Проектная работа по физике на тему "Гейзер-как природный источник"

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение дополнительного образования  «Станция юных натуралистов»  Учебно­исследовательская работа                                                                                                                                                                           Выполнил:  Игорь Михайлович Адаев Руководитель:  Салтыков Илья Васильевич,  педагог дополнительного образования  2018  город Глазов Содержание 1 1. Введение…………………………………………………………………3 2. Основная часть…………………………………………………………...4 2.1. История гейзеров………………………………………………………4 2.2.  Гейзер – как природный источник. …………………………………7 2.3. Повторение изученного материала..…………. ……………..............8 2.4. Явление кипения и гидротермальный взрыв………. ………………8 2.5. Ход работы. Модель гейзера ………... ………………………………9 3. Заключение……………………………………………………………....10 4. Список литературы………………………………………………………11 2 1. Введение Гейзеры относят к грандиозным и потрясающе красивым явлениям природы. Они   сосредоточены   в   тех   районах   земли,   которые   отличаются   высокой вулканической активностью. Цель работы: исследовать явление кипения в реальном мире. Задачи:  ­познакомиться с  историей гейзеров ­ принцип действия гейзера ­ гейзер – как система явлений по молекулярной физике ­ рассмотреть пример гидротермального взрыва на демонстрационном опыте Предмет исследования: явление кипения. Объект исследования: модель гейзера. 3 2. Основная часть 2.1. История гейзеров В   последние   полтора   столетия   было   предложено   много   теорий, объясняющих механизм действия гейзеров. Впервые соображения о механизме действия гейзеров были высказаны в 1811   г.   Г.   Маккензи.   Он   считал,   что   действие   гейзеров   основано   на повышенном   давлении   пара,   который   скопляется   в   невидимой   подземной камере в результате закипания там воды. Его мысли о подземной камере были подхвачены последующими исследователями, но идеи об источнике тепла и характере его действия развития не получили. Круг фон Нидда в 1883 г. создал свою теорию действия гейзеров. По его мнению,   деятельность   как   вулканов,   так   и   гейзеров   зависит   от   пара. Источником   пара   он   считал   “подземные   горячие   ключи”.   Объяснение причины,   почему   одни   ключи   кипят   постоянно,   а   другие   действуют периодически,   он   искал   в   их   подземном   строении:   при   свободном прохождении пара через столб воды образуются кипящие источники; если же пар   на   пути   встречает   камеры   и   расширения   канала,   где   он   может накапливаться,  образуются   гейзеры.  Сверху   вода   в   канале   охлаждается   от соприкосновения с воздухом, а узкий канал препятствует циркуляции. В 1836 г. Е. Лоттин на основе специальных температурных измерений доказал, что температура в канале Большого гейзера Исландии увеличивается с глубиной. На некоторой глубине она равна температуре кипения воды на поверхности, но так как давление здесь соответственно увеличено, она все же не кипит. 4 В   1846   г.   Р.   Бунзен   и   А.   Деклаузо,   исследуя   исландские   гейзеры, разработали   теорию   их   действий.   Результаты   их   наблюдений   над температурой воды в гейзере в промежутках между извержениями сводятся к следующему:  1) температура в столбе воды гейзера уменьшается снизу вверх;  2)  после   извержения   температура   воды   в  канале   гейзера   непрерывно повышается;  3) в промежутке между извержениями температура в столбе воды нигде не достигает точки кипения при существующем давлении;  4) чем ближе к извержению, тем более приближается к точке кипения температура   в   самой   нижней   части   столба   воды.   Перед   извержением достаточно   незначительного   уменьшения   давления,   чтобы   весь   столб   воды закипел. В 1880 г. X. Ланг впервые указал на необходимость притока холодной воды, которая заканчивает извержение, и высказал соображение, что, не будь этого притока, гейзеры в конце концов превратились бы в струи пара. Ланг возражает также и против представления о закипании воды на дне гейзерного канала; горячая вода меньшей плотности стремится вверх, где охлаждается при соприкосновении с воздухом и опять опускается. Чем больше разность температур,   тем   сильнее   циркуляция,   препятствующая   закипанию   на   дне. Поэтому   Ланг   считал,   что   кипение   начинается   в   боковом   резервуаре.   Он подчеркивает, что его взгляд на гейзерный механизм совпадает с взглядом Круг   фон   Нидда,   только   последний   видел   движущую   силу   процесса   в постоянном увеличении давления и расширения пара, а он, Ланг, следуя в этом   вопросе   за   Бунзеном,   считает   единственной   причиной,   объясняющей действие гейзера, внезапное вскипание воды, но не на дне канала, а в боковой камере. 5 Торкельсон , как и Ланг, критикует Бунзена за отсутствие объяснения периодичности   действия   гейзеров.   Анализируя   температурные   кривые Большого гейзера, приводимые Бунзеном и Деклаузо, Торкельсон установил, что все они имеют одинаковую форму: максимум температуры лежит в 9 м от дна канала, ниже температура падает, что опровергает принципиальный вывод Бунзена ­ представление о закипании воды на дне канала. Торкельсон, так же как и Бунзен, подчеркивает отсутствие значительных изменений температуры в  канале   гейзера   за   все  время   периода   его   покоя.  На   основании   этого   он приходит   к   выводу,   что   причину   извержения   надо   искать   вне   гейзерного канала.   Пар   и   горячая   вода,   по   взгляду   Торкельсона,   поступают   в   канал гейзера как раз в том месте, где отмечена максимальная температура. Пар, поднимаясь   по   узкому   гейзерному   каналу,   уменьшает   давление,   так   как превращает   воду   в   паро­водяную   смесь   с   меньшим   удельным   весом.   Это уменьшение   давления   и   является   непосредственной   причиной   извержения. Взгляд Торкельсона очень близок к представлениям Круг фон Нидда. Модели гейзеров конструировали многие исследователи: Ж. Видемакн в 1882 г., А. Андре в 1893 г., Грахэм в 1893 г. и Джегтер в 1898 г. 6 2.2. Гейзер – как природный источник Около 100 миллионов лет назад динозавры выращивали потомство, откладывая яйца близ гидротермальных источников в долине Санагаста в одной из северо­западных провинций Аргентины. Такой вывод сделали Джеральд Грелле ­ Тинне из чикагского музея Филда и Лукас Фиорелли из   Регионального   центра   исследований   в   Ла­Риоха.   Палеонтологи изучили 80 кладок (в среднем 3­12 яиц), расположенных в трёх метрах от геотермальных   источников.   Анализ   показал:   кристаллы   близ   гнёзд образовывались   при   температуре   60­100   °C.   Яйца   «высиживались»   от одного до двух месяцев.  Сейчас гейзеры используются для различных действий, таких как производство   электричества,   Много геотермических   запасов   найдены   на   всем   свете.   Многие   туристы   нагревание   и   туризм. выезжают в летний период на Камчатский полуостров, чтобы поправить свое здоровье на термальных источниках. Области гейзера в Исландии ­ некоторые   из   наиболее   коммерчески   жизнеспособных   местоположений гейзера в мире. Так как горячая вода 1920­ых, направленная от гейзеров, использовалась,   чтобы   нагреть   оранжереи   и   вырастить   еду,   которая иначе, возможно, не была выращена в неприветливом климате Исландии. Пар и горячая вода от гейзеров также использовались для нагревания домов с 1943 в Исландии. Воды многих камчатских горячих источников содержат   такие   ценные,   нужные   народному   хозяйству   элементы,   как мышьяк,   сера,   которые   попутно   можно   добывать   при   использовании 7 горячей воды для отопления. Минерализованные воды многих горячих источников   являются   лечебными.   С   их   помощью   успешно   лечат ревматизм, кожные заболевания, заболевания нервной системы и ряд др. 2.3. Повторение изученного материала  На   уроках   физики   в   8   классе,   мы   прошли   тему   «Кипение,   удельная теплота   парообразования   и   конденсации».   Повторив     материал,   мы решили углубиться в теорию и нашли понятие «гидротермальный взрыв», исследовав   примеры   «гидротермальных   взрывов»,   мы   остановились   на «модели» гейзера. 2.4. Явление кипения, гидротермальный взрыв. Кипение [3] ­ это интенсивное парообразование, которое происходит при нагревании жидкости не только с поверхности, но и внутри неё.  Принцип кипения: Кипение происходит с поглощением теплоты.   Большая   часть подводимой теплоты расходуется на разрыв связей между частицами вещества, остальная   часть   ­   на   работу, совершаемую при расширении пара. 8 Гидротермальный взрыв — природное явление имеющее происходит   при   внезапном   высвобождении   большого   объема   перегретой,   форму взрыва, находящейся   под   давлением воды,   в   ходе   которого   происходит   быстрое превращение   жидкости   в газообразное состояние   с   сопутствующим разрушением слоев грунта, сдерживающих проходящий поток газа. Как правило, происходят в вулканически активных районах, но напряму ю не связаны с текущей активностью магматического очага вулкана. В зависимости от силы извержения, разбр ос обломков может происходить нарасстояние от нескольких метров дон ескольких километров. Причины гидротермальных взрывов: Гидротермальные   взрывы  [2] происходят   в   районах   с   изолированными подземными резервуарами под давлением, которые либо содержат воду, кипения разогретую   температуры   точки до   выше     при нормальных условиях,   либо   содержат   горячую   воду   с   большим количеством   растворенного   в   ней газа.   Внезапное   снижение   давления приводит к резкой смене агрегатного состояния вещества с жидкого на газообразное,   что   приводит   к   быстрому   высвобождению   резервуара   и разлету обломков. 2.5. Ход работы. Изучив теорию кипения и гидротермальных взрывов, мы решили сделать   практический   опыт   по   созданию   модели   гейзера.   Нас заинтересовала статья из журнала «Потенциал». Модель  гейзера. Модель гейзера состоит: 1. Изогнутая алюминиевая трубка с герметически закрытым концом; 2. Крышка от пластиковой бутылки; 9 3. Воронка. Принцип действия: Собираем экспериментальную установку [1]. В воронку наливаем немного   воды.   Чтобы   заполнить   водой   котел,   набираем   воду   в медицинский шприц с металлической иглой, вводим иглу внутрь трубки и давим на поршень. Мы видим, что из сопла начинают выходить пузырьки воздуха. Как только выделение пузырьков прекратится, установка готова к работе. Нагреваем   котел   нашей   модели   гейзера   в   не   слишком   сильном пламени спиртовки. Спустя несколько минут гейзер заработает. Капли воды вырываются наружу под действием кипения, вылетая на 1,5 метра.  3.Заключение Изучив   работу,   мы   раскрыли   красоту   гейзеров   и   их   пользу   для человечества. На нашей планете множество прекрасных и удивительных уголков, но гейзеры поражают воображение своей мощью и одновременно неповторимостью.  10 Нам удалось изучить гидротермальный взрыв (тему, которую не изучают в школьном курсе физики) на основе модели гейзера. Список литературы 1. Вараксина Е.И., Исакова М.Л. Структура, содержание и методика  организации учебных исследований школьников по гидродинамике //  Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10­12. – С. 2768­2772; 2. Судариков С.М. Журнал «Записки Горного института» 3. Журнал «Наука из первых рук»  4. Журнал  «Потенциал» 11