Сайт "Методическая кладовая" - все учителя, ученика, родителей.

              Время: Загрузка...

Подробности на странице

"В мире животных"


Яндекс.Погода

До Нового

2013 года

 

 



Copyright RATICHI © 2010

Copyright © 2010 г .ОГС. "Администрация сайта www.ratichi.hut.ru ".

Ссылка на автора (ов) и сайт обязательны. 

Вопросы и предложения присылайте на mailto:wwwratichi@mail.ru

Дизайн и разработка © 2010 Осташевский Г.С.


О сайте

Этот сайт создан с помощью программы "Мини-Сайт". ООО "Корс-Софт" - программы для бизнеса. www.kors-soft.ru

  • ШНО "Эврика" 12
  • ШНО "Эврика" 13

        Экспериментальное исследование «эффекта Мпембы»

        Слизевич Сергей Сергеевич

        ГУО «Ратичская СОШ»

        10 класс

        Руководитель

        Сиргит Юрий Владиславович

        учитель физики ГУО Ратичская СОШ

        ©2010 год

        Содержание:

        1.           Введение …………………………………………… 3-5           

        2.           Цели и задачи работы……………………………… 6

        3.           Методика исследования…………………………… 7

        4.           Результаты наблюдений…………………………… 8-16

        5.           Выводы……………………………………………...17-18

        6.           Заключение………………………………………… 19

        7.           Список литературы……………………………....... 20

        1.           Введение

        Какая вода замерзает быстрее, горячая или холодная? Большинство, кому задать такой вопрос ответит – холодная. Из общих соображений следует, что холодная вода замёрзнет быстрее, нежели горячая. Это же следует из выведенного Ньютоном закона охлаждения: время, за которое тело остывает, пропорционально разности температур этого тела и окружающей его среды.

        Но почему-то и Аристотель, и Фрэнсис Бэкон, и Рене Декарт утверждали, что горячая вода замерзает быстрее. Эрасто Мпемба из Танзании, будучи учеником средней школы, возможно, не знал о своих великих предшественниках. Однако современный этап этого многотысячелетнего спора начался именно с того наблюдения, которое он сделал в 1963 году. Более того, обсуждаемое явление так и называется „эффект Мпембы“. Опыт же состоял в следующем. Во время школьной лабораторной работы ученики должны были приготовить мороженое: вскипятить молоко, охладить и затем поместить его в холодильник. Опасаясь, что времени для выполнения задания ему не хватит, Мпемба поставил в холодильник ещё горячее молоко, а потом обнаружил, что оно застыло раньше, чем порции мороженого, сделанные его коллегами.

        С тех пор одни учёные утверждают, что эффект Мпембы существует, другие же его яростно отрицают. Причём в пользу обеих версий говорят экспериментальные данные: оригинальная особенность эффекта состоит в том, что он проявляется отнюдь не всегда. Как утверждает один из историков эффекта Мпембы Монвеа Джен из университета Южного Иллинойса, учёным гораздо труднее поверить в существование этого явления, чем людям, не учившим физику, поскольку они точно знают, почему оно невозможно. Мпемба первым столкнулся с таким подходом спустя несколько лет после открытия, когда спросил своего учителя по физике, в чём тут может быть дело. „Видимо, это какая-то специальная физика Мпембы, а не общая физика“, — отшутился тот.

        К счастью, однажды в школе побывал Деннис Осборн, профессор физики из университета Дар-эс-Салама. И Мпемба обратился к нему с тем же вопросом. Профессор был настроен менее скептически, сказал, что он не может судить о том, чего никогда не видел, и по возвращении домой попросил сотрудников провести соответствующие эксперименты. Похоже, они подтвердили слова мальчика. Во всяком случае, в 1969 году Осборн рассказал о работе с Мпембой в журнале „Physics Education“. В том же году Джордж Келл из канадского Национального исследовательского совета опубликовал статью с описанием явления в „American Journal of Physics“.

        В обоих сообщениях было отмечено, что эффект Мпембы, вообще говоря, хорошо известен людям, не связанным с наукой. Сам Келл, чьи соотечественники имеют огромный опыт наблюдения за замерзанием воды, пишет: „Поговаривают, что машину в мороз не следует мыть горячей водой, поскольку она замёрзнет быстрее“. Мпемба, в свою очередь, отмечает, что мороженщики в Танзании действительно предпочитают охлаждать в холодильнике горячее молоко, поскольку так мороженое получается быстрее. С другой стороны, публикация 1969 года в „New Scientist“ статьи об эффекте Мпембы породила множество анекдотов про то, как труба с горячей водой лопалась на морозе, а холодная вода продолжала течь по своей трубе.

        Как бы то ни было, современные исследователи эффекта Мпембы оказались в хорошей компании. Аристотель в 350 году до н. э. писал в своей „Метеорологии“: „Если воду предварительно нагреть, то это скажется на скорости её затвердевания, поскольку остынет она быстрее“. Роджер Бэкон в XIII веке поставил этот результат под сомнение, однако Фрэнсис Бэкон в XVII веке утверждал, что „слегка нагретая вода лучше застывает, чем весьма холодная.  Примерно в то же время Рене Декарт тщательнейшим образом изучил процесс замерзания воды, обнаружил аномалию плотности при четырёх градусах и отметил, что „вода, которую долго грели, замерзает быстрее, чем всякая другая“. Что это было? Плохая постановка эксперимента? Тогда почему никто не может поставить хороший и решить вопрос раз и навсегда? Потому что всё не так просто. Первая трудность заключена в самой формулировке проблемы: „горячая вода застывает быстрее холодной“. Для большей точности Монвеа Джен предлагает изменить её. „Существует такая область начальных параметров и такие пары температур, что из двух порций воды с идентичными параметрами и разными температурами первой застынет та, что горячее“.

        Действительно, существует множество параметров, которые могут сказываться на скорости замерзания. Наиболее очевидные — объём используемой воды, размер и форма сосуда, температура холодильника. Это обстоятельство даёт широкий простор для деятельности экспериментаторов, которые, изменяя форму сосудов, объём воды и тип холодильника, способны построить многомерный массив данных, а потом его проанализировать. Существует также серьёзная методическая проблема: что считать точкой замерзания? Появление первого кристалла или полное исчезновение жидкости? „И то, и другое трудно зафиксировать, особенно когда опыт проходит в холодильнике“, — говорит Чарльз Найт из американского Национального центра атмосферных исследований. Видимо, эти сложности привели к тому, что эффект Мпембы остаётся до сих пор столь же загадочным, как и сорок лет назад. Многие исследователи пытались внести ясность, но ничего путного у них не получилось. Например, в 1977 году Джерл Уокер опубликовал в „Scientific American“ заметку с результатами своих опытов по охлаждению воды до 0°C. В некоторых из них эффект Мпембы проявлялся, причём даже воспроизводился, однако порой возникали сильные отклонения от построенных кривых. „Я не могу разрешить возникающие противоречия“, — честно признается автор.

        Ответ на этот вопрос  так и не получен. Причём не получен он в мировом масштабе, о чём свидетельствует статья Филипа Болла, известного популяризатора науки (см. „Химию и жизнь“, 2005, № 8), опубликованная в апрельском номере журнала „Physics World“ за этот год.

        Из анализа данных материалов вытекает следующее:

        1.           Эффект Мпембы заключается в том, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.

        2.           Данный эффект не всегда подтверждается экспериментами,  в одних случаях данный эффект наблюдается в других нет.

        3.           Эффект Мпембы наблюдается лишь при определенных условиях  „Существует такая область начальных параметров и такие пары температур, что из двух порций воды с идентичными параметрами и разными температурами первой застынет та, что горячее“.

        4.           Некоторые примеры из жизни подтверждают наличие данного эффекта.

        Вместе с тем, возникает и ряд вопросов:

        1.           Неясны условия, при которых Мпемба проводил свой опыт.

        2.           Непонятно, что замораживал Мпемба – горячее молоко, горячий сок или смесь воды с вареньем.

        3.           Неизвестны параметры жидкости, которую замораживал кенийский школьник (объем жидкости, начальные температуры  жидкостей, температура замораживания).

        4.           Непонятно, что наблюдалось в результате данного опыта - охлаждение жидкости или  полное замерзание жидкости.

        2.           Цели работы и задачи работы:

         

        Цель работы: проверка эффекта Мпембы в домашних условиях

        Задачи:

        1. изучить процесс охлаждения и замерзания воды(количество теплоты, которое выделяется при охлаждении, удельная теплоемкость воды, зависимость удельной теплоемкости воды от плотности, процесс кристаллизации, температура кристаллизации, зависимость температуры замерзания от плотности воды).

        2. разработать методику проведения эксперимента.

        3. обобщить полученные результаты.

        4. выводы.

        3. Методика исследования.

        Оборудование:

        Штатив, калориметр, термометр, секундомер, холодильник (температура в морозильной камере -14оС)

        Порядок выполнения роботы:

        1.     В калориметр наливали горячую или холодную воду.

        2.     Измеряли температуру воды в калориметре и поставили в холодильник, включали секундомер.

        3.     Через каждые 600 секунд замеряли температуру и заносили результаты в таблицу.

        4.      После того как вода в обоих контейнерах покрывалась плёнкой льда обобщали результаты, делали вывод.

        4. Результаты наблюдений

        Введем некоторые обозначения:

        Тн – начальная температура

        Тк – конечная температура

        ?t – время охлаждения до температуры замерзания

        ?Q – количество теплоты, которое выделяется при охлаждении до температуры замерзания

        (?Q/?t) – скорость охлаждения, количество теплоты, выделяемое в единицу времени, (Дж/с)

        (?Т/?t) – скорость изменения температуры в единицу времени, (Т/с)

        Опыт 1.

        Масса воды, m=0,2 кг, без примесей

        Таблица № 1

        состояние

        Тн, К

        Тк, К

        ?t, с

        ?Q, Дж

        ?Q/?t, Дж/с

        ?Т/?t, К/с

        холодная

        288

        273

        6000

        12600

        3,00

        0,0036

        горячая

        360

        273

        9000

        73080

        8,12

        0,0096

         Диаграмма №1

        Таблица № 2

        Динамика изменения температуры

        t, с

        ?Т1

        ?Т2

        600

        -4

        -27

        1200

        -3

        -19

        1800

        -2

        -3

        2400

        -2

        -7

        3000

        -2

        -6

        3600

        0

        -5

        4200

        -1

        -5

        4800

        -1

        -2

        5400

        0

        -3

        6000

        0

        -2

        6600

        0

        -2

        7200

        0

        -3

        7800

        0

        -1

        8400

        0

        0

        9000

        0

        0

           Опыт 2.

        Масса воды, m=0,2 кг

        Таблица № 3

        состояние

        Тн, К

        Тк, К

        ?t, с

        ?Q, Дж

        ?Q/?t, Дж/с

        ?Т/?t, К/с

        холодная

        288

        273

        6000

        12600

        3,00

        0,0036

        горячая

        314

        273

        7800

        34400

        4,41

        0,0052

         

         

        Диаграмма №2

         

        Таблица № 4

        Динамика изменения температуры

        t, с

        ?Т1

        ?Т2

        600

        -4

        -8

        1200

        -3

        -7

        1800

        -2

        -10

        2400

        -2

        -3

        3000

        -2

        -3

        3600

        0

        -3

        4200

        -1

        -2

        4800

        -1

        -1

        5400

        0

        -2

        6000

        0

        -1

        6600

        0

        0

        7200

        0

        0

        7800

        0

        0

         

         Опыт 3.

        Масса воды, m=0,1 кг

        Таблица № 5

        состояние

        Тн, К

        Тк, К

        ?t, с

        ?Q, Дж

        ?Q/?t, Дж/с

        ?Т/?t, К/с

        холодная

        293

        273

        4200

        16800

        4,00

        0,0047

        горячая

        314

        273

        6000

        39480

        6,58

        0,0068

        Таблица № 6

        Динамика изменения температуры

        t, с

        ?Т1

        ?Т2

        600

        -7

        -15

        1200

        -4

        -9

        1800

        -4

        -7

        2400

        -3

        -5

        3000

        -2

        -4

        3600

        -1

        -3

        4200

        0

        -3

        4800

        0

        -1

        5400

        0

        0

         

        Опыт 4.

        Масса воды, m=0,1 кг

        Таблица № 7

        состояние

        Тн, К

        Тк, К

        ?t, с

        ?Q, Дж

        ?Q/?t, Дж/с

        ?Т/?t, К/с

        холодная

        290

        273

        4200

        19320

        4,60

        0,0054

        горячая

        323

        273

        6000

        42000

        7,00

        0,0083

         Диаграмма №4

         

        Таблица № 8

        Динамика изменения температуры

        t, с

        ?Т1

        ?Т2

        600

        -6

        -13

        1200

        -3

        -8

        1800

        -2

        -7

        2400

        -3

        -6

        3000

        -2

        -5

        3600

        -1

        -2

        4200

        0

        -3

        4800

        0

        -3

        5400

        0

        -3

        6000

        0

        0

         

        Опыт 5.

        Масса воды, m=0,1 кг,10% раствор сахара

        Таблица № 9

        состояние

        Тн, К

        Тк, К

        ?t, с

        ?Q, Дж

        ?Q/?t, Дж/с

        ?Т/?t, К/с

        холодная

        292

        273

        3000

        15960

        5,32

        0,0063

        горячая

        328

        273

        4800

        46200

        9,625

        0,0114

         Диаграмма №5

        Таблица № 10

        Динамика изменения температуры

        t, с

        ?Т1

        ?Т2

        600

        -6

        -20

        1200

        -5

        -11

        1800

        -3

        -8

        2400

        -2

        -5

        3000

        -1

        -5

        3600

        0

        -3

        4200

        0

        -1

        4800

        0

        0

         

          Опыт 6.

        Масса воды, m=0,1 кг,10% раствор соли

        Таблица № 11

        состояние

        Тн, К

        Тк, К

        t, с

        Q, Дж

        Q/t, Дж/с

        Т/t, К/с

        холодная

        289

        273

        2400

        13440

        5,6

        0,0066

        горячая

        327

        273

        4800

        45360

        9,45

        0,0113

         Диаграмма №6

        Таблица № 12

        Динамика изменения температуры

        t, с

        ?Т1

        ?Т2

        600

        -7

        -15

        1200

        -4

        -14

        1800

        -3

        -10

        2400

        -2

        -4

        3000

        0

        -4

        3600

        0

        -4

        4200

        0

        -2

        4800

        0

        -1

        5.Выводы

        1. При проведении  ряда экспериментов с разными объёмами воды и разными начальными температурами эффект Мпембы не наблюдался.

        2. Горячая вода остывает быстрее некоторый промежуток времени. Исходя из полученных результатов, получается, что горячая вода остывает быстрее на участке времени до точки соответствующей  начальной температуры холодной воды (смотри рисунок 1).

        Рис. 1.

        Объяснить данный факт можно на основе молекулярно-кинетической теории (МКТ). В начальный момент времени, температура горячей воды больше, чем холодной, следовательно, средняя кинетическая энергия молекул воды 12Ek'> = 1232kT'>  больше, чем холодной. Отсюда следует, что в горячей воде большее количество молекул обладает достаточной энергией, чтобы совершить работу А=Fn*?l=d*l* ?l против сил поверхностного натяжения воды и покинуть жидкость, тем более что коэффициент поверхностного натяжения воды d= 12Fnl'>  у горячей воды меньше, чем у холодной, так как с увеличением  Т коэффициент d уменьшается. Значит большее количество «горячих» молекул воды вступает во взаимодействие с «холодными» молекулами воздуха холодильной камеры и теплообмен между ними происходит более интенсивно. Потеряв энергию молекулы воды,  возвращаются в жидкость,  и здесь происходит теплообмен между поверхностным «холодным» слоем жидкости и «горячими» слоями жидкости, то есть осуществляется теплообмен, который заключается в  переносе теплоты  от более горячего слоя с температурой T2  к более холодному, температура которого  T1. В соответствии с законом Фурье: ?Q=-x 12dTdx'> ?S?t теплота ?Q  переносимая через элемент площади ?S за время ?t , пропорциональна градиенту температуры 12dTdx'> , площади ?S  и времени ?t, где ? - коэффициент теплопроводности, который равен: ?= 1213vСЃСЂ.ар Рё фмλ'> ? 12РЎv СѓРґ.'>

           Значит,  теплообмен между слоями жидкости у горячей воды происходит более интенсивно. Таким образом, некоторый промежуток времени теплообмен между жидкостью и воздухом и между слоями жидкости происходит более интенсивно у горячей воды, и некоторое время, температура горячей воды понижается быстрее, чем холодной. Постепенно интенсивность теплообмена между жидкостью и воздухом и между слоями жидкости уменьшается, и при температуре соответствующей начальной температур холодной воды и даже чуть меньше (следствие «инерции теплообмена»), наступает состояние устойчивого равновесия, то есть теплообмена.

        6.Заключение.

                        Есть несколько вариантов объяснения этого эффекта:

        1.     Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объем, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. В герметичных контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.

        2.      Наличие снеговой подкладки в морозилке холодильника. Контейнер с горячей водой протаивает под собой снег, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозилки. Контейнер с холодной водой не протаивает под собой снег. При отсутствии снеговой подкладки контейнер с холодной водой должен замерзать быстрее.

        3.     Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу. При дополнительном механическом перемешивании воды в контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.

        4.     Наличие центров кристаллизации в охлаждаемой воде — растворенных в ней веществ. При малом количестве таких центров превращение воды в лед затруднено и возможно даже ее переохлаждение, когда она остается в жидком состоянии, имея минусовую температуру. При одинаковом составе и концентрации растворов холодная вода должна замерзать быстрее.

        Примечание:

        знак ? - дельта

        7.Список литературы

        Филип Болл «Глядя в замёрзшую воду»// Physics World. - Апрель 2005г.

        Эффект Мпембы// http://en.wikipedia.org/wiki/Mpemba_effect .

        Парадокс Мпембы// http://wsyachina.narod.ru/physics/mpemba.html

        Возврат

      • ШНО "Эврика"

        Каталог@MAIL.RU - каталог ресурсов интернет

        Rambler's Top100


        Наверх

      • Счетчик тИЦ и PRЯндекс цитирования     Яндекс.Метрика           Rambler's Top100  Анализ интернет сайта  
        X