Експерименти з вивчення особливостей кипіння води

1. Хід уроку
2. 2.Із Китайської церемонії чаювання.
3. 3.Експеріменти зі спостереження процесу кипіння.

розділи: фізика , Конкурс «Презентація до уроку»

Завантажити презентацію (31,4 МБ)

Увага! Попередній перегляд слайдів використовується виключно в ознайомлювальних цілях і може не давати уявлення про всі можливості презентації. Якщо вас зацікавила дана робота, будь ласка, завантажте повну версію.

Хід уроку

1.Стадіі кипіння води.

Кипіння - перехід рідини в пару, що відбувається з освітою в об'ємі рідини бульбашок пари або парових порожнин. Бульбашки ростуть внаслідок випаровування в них рідини, спливають, і що міститься в бульбашках насичений пар переходить в парову фазу над рідиною.

Кипіння починається, коли при нагріванні рідини тиск насиченої пари над її поверхнею стає рівним зовнішньому тиску. Температура, при якій відбувається кипіння рідини, що знаходиться під постійним тиском, називається температурою кипіння (Ткип). Для кожної рідини температура кипіння має своє значення і в стаціонарному процесі кипіння не змінюється.

Строго кажучи, Ткип відповідає температурі насиченої пари (температурі насичення) над плоскою поверхнею киплячій рідини, так як сама рідина завжди кілька перегріта щодо Ткип. При стаціонарному кипінні температура киплячої рідини не змінюється. З ростом тиску Ткип збільшується

1.1.КЛАССИФИКАЦИЯ процесів кипіння.

Кипіння класифікують за такими ознаками:

1)

бульбашкової і плівкове.

Кипіння, при якому пара утворюється у вигляді періодично зароджуються і ростуть бульбашок, називається бульбашковим кипінням. При повільному бульбашкової кипінні в рідини (а точніше, на стінках або на дні посудини) з'являються бульбашки, наповнені паром.

При збільшенні теплового потоку до деякої критичної величини окремі бульбашки зливаються, утворюючи біля стінки судини суцільний паровий шар, періодично прориваються в обсяг рідини. Такий режим називається плівковим.

Якщо температура дна судини значно перевищує температуру кипіння рідини, то швидкість утворення бульбашок на дні стає настільки великою, що вони об'єднуються разом, утворюючи суцільну парову прошарок між дном посудини і безпосередньо самої рідиною. В цьому режимі плівкового кипіння тепловий потік від нагрівача до рідини різко падає (парова плівка проводить тепло гірше, ніж конвекція в рідини), і в результаті швидкість википання зменшується. Режим плівкового кипіння можна спостерігати на прикладі краплі води на розпеченій плиті.

2)

по виду конвекції біля поверхні теплообміну? при природної і вимушеної конвекції;

При нагріванні вода поводиться нерухомо, і теплота від нижніх шарів до верхніх передається за допомогою теплопровідності. У міру нагрівання, проте, характер теплопередачі змінюється, оскільки запускається процес, який прийнято називати конвекцією. Нагріваючись поблизу дна, вода розширюється. Відповідно, питома вага придонному розігрітій води виявляється легше, ніж вага рівного об'єму води в поверхневих шарах. Це призводить всю водну систему всередині каструлі в нестабільний стан, яке компенсується за рахунок того, що гаряча вода починає спливати до поверхні, а на її місце опускається більш прохолодна вода. Це вільна конвекція. Під час вимушеної конвекції теплообмін створюється з допомогу перемішування рідини і рух у воді створюється за штучним теплоносієм-мішалкою, насосом, вентилятором тощо.

3)

по відношенню до температури насичення? без недогріву і кипіння з недогріву. При кипінні з недогріву бульбашки повітря ростуть біля основи судини, відриваються і схлопиваются. Якщо недогріву немає, то бульбашки відриваючись, ростуть і спливають на поверхню рідини.

4)

по орієнтації поверхні кипіння в просторі? на горизонтальних похилих і вертикальних поверхнях;

Деякі верстви рідини безпосередньо прилягають до більш гарячої теплообмінної поверхні, нагріваються вище і піднімаються як більш легкі пристінні уздовж вертикальної поверхні. Таким чином, уздовж гарячої поверхні виникає безперервний рух середовища, швидкість якої визначає інтенсивність теплообміну поверхні з основною масою практично нерухомою середовища

5)

за характером кипіння? розвинене і нерозвинене, нестійке кипіння;

З ростом щільності теплового потоку зростає коефіцієнт пароутворення. Кипіння переходить в розвинене бульбашкової. Збільшення частоти відриву призводить до того, що бульбашки наздоганяють одне одного і зливаються. Зі збільшенням температури поверхні нагріву число центрів паротворення різко зростає, все більша кількість відірвалися бульбашок спливає в рідині, викликаючи її інтенсивне перемішування. Таке кипіння носить розвинений характер.

1.2.Разделеніе процесу кипіння за стадіями.

Кип'ятіння води являє собою складний процес, що складається з чотирьох ясно відмітних одна від одної стадій.

Перша стадія починається з проскакування з дна чайника маленьких бульбашок повітря, а також появи груп бульбашок на поверхні води біля стінок чайника.

Друга стадія характеризується збільшення обсягу бульбашок. Потім поступово кількість бульбашок, що виникають у воді і рвуться на поверхню, все більше збільшується. На першій стадії кипіння чуємо тонкий, ледь помітний сольний звук.

Третя стадія кипіння характерна масовим стрімким підйомом бульбашок, які викликають спочатку легке помутніння, а потім навіть "побіління" води, нагадуючи собою швидко біжить воду джерела. Це так зване кипіння "білим ключем". Воно - вкрай нетривалий. Звук стає схожим на шум невеликого бджолиного рою.

Четверта - це інтенсивне нуртування води, поява на поверхні великих міхурів, що лопаються, а потім бризканням. Бризки будуть означати, що вода дуже сильно перекипіла. Звуки різко посилюються, але їх рівномірність порушується, вони ніби прагнуть випередити один одного, наростають хаотично.

2.Із Китайської церемонії чаювання.

На сході ставлення до чаювання особливу. У Китаї і Японії чайна церемонія була частиною зустрічей філософів і художників. Під час традиційного східного чаювання вимовлялися мудрі мови, розглядалися твори мистецтва. Чайна церемонія спеціально оформлялася для кожної зустрічі, підбиралися букети квітів. Використовувалася спеціальна посуд для заварки чаю. Особливе ставлення було до води, яка бралася для заварювання чаю. Важливо правильно закип'ятити воду, звертаючи увагу на "цикли вогню", які сприймаються і відтворюються в окропі. Вода не повинна доводитись до бурхливого кипіння, так як в результаті цього йде енергія води, яка, з'єднуючись з енергією чайного листа, і виробляє в нас шукане чайне стан.

Є чотири стадії зовнішнього вигляду окропу, які відповідно називаються "риб'яче око", "Краб очей", "перлинні нитки" і "вируючий джерело". Цим чотирьом стадіям відповідають чотири характеристики звукового супроводу закипання води: тихий шум, середній шум, шум і сильний шум, яким в різних джерелах теж іноді даються різні поетичні назви.

Крім того, відстежують і стадії утворення пари. Наприклад, легкий серпанок, туман, густий туман. Туман і густий туман вказують на переспілі окропу, який вже не підходить для заварювання чаю. Вважається, що енергія вогню в ньому вже настільки сильна, що придушила енергію води, і в результаті вода не зможе належним чином увійти в контакт з чайним листом і дати відповідну якість енергії людині, хто п'є чаю.

В результаті правильного заварювання отримуємо смачний чай, заварювати який водою, не нагрітої до 100 градусів, можна кілька разів, насолоджуючись тонкими відтінками присмаку від кожного нового заварювання.

-

У Росії стали з'являтися чайні клуби, які прищеплюють культуру чаювання Сходу. У чайної церемонії, яка називається Лу Юй, або кип'ятіння води на відкритому вогні можна спостерігати всі стадії кипіння води. Такі експерименти з процесом кипіння води можна провести в домашніх умовах. Пропоную кілька експериментів:

- зміни температури на дні посудини і на поверхні рідини;
зміна температурної залежності стадій кипіння води;
- зміна обсягу киплячої води з плином часу;
- розподілу температурної залежності від відстані до поверхні рідини.

3.Експеріменти зі спостереження процесу кипіння.

3.1. Дослідження температурної залежності стадій кипіння води.

Проводилося вимірювання температури на всіх чотирьох стадіях кипіння рідини. Були отримані наступні результати:

- перша стадія кипіння води (РИБ'ЯЧИЙ ОКО) тривала з 1-ої по 4-ий хвилини. Бульбашки на дні з'явилися при температурі 55 градусів (фото 1).

Фото1.

- друга стадія кипіння води (краби ОКО) тривала С5-ой По7-ую хвилини при температурі близько 77 градусів. Дрібні бульбашки на дні збільшувалися в обсязі, нагадуючи очі краба. (Фото 2).

Фото 2.

- третя стадія кипіння води (перлової нитки) тривала з 8-ої по10-ую хвилини. Безліч дрібних бульбашок утворювали перлової нитки, які піднімалися до поверхні води, не досягаючи її. Процес почався при температурі в 83 градусів (фото 3).

Фото 3.

- четверта стадія кипіння води (вируючий ДЖЕРЕЛО) тривала з 10-ій по12-ую хвилини. Бульбашки росли, піднімалися на поверхню води, і лопалися, створюючи бурління води. Процес проходив при температурі 98 градусів (фото 4). Фото 4.

Фото 4.

3.2. Дослідження зміни обсягу киплячої води з плином часу.

З плином часу, обсяг окропу змінюється. Початковий обсяг води в каструлі становив 1 л. Через 32 хвилини обсяг зменшився вдвічі. Це добре видно на фото 5, відзначено червоними крапками.

Фото 5.

Фото 6.

За наступні 13 хвилин кипіння води її об'єм зменшився на одну третину, ця лінія так само відзначена червоними крапками (фото 6).

За результатами вимірювань було отримано завісімостьізмененія обсягу киплячої води з плином часу.

Залежність зміни обсягу киплячої води від часу. Вимірювання 1 2 3 4 5 6 7 8 Обсяг, л 1 0.75 0.50 0.25 0.125 0.08 0.04 0 Час, хв 0 16 32 45 50 65 69 80

Рис.1. Графік зміни обсягу киплячої води від часу

Висновок: Зміна обсягу обернено пропорційно часу кипіння рідини (рис.1) до тих пір, поки від початкового об'єму не осталось1 / 25 частина. На останній стадії зменшення обсягу сповільнилося. Тут грає роль режим плівкового кипіння. Якщо температура дна судини значно перевищує температуру кипіння рідини, то швидкість утворення бульбашок на дні стає настільки великою, що вони об'єднуються разом, утворюючи суцільну парову прошарок між дном посудини і безпосередньо самої рідиною. В цьому режимі скоростьвикіпанія рідини зменшується.

3.3. Дослідження розподілу температурної залежності від відстані до поверхні рідини.

У киплячій рідини встановлюється певний розподіл температури (рис 2), у поверхні нагрівання рідина помітно перегріта. Величина перегріву залежить від ряду фізико-хімічних властивостей і самої рідини, а так же граничних твердих поверхонь. Ретельно очищені рідини, позбавлені розчинених газів (повітря), можна при дотриманні особливих запобіжних заходів перегріти на десятки градусів.

Мал. 2.Графік залежності зміни температури води на поверхні від відстані до поверхні нагрівання.

За результатами вимірювань можна отримати графік залежності зміни температури води від відстані до поверхні нагрівання.

Висновок: зі збільшенням глибини рідини температура менше, причому на невеликих відстанях від поверхні до 1 см температура різко зменшується, а потім майже не змінюється.

3.4.Ісследованіе зміни температури на дні посудини і у поверхні рідини.

Було проведено 12 вимірювань. Воду нагрівали від температури 7 градусів до моменту закипання. Вимірювання температури проводилися через кожну хвилину. За результатами вимірювання було отримано два графіка зміни температури біля поверхні води і на дні.

Ріс.3.Табліца і графік за результатами спостережень. (Фото автора)

Висновки: зміна температури води на дні посудини і на поверхні по-різному. На поверхні температура змінюється строго за лінійним законом і досягає температури кипіння пізніше на три хвилини, ніж на дні. Це пояснюється тим, що на поверхні рідина стикається з повітрям і віддає частину своєї енергії, тому прогрівається не так, як на дні каструлі.

Висновки за результатами роботи.

Було з'ясовано, що вода при нагріванні до температури кипіння проходить три стадії, що залежать від теплообміну усередині рідини з утворенням і зростанням всередині рідини бульбашок пари. При спостереженні за поведінкою води відзначені характерні особливості кожної стадії.

Зміна температури води на дні посудини і на поверхні по-різному. На поверхні температура змінюється строго за лінійним законом і досягає температури кипіння пізніше на три хвилини, ніж на дне.Ето пояснюється тим, що на поверхні рідина стикається з повітрям і віддає частину своєї енергії.

Так само було визначено експериментально, що зі збільшенням глибини рідини температура менше, причому на невеликих відстанях від поверхні до 1 см температура різко зменшується, а потім майже не змінюється.

Процес кипіння відбувається з поглинання теплоти. При нагріванні рідини більша частина енергії йде на розрив зв'язків між молекулами води. При цьому розчинений у воді газ виділяється на дні і стінках посудини, утворюючи повітряні бульбашки. Досягнувши певних розмірів, бульбашка піднімається на поверхню і схлопивается з характерним звуком. Якщо таких бульбашок багато, то вода "шипить". Бульбашка повітря піднімається на поверхню води і лопається, якщо виштовхуюча сила, більше сили тяжіння. Кипіння являє собою безперервний процес, при кипінні температура води дорівнює 100 градусів і не змінюється в процесі википання води.

література

1. В.П. Ісаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел "Теплопередача" М .: Енергія тисяча дев'ятсот шістьдесят дев'ять
2. Френкель Я.І. Кінетична теорія рідин. Л., 1975
3. Крокстон К. А. Фізика рідкого стану. М., 1987
4. П.М. Куреннова "Російський Народний Лечебник".
5. Буздин А., Сорокін В., Кипіння рідин. Журнал "Квант", N6, 1987
6. http://aquaterm.ur.ru
7. www.buyda.ru/Danses/boiling.htm
8. [email protected]
9. http://www.shaku-wind.ru/another_tea.html

18.02.2011