Дослідження теплового розширення води

Чернецький Ігор
Автор Чернецький Ігор
Завідувач відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «Мала академія наук України», кандидат педагогічних наук, голова Всеукраїнської громадської організації «Асоціація учителів фізики “Шлях освіти – ХХІ”». Наукові інтереси: моделювання освітніх та навчальних середовищ загальноосвітніх і позашкільних навчальних закладів з урахуванням трендів розвитку сучасних засобів навчання.
Рівень складності Середній
Рівень небезпеки Безпечно
Доступність використовуваних матеріалів На рівні шкільного обладнання
Орієнтовний час на виконання роботи До 1 години

Блок 1. Резюме

Проект є прикладом виконання дослідницької роботи, присвяченої тепловому розширенню води.

Мета роботи: отримати графічну залежність коефіцієнта об’ємного розширення води від температури та дослідити поведінку води на ділянці аномального розширення.

Завдання роботи:

  1. Зібрати установку для виконання дослідження.
  2. Отримати графічну залежність коефіцієнта об’ємного розширення води від температури.
  3. Отримати графічну залежність об’єму води у піпетці об’ємом 1 мл від температури на ділянці від 0ºС до 5ºС.

Блок 2. Попередня інформація

Рис. 1. Експериментальна установка для дослідження теплового розширення води

Поведінка води під час зміни її температури визначається внутрішньою будовою зв’язків між її молекулами. Просторова будова молекули води схожа на трикутник, у вершинах якого розміщені атом оксигену та два атоми гідрогену. Якщо вода перебуває у твердій фазі, між окремими молекулами встановлюються водневі зв’язки, що визначають чітке просторове розміщення молекул. Просторова структура льоду нагадує бджолині соти, в яких багато пустот. Розміри цих пустот порівнюються з розміром молекул води. При такому розміщенні об’єм води буде значним. Відповідно густина води в цьому стані найменша – 900 кг/м3. При підвищенні температури ці зв’язки поступово руйнуються і частина молекул заповнює простір між збереженими острівцями впорядкованості. У діапазоні температур від 0ºС до 4ºС процес заповнення простору між молекулами переважає над термодинамічним розширенням за рахунок зростання теплового руху часток. Тому густина зростає. Найбільшого значення густина води набуває за температури 3,98°С. Цей факт отримав назву теплової аномалії розширення води.  Після 4ºС об’єм води починає зростати. Однак темп його збільшення не підпорядковується лінійному закону. Характер теплового розширення тіл кількісно виражає коефіцієнт об’ємного розширення, що обчислюється за виразом:

 (1),

де ΔV  – зміна об’єму рідини, V – загальний початковий об’єм рідини, Δt– зміна температури рідини.

У цій роботі пропонується визначити залежність температурного коефіцієнта об’ємного розширення води від температури в різних діапазонах та побудувати цю залежність графічно.

Для унаочнення теплової аномалії води також пропонується отримати графічну залежність об’єму води в піпетці від температури в діапазоні температур від 0ºС до 5ºС.

Блок 3. Обладнання

Тригорла сферична колба об’ємом 0,5 л, корки з отворами, цифровий термометр, одноразовий шприц, піпетки на 5 мл та на 1 мл, мірний циліндр, пластикова посудина, магнітний перемішувач, штатив, лід, кухонна сіль, ємність для змішування.

Програмне забезпечення: Microsoft Excel.

Блок 4. Експериментальна процедура

Зберіть експериментальну установку, зображену на рис. 1. Для цього спочатку помістіть якір магнітного перемішувача в колбу. Далі  використайте піпетку об’ємом 5 мл, закріпивши її у корку. Заповніть тригорлу колбу дистильованою водою так, щоб під корками не було бульбашок повітря. Під час заповнення виміряйте точний об’єм води в колбі (у нашому випадку об’єм склав 675 мл). Занотуйте виміряне значення об’єму до Таблиці 1. Установіть колбу у пластикову посудину. Приєднайте температурний датчик до цифрового термометра. Увімкніть термометр та виміряйте початкову температуру води. Заповніть колонку Таблиці 1 значеннями температури від 0ºС до виміряного вами значення з кроком у 1ºС. Увімкніть мішалку та перевірте, чи буде обертатися якір. За допомогою шприца встановіть рівень стовпчика води у піпетці навпроти позначки 5 мл. В окремій посудині змішайте кухонну сіль із льодом у співвідношенні мас орієнтовно 1:15.

Заповніть простір у пластиковій посудині навколо колби отриманою сумішшю. Увімкніть перемішувач.

Фіксуйте з кроком в 1ºС рівень води в піпетці та занотовуйте ці значення до Таблиці 1.

Для спостереження аномального розширення води повторіть попередні кроки, замінивши піпетку об’ємом 5 мл на піпетку в 1 мл. Початкова температура води для досліду має становити 6-7ºС. Початковий рівень води доберіть за допомогою шприца навпроти найвищої поділки на піпетці. Занотуйте отримані значення до Таблиці 2.

Якщо експеримент неможливо виконати власноруч, використайте дані з ресурсу.

Блок 5. Аналіз отриманих даних

Таблиця 1

V (мл) C Vпіпет (мл) V (мл) β (10-6/ºС)
  0      
1      
2      
3      
     

У Таблиці 1 розрахуйте за допомогою інструментів математичних таблиць значення коефіцієнта об’ємного розширення β за формулою (1) для всіх сусідніх пар значень температури. Побудуйте графічну залежність коефіцієнта об’ємного розширення від температури.

Таблиця 2

C Vпіпет (мл)
0  
1  
2  
3  
 

За даними Таблиці 2 побудуйте графічну залежність об’єму води в піпетці об’ємом 1 мл від температури.

Блок 6. Напрями розвитку

Повторіть експеримент за умови не охолодження води в колбі, а її нагрівання від 0ºС до кімнатної температури.