почти невозможно.
Эксперимент № 1 Таяние снега под действием пищевых добавок.
Стаканы взвешиваются для дополнительного контроля, что в них содержится одинаковое количество снега. В стаканы засыпаются реагенты в количестве 2 чайных ложек: 1 — лимонная кислота, 2 — пищевая сода, 3 — поваренная соль, 4 — сахар, 5 — без реагента (контрольный). Стаканы устанавливаются в таз в середину комнаты для исключения влияния воздушных потоков. Каждые 5 минут производится фотографирование вплоть до полного таяния снега в последнем стакане (график № 1)
Рис. 1 Таяние снега под действием пищевых добавок
Видно, что поваренная соль оказалась самым эффективным размораживающим средством из рассмотренных. Остальные пищевые добавки тоже влияют время, которое необходимо для таяния снега. Это время заметно снижается. Лучшей из остальных была лимонная кислота, третьей пищевой добавкой — сахар, потом — сода. Снег, в который мы не добавили никакого реагента, растаял последним.
Выводы: Добавление в снег любых пищевых добавок приводит к ускорению таяния снега. Лучше всего на эту роль подходит поваренная соль.
При смешивании соли со снегом наблюдаются два процесса:
1) разрушение кристаллической решетки соли, который происходит с поглощением тепла;
2) гидратация (взаимодействие воды с химическими соединениями) ионов, который происходит с выделением тепла в окружающую среду.
Для поваренной соли первый процесс превалирует над вторым. Поэтому при смешивании снега с этими солями происходит активный отбор тепла из окружающей среды.
В случае недоступности применения соли подойдет и лимонная кислота, если, конечно, её применение химически безопасно.
Эксперимент № 2 Замораживание растворов пищевых добавок.
В стаканы наливается одинаковое количество воды. Стаканы взвешиваются для дополнительного контроля. В стаканы засыпаются реагенты: 1 — лимонная кислота, 2 — пищевая сода, 3 — поваренная соль, 4 — сахар, 5 — без реагента (контрольный) в количестве 1 чайная ложка. Стаканы устанавливаются на нижнюю полку морозильной камеры холодильника. Настройки морозильной камеры: –26℃. Каждые 30 минут производится фотографирование вплоть до полного замерзания льда в последнем стакане.
(график № 2)
Рис. 2 Замораживание растворов пищевых добавок
Видно, что в данном эксперименте лучшим антифризом оказалась поваренная соль.
Выводы: вода замерзает при температуре 0 градусов. Когда мы добавляем соль, мы получаем соляной раствор, который замерзает при температуре ниже 0.Другими словами, добавление соли к воде снижает точку ее замерзания.
Но некоторые добавки (кислота и сода) заметно улучшают способность воды к замерзанию.
В этой постановке эксперимента было сложно определить момент окончательного замерзания. Следует также отметить, что концентрации пищевых добавок существенно разнились, т. к. в чайную ложку помещается разное кол-во реагента.
В результате проведенных опытов и наблюдений, мы подтвердили первоначальную гипотезу, согласно которой мы выяснили, что любое из рассмотренных веществ, растворенных в воде, влияет на её скорость замерзания и таяния. А значит, их можно использовать в быту в качестве размораживателей, антифризов или даже наоборот ускорителей замерзания. В ходе эксперимента было выявлено несколько сложностей. Для обеспечения повторяемости эксперимента № 1 нужно набрать снег примерно в ту же погоду и той же температуры.
Дальнейшее развитие работы мы видим в следующих направлениях:
- Исследование других реагентов. В частности тех, что используются в обработке дорог.
- Исследование разных форм одного и того же реагента (например, соли): концентрированный раствор, крупные кристаллы, мелкие кристаллы, смесь с песком и т. д.
- Провести эксперименты в естественных условиях.
- Применить статистические методы анализа. Для чего улучшить средства измерения и повторить эксперименты несколько раз.
- Применить средства непрерывной видео фиксации.
Литература:
- Большая энциклопедия школьника. «Планета Земля». «Издательство Росмэн- Пресс», 2001.- 657 с.: А. Ю Бирюкова.
- Перышкин А. В. Физика 8 кл.: учебник для общеобразовательных учреждений. — М.: Дрофа, 2005г.
- Словари и энциклопедии на Академике
- Эллиот Л. И Уилкокс У. Физика, М., 1975г.
- Энциклопедия юному эрудиту обо всём от А до Я. Москва, «Махаон». 2008
