Мороженое, лёд, Аккумулятор холода: В чём соль?

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Гимназия № 56» (МАОУ «Гимназия № 56») КРУЧИНСКИЙ ИЛЬЯ, 4 «В» КЛАССНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ ДЬЯЧКОВА ТАТЬЯНА ВАЛЕРЬЕВНА МОРОЖЕНОЕ, ЛЁД, АККУМУЛЯТОР ХОЛОДА: В ЧЁМ СОЛЬ?

ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ, ОБЪЕКТ И ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ ЦЕЛЬ: выяснить как влияет добавление соли в воду на процесс и температуру ее замораживания в домашних условиях, оценить возможности практического применения в повседневной жизни. ЗАДАЧИ: 1) изучить литературу по данной теме; 2) рассмотреть виды и свойства соли, солевого раствора; 3)собрать модели аккумулятора холода с использованием разных видов охлаждающих жидкостей (вода и солевой раствор); 4) провести эксперименты по замораживанию разных солевых растворов и приготовлению мороженого с помощью соли. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ: соль и солевой раствор, их свойства и возможности в процессе замораживания в домашних условиях. ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ: влияние соли на процесс замораживания воды и аккумулирования холода.

ГИПОТЕЗА, МЕТОДЫ И ЭТАПЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИПОТЕЗА ИССЛЕДОВАНИЯ: Добавление соли в воду меняет ее свойства и влияет на процесс замораживания и аккумулирования холода. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ: 1) методы сбора и обобщения информации; 2) методы моделирования; 3) метод эксперимента и сравнительного анализа полученных результатов. ЭТАПЫ ИССЛЕДОВАНИЯ: 1) подготовительный – поиск и обработка информации; 2) исследовательский – проведение эксперимента, сравнение и фиксация результатов, конструирование модели аккумулятора холода.

СОЛЬ – ГАЛИТ – ХЛОРИД НАТРИЯ. СВОЙСТВА СОЛИ СОЛЬ – белое кристаллическое минеральное вещество со специфическим вкусом, встречающееся в природе. В химии – хлоридом натрия NaCl – хлористый натрий – натриевая соль соляной кислоты. В минералогии соль называют галитом. В быту – поваренной или пищевой солью. ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СОЛИ 1. Твердое вещество, состоит из кристаллов 5. Растворяется в воде 2. Сыпучее вещество 6. Без запаха 3. Белый цвет, имеет характерный блеск 7. Вступает в реакцию со многими веществами 4. Соленый вкус 8. Не горит

СОЛЬ – ГАЛИТ – ХЛОРИД НАТРИЯ Обычно соль белая или прозрачная. Но бывает розовая, голубая, серая и даже черная – из-за разных дополнительных элементов в составе. Розовая соль (крымская или гималайская) – содержит микроводоросли Dunaliella salina, минерал полигалит По цвету: Чёрная соль фактически красно-серая, в составе примеси железа, сероводорода, йода, калия и серы Голубая персидская соль – голубой цвет придает структура кристалла соли и минерал сильвинит.

КРИСТАЛИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА ХЛОРИД НАТРИЯ Хлорид натрия (масштабная модель) Хлорид натрия (шаростержневая модель) Все кристаллы поваренной соли имеют одинаковую форму – форму КУБА. Ионы натрия Na+ и хлора Cl мало отличаются по размерам, в узлах кристаллической решётки они определяют кубическую форму кристаллов.

В ЧЕМ СОЛЬ? ВСЯ СОЛЬ В РАСТВОРЕ СОЛЬ, являясь химическим соединением, взаимодействует с молекулами воды. КАК ЭТО ВЛИЯЕТ НА ПРОЦЕСС ЗАМОРАЖИВАНИЯ? Более низкая точка замерзания. Вода с солью замерзает при температуре ниже 0°С. 2. Изменение структуры льда. Соль образует кристаллы внутри льда. Структура льда становится менее плотной, более вязкой и мягкой. 3. Свойства льда. Лед менее прозрачный и более хрупким.

ФЕНОМЕН «ЛЕДНИКОВОГО ЭФЕКТА» Когда соль (поваренная соль, NaCl) растворяется в воде, молекулы соли становятся окружены молекулами воды. Возникают электростатические взаимодействия между зарядами соли и зарядами воды. Они приводят к образованию гидратной оболочки вокруг молекул соли, она затрудняет процесс кристаллизации воды и снижает температуру, при которой начинается замерзание. При замораживании соленой воды происходит интересный феномен – «ледниковый эффект». Вода с солью замерзает при более низкой температуре, чем чистая вода.

ПРИМЕНЕНИЕ ЗАМОРОЖЕННОЙ СОЛЕНОЙ ВОДЫ НАУКА изучение теплопередачи и кристаллизации ПРОМЫШЛЕННОСТЬ охлаждающая среда – обладает высокой теплоемкостью и может охлаждать объекты и станки при выполнении определенных процессов; очистка и обеззараживание различных поверхностей и предметов; антиобледенитель на дорогах и тротуарах. МЕДИЦИНА медицинские процедуры: криохирургия – удаление опухолей с использованием низких температур, криотерапия – лечение спортивных травм или воспалительных процессов. БЫТ замораживание и сохранение пищевых продуктов; естественная отдушка – вода для распыления в помещении, для создания ароматических льдинок.

ЭКСПЕРИМЕНТЫ Инструментарий: 1) Вода фильтрованная, вода из под крана, вода бутилированная 2) Соль (поваренная, морская, розовая гималайская) 3) Формы для замораживания 4) Пищевые продукты (сливки, сахарная пудра, ванильный сахар) Для проведения проектной части работы были использованы методы эксперимента и сравнительного анализа полученных результатов, моделирования – конструирование модели аккумулятора холода. 5) Морозильная камера, термо-сумка 6) Термометр с выносным датчиком температуры 7) Аккумулятор холода, купленный в магазине 8) Пакеты zip lock

ЭКСПЕРИМЕНТЫ С РАЗНЫМИ ВИДАМИ СОЛИ В ходе эксперимента мы планируем определить как добавление соли в воду изменяет её свойства при замораживании. ЭТАПЫ ЭКСПЕРИМЕНТА ЭТАП 1. Наполним формы для замораживания водой. ЭТАП 2. Добавим небольшое количество разных видов соли (поваренная, морская, гималайская) в отсеки для замораживания и перемешаем до полного растворения. Отметим отсеки с разными видами соли.

ЭКСПЕРИМЕНТЫ С РАЗНЫМИ ВИДАМИ СОЛИ ЭТАПЫ ЭКСПЕРИМЕНТА ЭТАП 3. Положим форму с полученными растворами в морозильную камеру и оставим на несколько часов. ЭТАП 4. Наблюдаем, что происходит с раствором в процессе замораживания, фиксируем временной интервал и делаем выводы.

ЭКСПЕРИМЕНТЫ С РАЗНЫМИ ВИДАМИ СОЛИ По данным эксперимента можно сделать следующие выводы: 1. В морозильной камере холодильника при температуре замораживания –20 0 С после 24 часов эксперимента полностью замерзли (получился плотный кубик льда) только ячейки с простой водой без добавления соли. 2. В ячейках с добавлением разного вида соли (поваренная, морская, гималайская) за 24 часа не произошло полного замерзания кубиков льда. 3. Очевидно, что соль меняет свойства воды при замораживании – понижает температуру необходимую для замораживания. 4. Структура льда в этих ячейках оказалась примерно одинаковой. Лёд получился менее прозрачным, неоднородным и более рыхлым.

ЭКСПЕРИМЕНТ «МОРОЖЕНОЕ» В ходе эксперимента мы планируем приготовить мороженое двумя способами – путем замораживания приготовленной массы традиционным способом – в морозильной камере и с помощью льда и соли. Возможности нашей морозильной камеры ограничены. Используем рабочую температуру камеры –20 0 С , замораживаем приготовленную массу в течение 4 часов. Для получения мороженого высоко качества нужно замораживать его при отрицательной температуре.

ЭКСПЕРИМЕНТ «МОРОЖЕНОЕ» Приготовим мороженое с помощью льда и соли. Для получения нужной температуры смешиваем соль со льдом. Лед начнет плавится, потому что температура замерзания раствора соли ниже, чем чистой воды. Полученная смесь становится значительно холоднее. Лёд с солью Чистый лёд Температура –15,8 0С Температура +2,8 0С

ЭКСПЕРИМЕНТ «МОРОЖЕНОЕ» ЭТАП 1: Берем два пакета zip lock большой и маленький. В маленький загружаем подготовленную смесь (сливки, сахарная пудра, ванильный сахар) и плотно закрываем. В большой пакет помещаем кубики льда и засыпаем соль в соотношении 1:1

ЭКСПЕРИМЕНТ «МОРОЖЕНОЕ» ЭТАП 2: Помещаем маленький пакет с подготовленной смесью в пакет со льдом и солью. Обязательно надеваем перчатки, так как температура в большом пакете очень низкая. Начинаем механически воздействовать на пакет со льдом, перемещая кубики по всему пространству. ЭТАП 3: Спустя 10 минут вскрываем большой пакет, достаем маленький и выкладываем полученную массу в подготовленную форму. МОРОЖЕНОЕ ГОТОВО! ЧАСТЬ ГИПОТЕЗЫ ПОДТВЕРЖДЕНА! Соль способствует понижению температуры замерзания.

КОНСТРУИРОВАНИЕ АККУМУЛЯТОРА ХОЛОДА ЭТАП 1: Берем 2 пластиковые бутылки – с простой водой и с солевым раствором. Бутылки плотно закрываем и помещаем в морозильную камеру на 24 часа при температуре около –20 °С. ЭТАП 2: Проверяем возможности аккумулирования холода каждой из моделей. Обернём бутылки полотенцем, помещаем в сумку холодильник. Фиксируем показатели с помощью установленных выносных датчиков температуры.

КОНСТРУИРОВАНИЕ АККУМУЛЯТОРА ХОЛОДА ЭТАП 3: Будем измерять показания температуры в течение 450 минут (7,5 часа) и сравним показатели аккумуляторов холода, сделанных в домашних условиях с разными типами жидкости, с аккумулятором холода, купленном в магазине. Зафиксируем показатели. Т, час Температура, 0С Вода (аккум.) Температура, 0С Соль (аккум.) Температура, 0С аккум. холода 0,0 1,8 -9,2 -6,6 0,5 4,4 -8,5 -0,3 1,0 4,7 -7,6 2,4 1,5 4,8 -6,7 3 2,0 4,8 -5,5 3,1 2,5 4,9 -4,9 3,1 3,0 4,9 -3,8 3,1 3,5 5 -2,2 3,1 4,0 5 -1,5 3,2 4,5 5,1 -0,8 3,2 5,0 5,1 0 3,2 5,5 5,2 1,4 3,3 6,0 5,3 2,6 3,3 6,5 5,4 4,8 3,3 7,0 5,6 7,5 3,3 7,5 5,7 10 3,3

КОНСТРУИРОВАНИЕ АККУМУЛЯТОРА ХОЛОДА График 1 – Зависимость температуры от времени

ГИПОТЕЗА ПОДТВЕРЖДЕНА В результате проведенного исследования и экспериментов были подтверждены все составляющие гипотезы – добавление соли в воду меняет ее свойства и влияет на процесс замораживания и аккумулирования холода: 1. при наличии соли, вода замерзает при более низких температурах, чем 0 0С, а значит это свойство можно применить при создании аккумуляторов холода; 2. нарушает кристаллическую решетку воды и делает ее менее устойчивой – это означает, что вода может оставаться жидкой при более низких температурах. Это свойство активно используется для борьбы с обледенением дорог зимой; 3. меняет структуру льда – лёд становится менее прозрачным, неоднородным и более рыхлым. 4. аккумулятор холода с соленой водой в сравнении с купленным в магазине удерживает отрицательную температуру в течение 5 часов.