Учебно-исследовательский проект "Удивительные свойства снега и льда"

УДИВИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА СНЕГА И ЛЬДА Исполнитель: Уфимцева Анжелика  Александровна, учащаяся 7 класса МАОУ  СОШ № 200 с углубленным  изучением отдельных  предметов Руководитель:   Матвеева Ирина Альбертовна,  учитель химии высш.кв.к.  МАОУ СОШ № 200 с  углубленным изучением  отдельных предметов Оглавление Введение.........................................................................................................3 мира 1 Теоретическая  Из     часть   науки.........................................................5  1.1 Снег ­ самое парадоксальное вещество на Земле.................................7  1.2 Лёд ­ живая вода Земли.........................................................................9  2 Практическая часть Свойства снега и льда...........................................14 Заключение..................................................................................................20 Список литературы................................................................................23 Приложение.................................................................................................24 Введение       «Вода, у  тебя  нет  ни  цвета,  ни  вкуса,  ни запаха,  тебя   невозможно  описать,  тобою наслаждаются,  не ведая,  что   ты  такое. Нельзя сказать,  что  ты  необходима  для жизни.   Ты ­ сама  жизнь. Ты  наполняешь нас  радостью,  которую   2 не  объяснишь  нашими   чувствами.  С  тобою возвращаются   к нам  силы,  с  которыми   мы  уже  простились».    Антуан де Сент­Экзюпери Актуальность   работы.  Исследование   свойств   снега   и   льда   является актуальной   темой,  так   как     представляет   большой   интерес   не   только   для специалистов, но и для общества в целом. В последние десятилетия особенно возрастает значение снега и льда в природе и хозяйстве многих территорий земного шара и, прежде всего нашей страны ­ России. Прогнозы изменения природной среды, как в прошлом, так и в будущем невозможны без знаний, относящихся к снегу и льду. Постепенно наша планета нагревается, и это оказывает катастрофический эффект на ледяные шапки земли. По всему миру уровень океана поднимается в 2 раза быстрее, чем 150 лет назад.   Лёд на нашей планете тает, и это меняет всё. Если моря поднимутся, то города могут быть затоплены и миллионы людей погибнут. Ни один прибрежный район не избежит   ужасных последствий.   Несмотря на то, что многие специалисты достаточно широко занимаются исследованиями снега и льда, многое остаётся всё же неизвестным. Для того чтобы узнать о влиянии снега и льда  на живую и   неживую   природу,   необходимо   знать   их   свойства.   Поэтому   я   решила провести опыты, которые могут помочь учащимся повысить знания о природе и бережнее относиться к богатствам Земли. Цель: определить свойства снега и льда. Задачи:  1. определить свойства льда при замерзании  воды с солью и сахаром; 2. определить плотность снега до момента таяния и плотность воды после таяния; 3. определить скорость таяния чистого и грязного снега; 4. определить, как влияет соль на скорость таяния льда; 5. исследовать   скорость   замерзания   воды   и   таяния   льда   в   различных условиях; 6. определить условия охлаждения жидкости; 7. определить свойства воды при замерзании. 3 Гипотеза: свойства снега, льда и жизнь на планете Земля тесно связаны между собой. Методы   исследования:  теоретические   (анализ,   синтез),   практические (опыты, фотографирование) и эмпирические (наблюдение, сравнение). Мною были изучены и обработаны следующие материалы: литературные источники,   среди   которых   учебная,   научная,   справочная   литература, периодические издания и Интернет сайты. В структуру данной работы входят введение,   две   части,   заключение,   список   использованных   источников информации. 1. Теоретическая часть Из мира науки В последние десятилетия особенно возрастает значение снега и льда в природе и хозяйстве многих территорий земного шара и, прежде всего России. Хозяйственное   освоение   высокогорных   и   полярных   районов   заставляет изучать   свойства   снега   и   льда.   Знаниями,   относящимися   к   снегу   и   льду занимается гляциология. Гляциология наука о природных системах, свойства и   динамика   которых   определяются   в   основном   льдом.   Объекты   ее исследования это атмосферный лед, снежный покров гор и равнин, покровные и горные ледники, морские и пресные водоемы, подземные льды и наледи. Около половины населения Земли видело снег только по телевизору, а лед только в холодильнике. Однако природные льды на земной поверхности и в верхних слоях земной коры занимают площадь 72,4 млн. км2, что составляет 14,2% площади планеты и более половины поверхности суши. Запасы льдов на 4 Земле составляют более 30 млн. км3 почти две трети объема пресных вод на планете, что равно стоку всех рек земного шара за 700 лет [7]. Интерес   к   природным   льдам,   снегу   и   снежинкам   возник   очень   давно. Атмосферный лед, снежные лавины, ледники упоминаются еще у Аристотеля, Страбона и многих других античных историков и географов. А вот снежинки первым   наблюдал   невооруженным   глазом   архиепископ   Олаф   Магнус   из шведского города Упсала в 1550 году. Его рисунки свидетельствуют о том, что он не заметил их шестиконечной симметрии. А вот немецкий астроном Иоганн Кеплер сразу обратил внимание на эту главную особенность,  первым опубликованным   научным   исследованием   формы   снежинки   считается   его трактат   «О шестиугольных снежинках», изданный в 1611   году, в котором говорится: «Я прилежно принялся разглядывать снежинки. Все они были с прямыми лучами, но двух родов. Одни снежинки были очень маленькими, с различным   числом   торчащих   кругом   лучей,   голых,   лишенных   опушки   и полосочек   и   очень   тонких.   В   центре   лучи   сходились   к   шарику   несколько большей   величины.   Таких   снежинок   было   больше   всего.   Среди   них   были разбросаны гораздо более редкие снежинки второго рода — шестиугольные звездочки, ни одна из них, ни пока она падала, ни после того, как опускалась на землю, не напоминала по форме другую».  Хотя Кеплер не нашел «действующего начала», его труд называют первой научной   работой   в   кристаллографии,   где   он   показал,   что   кристаллы подчиняются законам геометрии. Миниатюра  «О шестиугольных снежинках» — это раритет науки, документ теоретической  кристаллографии  и гордость её истории.  5 В 1932 году физик­ядерщик Укихиро Накайя, профессор Университета в Хоккайдо, занялся выращиванием искусственных снежных кристаллов, что позволило составить первую классификацию снежинок и выявить зависимость величины и формы этих образований от температуры и влажности воздуха. Укихиро   Накайя   называл   снег   "письмом   с   небес,   написанным   тайными иероглифами". В городе Кага, расположенном на западном берегу острова Хонсю, существует основанный Укихиро Накайя Музей снега и льда, носящий теперь его имя (он выстроен в виде трех шестиугольников). В музее хранится машина   для   получения   снежинок.   Накайа   выделил   среди   снежинок   41 индивидуальный морфологический тип, а метеорологи С. Магано и Сю Ли в 1966 году описали уже 80 типов кристаллов [9]. История исследований снега и льда не закончилась и по сей день. В наше время   многие   учёные   занимаются   вопросами   в  области   снега   Например,  в 2001 году начал изучение и искусственное выращивание снежинок профессор физики, астроном Кеннет Либбрехт из Калифорнийского технологического института.  В данной части исследования мы проведём анализ научных источников для   полного   раскрытия   темы   "Удивительные   свойства   снега   и   льда".   На основе   изученной   информации   сделаем   выводы   и   обобщения   для исследования их в практической части нашей работы. 1.1 Снег ­ самое парадоксальное вещество на Земле Снег — форма атмосферных осадков, состоящая из мелких кристаллов льда   и   относящаяся   к   обложным   осадкам,   выпадающим   на   земную поверхность [2, с.57].  Снег образуется в облаках из микроскопических капель воды при помощи бактерий.  Данное открытие сделали американские учёные из   Луизианы.   До   этого   биологи   считали,   что   ядра   конденсации   вокруг которых   нарастают   ледяные   кристаллы   состоят   из   пыли   и   взвешенных веществ, находящихся в воздухе. Но анализ снега в Антарктиде, Франции, штате   Монтана   и   реке   Юкон   показал,   что   в   85%   случаев   кристаллом   – 6 затравкой оказалась бактерия. Наиболее активная бактерия, участвующая в «производстве» снега – Pseudomonas syringae. Она известна тем, что поражает такие сельскохозяйственные культуры как томаты и бобовые. Как сообщил сотрудник из университета Луизианы Брент Кристнер, в недалёком прошлом учёные собирались уничтожить эту бактерию, но недавнее открытие привело их в замешательство [6]. При   падении   на   землю,  когда   температура   воздуха   становится   ниже нуля градусов, кристаллы из снега растут и образуют белые снежинки.  Снежинка   —   сложная   симметричная   структура,   состоящая   из кристалликов льда, собранных вместе. Вариантов «сборки» множество — до сих пор не удалось найти среди снежинок двух одинаковых [4, т.17].  Образование снежинок начинается в воздухе, когда водяные пары сразу переходят   в   твёрдое   состояние   ­   крошечные   льдинки­кристаллики,   не превращаясь  в  жидкость.  Но  это ещё  не снежинки. Кристаллик  постоянно растёт,   развивается,   и,   наконец,   превращается   в   удивительно   красивую звёздочку, у которой шесть хрупких, нежных лучиков. Снежинки сделаны из множества   кристаллов.  По   форме   снежинки   напоминают   разные   фигурки правильной формы: цветок с шестью лепестками, звёздочка с шестью лучами. Я заметила, что чем морознее погода, тем красивее и правильнее по форме снежинки.  Белый   цвет   происходит   от   заключённого   в   снежинке   воздуха. Почти   весь   спектр   света  отражается   на   граничных   поверхностях   между кристаллами   и   воздухом   и   рассеивается.   Именно   поэтому   мы   видим   снег белым.   И   все­таки   не   весь   свет   отражается   от   поверхностей   кристаллов. Небольшая  часть   его  поглощается,   причем  красный  поглощен   больше,  чем синий, поэтому мы иногда видим снег не белым, а голубым.  Снежинки   состоят   на   95 %   из   воздуха,   что   обуславливает   низкую плотность  и сравнительно медленную  скорость  падения (0,9 км/ч). Диаметр снежинки около 5 мм, а масса примерно 0,004  г. При безветренной погоде снежинки имеют симметричную правильную форму,   а   при   сильном   ветре   превращаются   в   мелкую   снежную   пыль   из 7 обломков кристалликов льда. При температуре около 0 градусов снежинки срастаются   и   образуют   большие   хлопья   снега.   В   лучших   коллекциях микрофотографий насчитывается более 5 тысяч снимков снежинок, отличных друг   от   друга.  Американский   фотограф   Уилсон   Бентли   более   сорока   лет изучал снежинки и   написал в одной из своих статей: «Под микроскопом я увидел, что снежинки – это чудо красоты, и мне показалось несправедливым, что   люди   не   видят   и   не   могут   оценить   этого.   Когда   снежинка   тает,   это красота исчезает навеки». Снег – это огромное богатство для нашей планеты, которое необходимо в сельском хозяйстве (снежная мелиорация) и строительстве плотин, зданий, аэропорта на севере. Большую роль «прошлогодний» снег играет в засушливых областях, где он нередко оказывается основным источником запасов влаги, необходимых для развития растений. Температура почвы, ее влажность, химический состав, структура, насыщенность  микроорганизмами   в  немалой  степени зависят  от толщины покрывавшего ее зимой снега и его свойств. Снежная мелиорация позволяет дополнительно собирать многие тонны зерна и другой земледельческой продукции. При ней регулируются высота снежного   покрова   (с   соответствующим   изменением   плотности   и теплопроводности   снега),   накопление   и   задержание   снега,   интенсивность таяния и условия стока талых вод. Искусственное   задержание   на   поле   выпавшего   снега   способствует повышению урожайности. Снежный   покров   –   не   только   чрезвычайно   емкий   запас   влаги,   но   и гигантское   одеяло,   прослойка   между   поверхностью   земли   и   атмосферой. Даже тонкий слой снега нарушает тепло­ и газообмен между ними, создает своеобразный «подснежный» климат. Снег приносит в почву и микроэлементы – необходимые стимуляторы роста и общего развития организмов. Снежный   покров   является   эффективным   накопителем   аэрозольных загрязняющих   веществ,   выпадающих   из   атмосферного   воздуха.   При 8 снеготаянии эти вещества поступают в природные среды, главным образом в воду,   загрязняя   их.   Качество   снега   является   показателем   состояния окружающей среды [3, c.2]. В жизни большинства «братьев наших меньших» снег – это суровейшее испытание. От снежности зимы зависит, смогут или нет они добыть пищу, укрыться, убежать и защититься от врагов. Во время исключительно снежной и морозной зимы 1939 ­ 1940 годов погибла масса птиц во всей Европе. При этом меньше других пострадали лесные куриные (глухари, тетерева, рябчики), потому что они укрывались в снегу, в очень глубоких лунках и ходах. Снег их спас [10]. Итак,   снег   не   просто   нечто   эфемерное,   непостоянное,   сезонное.   Не просто красивый спутник зимнего пейзажа. И даже прошлогодний снег отнюдь не бесполезен. Снег – это и высокие, устойчивые урожаи, это основа зимних дорог   и   даже   аэродромов,   это   строительный   материал   для   зимовий   и различных хранилищ на севере, источник воды на юге. Со снежными запасами связаны водность рек и изменения климата целых районов. 1.2 Лёд ­ живая вода Земли В природе лед очень распространенное явление. Лед содержится даже в глубинах   земной   коры   и   делится   на   несколько   разновидностей,   такие   как речной, морской, озерный, грунтовый, фирновый и глетчерный. Там, где снега выпадает больше, чем успевает таять, со временем образуются ледники.  В XIX в. и в первые десятилетия XX в. в науке о льдах преобладал описательный   подход.   Морские   льды   исследовались   океанологами, материковые   —   гляциологами.   В   результате   таких   исследований   были получены главным образом географические сведения о распределении тех или иных явлений и характеристик, связанных с региональными особенностями. Затем   они   синтезировались   на   глобальных   уровнях.   К   40—50­м   годам текущего столетия этот необходимый этап в изучении льдов был в основном завершён. Накопленные сведения позволили перейти к анализу процессов. В 40­х годах вышла монография Б. П. Вейнберга «Лёд». Она явилась первым 9 итогом   синтеза   многолетних   наблюдений   и   основой   для   развития   новой отрасли гляциологии — физики льда. За 30 лет, прошедших после написания этой монографии, вышли в свет книги Н. Н. Зубова, И. С. Песчанского, Э. Паундера, В. В. Богородского, Ю. П. Доронина и Д. Е. Хейсина, П. Хоббса, Н. Флетчера   и   др.   В   наше   время   накоплено   много   новых   сведений,   которые существенно   изменили   подход   к   пониманию   процессов,   происходящих   в ледяных покровах [1,1]. Ледники – это большое скопление снега, превратившегося в лед под давлением собственной массы. В леднике содержится много воды, а его белая поверхность отражает солнечный свет и тепло. Ледники сильно влияют на климат: если они тают, солнечному свету больше не отчего отражаться и на планете становится теплее. Лёд ­ вода в твёрдом состоянии. Известны   11 кристаллических модификаций льда и аморфный лёд. В природе обнаружена только одна форма льда (плотн. 0,92 г / см3), которая встречается в виде собственно льда (материкового, плавающего, подземного), снега и инея. [5, c.394].   Химическая   формула   льда   Н2О.   Если   рассматривать   химический состав льда, то соотношение Н – 11,2%, а соотношение О – 88,8%. Нередко бывает,   что   в   составе   льда   содержатся   твердые   механические,   а   также газообразные примеси. Кристаллы льда чем­то схожи со структурой алмаза. Лед бесцветен немного с синеватым оттенком, имеет приятный стеклянный блеск и практически полностью прозрачен.  Образование   льда   происходит   чаще   всего   в   водоемах   при   снижении температуры   воздуха.   На   поверхности   воды   образуется   ледяная   пленка, состоящая из иголочек льда. Снизу ледяная пленка обрастает кристалликами льда вытянутой формы. Лед будет всегда, где есть вода и температура воздуха снижается ниже нулевой отметки. В некоторых регионах лед   в грунте оттаивает только на небольшой   глубине,   в   более   глубоких   слоях   –   вечная   мерзлота.   Ледники покрывают более 10% площади нашей планеты. 10 Ледниковым  льдом  называется   ледяная  монолитная  порода.  Ледники появляются   в   результате   уплотнения   и   дальнейшего   преобразования скоплений снега. Практически вся Антарктида занята ледовым покровом, а в Гренландии льдом покрыто около 75% всей площади. Самая большая толщина ледников около 4330 метров установлена в Антарктиде вблизи станции Бэрд. В центральной Гренландии толщина льда составляет 3200 метров [8]. Местонахождение льда известно многим. В основном лед появляется в местах   с  очень   долгой   зимой   и   непродолжительным   летом.  В  горах   часто можно увидеть ледниковые пещеры со сталактитами и сталагмитами. Самая интересная   для   изучения   и   исследования   пещера   в   Пермской   области   – Кунгурская, а также пещера Добшине в Словакии. Лед является весьма распространенным материалом, встречающимся в природных условиях, который имеет колоссальное  значение. Особенно тот факт, что лед легче воды. Все тела при переходе из жидкой фазы в твердое состояние   уплотняются,   поэтому   лед   легче   воды.   Лед   держится   на поверхности водоемов и предохраняет толщу воды от промерзания, а жизнь в ней от гибели. Будь лед тяжелее воды, образование его начиналось бы со дна и все озера,  и полярные моря были бы много лет незамерзающими.  Весенняя солнечная радиация не могла бы их растопить,   а водоемы бы оказывали на климат   умеренных   и   полярных   поясов   не   согревающее,   а   охлаждающее влияние.  Из­за   наступившего   глобального   потепления   начали   таять   ледники   и происходить   природные   катаклизмы.  так,  например,  некоторые   реки   стали переполнятся и причинят стране ущерб. Однажды в Китае река Хуанхэ вышла из берегов и потекла по новому руслу в 480 км от старого [2, c.21]. Лед   широко   используется   людьми   в   быту,   в   промышленности, некоторых  видах  спорта, для хранения  и  охлаждения пищевых  продуктов, получения   пресной   воды   и   в   медицине.   Некоторые   его   свойства   имеют большое практическое значение, например, таяние льда под  давлением. При катании   на   коньках   лёд   под   весом   конькобежца   подтаивает,   образуя   под 11 лезвиями   коньков   водяную   плёнку,   по   которой   легко   скользить.   А   вода, освободившись от давления, вновь замерзает и следов от коньков практически не видно. Поэтому, хотя лед в мороз и сухой, но под коньком он всегда смазан водой.   Так,   перерезанный   и   вновь   смерзшийся   лед   помогает   спортсменам (фигуристам, конькобежцам и т.д.) добиваться высоких результатов. В   бытовых   условиях   охлаждающие   свойства   льда   позволяют   быстро охладить и долго, и эффективно сохранять продукты питания. Задолго до открытия электричества люди использовали лед для охлаждения продуктов, и даже научились готовить мороженое, усиливая охлаждающие свойства льда обыкновенной   солью.   Лед   и   соль   составляют   холодильную   смесь.   Она охлаждается сама по себе, без затрат энергии, в отличии от электрического холодильника.   В   конце   ХVII   в.   домохозяйка   Нэнси   Джонсон   из   США запатентовала первую машинку для мороженого. Работала она очень просто: в деревянное   ведерко   засыпали   лёд   и   дешёвую   кормовую   соль,   в   смесь помещали металлический патрон с мешалкой, а в него заливали ингредиенты мороженого. Мороженое замерзало, оставаясь вязким благодаря постоянному помешиванию. Лёд   играет   также   важную   роль   в   природных   процессах.   Вследствие меньшей, чем у воды, плотности лёд образует на поверхности воды плавучий покров, предохраняющий реки и водоёмы от донного замерзания. К другим необычным свойствам льда относят и то, что большинство растворенных в воде примесей не передается льду, когда он начинает расти; они   вымораживаются.   Поэтому   даже   на   самой   грязной   луже   пленка   льда чистая и прозрачная. 12 2. Практическая часть Свойства снега и льда Факт проведения нами описанных в данной части опытов подтверждён фотографиями.   Описанные   опыты   не   требуют   наличия   какого­либо специального   оборудования   и  могут   быть   успешно   проведены   в   домашних условиях. Опыт 1.  Таяние снега. Цель:  определить объём снега до момента таяния и объём воды после таяния. Ход опыта: Для опыта взяли  на улице немного свежего рыхлого снега и положили  его в  мерный стакан (фотография 1).  Результаты опыта:  В данном опыте объём растаявшей воды   в стакане оказался   меньше,   чем   объём   снега  (фотография   2),   что   можно   объяснить следующим образом: молекулы воды в замороженном состоянии находятся на большем   расстоянии   друг   от   друга   в   определённом   порядке   в   виде кристаллической решётки. Размер замороженного   кристаллика больше, чем размер молекулы воды, поэтому при таянии плотность  снега уменьшается,  и объём растаявшей воды  становится меньше, чем объём снега. Опыт 2.  Какой снег тает быстрее – чистый или грязный. Цель: определить скорость таяния чистого и грязного снега. Ход опыта.  Для опыта взяли  две пробы (одинаковое количество) снега –   чистый     в   лесопарковой   зоне     и   грязный   –   у   дороги   (фотография   3), 13 поставила   его таять под настольную лампу, которая изображала весеннее солнце (фотография 4). Опыт начался в 18 часов 37 минут (фотография 5).   Результаты опыта. В данном опыте грязный снег растаял быстрее в 20 часов 45 минут (фотография 6), чем чистый ­ в 21 час 10 минут (фотография 7) , так как чистый снег, отражает весь свет (все цвета спектра), падающий на него, поэтому снег для нас белый, а грязный снег более темный, а чем темнее предмет, тем больше световой энергии он получает, поэтому грязный снег тает быстрее. Опыт 3. Превращение воды в лед Цель: определить свойства воды при замерзании. Ход опыта.  Для опыта я взяла   пластиковый одноразовый стаканчик, налила  в него воды до половины, отметила  снаружи цветным фломастером уровень воды (фотография 8) и поставила  замораживаться  в холодильник. Когда   вода   полностью   превратилась   в   лед,   я   достала     стаканчик   из холодильника и отметила уровень льда (фотография 9).  Результаты   опыта.  Это   был   для   меня   очень   удивительный   опыт.   Я достала из морозилки стакан, куда налила обычную воду и увидела, что льда стало   больше,   чем   было   воды   изначально,   ведь   вода   при   замерзании расширяется.   На   фотографии   видно,   что   лед   поднялся   бугорком.   Вода замерзла не равномерно. Вначале лед появился у стенок стакана, постепенно заполняя   весь   стакан.   В   воде   молекулы   двигались   хаотично,   поэтому она приняла   форму   стакана,   в   который была   налита.   Лед   же   имел   четкую кристаллическую структуру, при этом расстояния между молекулами льда были больше, чем между молекулами воды, поэтому лед занял больше места, чем вода, то есть расширился. Опыт 4.  Таяние льда с солью Цель: определить, как влияет соль на скорость таяния льда. Ход   опыта.  Для   опыта   я   налила   воду   в   формочки   для   печенья   и заморозила   в   холодильнике.   Когда   лед   образовался,   я   достала     его   из формочек, разложила   на две тарелки широкой частью вниз и на одной из тарелок лёд сверху посыпала солью (фотография 10).  14 Результаты опыта.  Через 1 час в тарелке, где лед был посыпан солью, образовалась лужа, а во второй тарелке лед только чуть подтаял. Соль разъела лед, проделывая канавки и ходы в ледяном кубике. Как и ожидалось, кубик  льда,  посыпанный  солью, растаял  очень быстро. Именно поэтому дворники зимой посыпают дорожки солью.  Если посыпать солью лед, можно не только наблюдать за таянием, но и немного   порисовать!   Я   взяла   кисточку,   акварельные   краски   и   начала     и творить красоту. Мои шедевры изо льда стали похожи на извергающие лаву вулканы (фотографии 12, 13, 14)! Использование соли  как реагента зимой на дорогах эффективно только при температуре до ­5º градусов, при более низкой температуре необходимо использовать другие средства. Как известно вода замерзает при температуре 0 градусов. Когда мы добавляем соль, мы получаем соляной раствор, который замерзает   при   температуре   ниже   0°   С.       10%­й   раствор   замерзает   при температуре ­ 6° С, а 20%­й при температуре ­ 16° С. На дорогах и тротуарах, посыпая  лед солью, мы заставляем его растаять, так как соль растворяется в воде и снижает точку ее замерзания. Когда в данном опыте мы наблюдали за тем,   как   соль   заставляет   лед   таять,   мы   наглядно   видели,   как   происходит процесс растворения соли ­ вначале лед вокруг кристалла соли тает, а затем процесс таяния распространяется от этой точки  (фотография 11). Если же температура   на  улице   ниже   12  градусов   посыпать   дороги   солью  не  имеет большого смысла, так как соль не может проникнуть в воду и раствориться в ней. В таком случае гораздо эффективнее просто посыпать дороги песком, таким образом,  обеспечив сцепление с поверхностью. Опыт 5. Куда надо класть лед, чтобы быстрее охладить жидкость  Цель: определить условия охлаждения жидкости. Ход   опыта.  Взяли     две   чашки   горячего   чая  (фотография   15).   Одну поставили     на   лед,  другую —  под  лед  (фотография 16).  Через   некоторое время пальцем на вкус попробовали, в какой чашке вода остыла быстрее.  Результаты   опыта.  У   меня   быстрее   охладился   тот   стакан,   который находился   подо   льдом  (фотография   17).   Верхние   слои   жидкости, 15 прилегающие ко льду, охладившись и став тяжелее, опустились вниз, а на их место поднялись другие, еще не остывшие порции чая.  Опыт 6. Чистый лед Цель:  определить   свойства   льда   при   замерзании     воды   с   солью   и сахаром. Ход опыта. Для опыта  приготовили   3 стакана с обычной, соленой и сладкой   водой   и   поместили   в   морозильную   камеру   (фотография   18). Заморозили     кубики   из   обычной,   соленой   и   сладкой   воды.   Когда   они полностью превратились в лед, достали  их (фотографии 19,20) и раскололи каждый кубик льда на половинки (фотографии 21, 22, 23).  Результаты   опыта.  При   пробе   на   вкус   все   кубики   льда   оказались безвкусные. Замерзая и превращаясь в лед, вода как бы изгнала из растущего кристалла все примеси и чужеродные молекулы (освобождались от соли и сахара), поэтому все кубики льда не имели никакого вкуса. Именно на этом принципе   и   основано   очищение   воды   методом   замораживания­оттаивания, когда   в  результате  получается  свободная  от  примесей  талая   вода.    Иначе ведёт   себя   вода   и   в   отношении   молекул,   форма   которых   не   подходит   в структуре льда: крупные молекулы она, замерзая, ломает, а мелкие изгоняет. Достаточно вспомнить: лед в Северном Ледовитом океане пресный, потому что вода, замерзая, освобождается от солей. Зимой     речная   вода   быстрее   превращается   в   лед,     чем   морская. Морская вода в отличие от пресной не имеет определенной точки замерзания: температура, при которой начинают образовываться кристаллы льда, зависит от солености. При средней для океана солености 35% температура замерзания равна минус 1,9° С. Когда начинается ледообразование, большая часть соли остается в воде, что понижает температуру замерзания. Опыт 7.  Размораживание льда в различных условиях Цель: исследовать скорость замерзания воды и таяния льда в различных условиях. Ход опыта. Для опыта замораживаем  небольшой объем воды в четырех пластиковых   стаканчиках   (фотография   24).   Затем     помещаем 16 приготовленный лед в заранее приготовленные мисочки: первый кусочек льда помещаем   в сухую миску, второй ­   в миску, наполненную горячей водой, третий     ­   в  миску   с  водой   комнатной   температуры,  а   в   четвертую   миску помещаем  лед, предварительно обернув его кусочком  ваты.  Результаты   опыта.  Исследуемые   образцы   растаяли   в   следующем порядке: через 1 минуту растаял лёд в горячей воде, через 3 минуты ­ в воде комнатной температуры, через 1 час 31 минуту ­ в сухой  ёмкости, а через 2 часа 41 минуту ­ в вате. В сухой миске лед контактирует только чуть­чуть с дном и с воздухом, даже не смотря на большую разность температур мощность передачи тепла слабая, а вода (даже комнатной температуры) передает льду тепло гораздо быстрее, так как у воды атомы ближе, чем в воздухе и передают энергию гораздо   быстрее   воздуха.  Когда   мы     взяли   вату   ,   завернули   в   него   лед (теплопроводность ваты плохая), то он не растаял  в течение двух с половиной часов. Раньше,  когда   не было   холодильников,   то     у  людей  в  погребе   для сохранения   продуктов   лежали   куски   льда,   прикрытые   опилками.   В   таком леднике   у   пола   температура   была   до   ­   5­80    почти   все   лето.   Небольшое количество воды, что к осени стаивала со льда, впитывалось в подстилку и далее в пол, который был не цементирован, и легко впитывал избыточную влагу. Так что в леднике всегда было сухо и холодно, и лед все лето оставался холодным,   гораздо   ниже   нулевой   температуры.   Как   известно,   опилки   не   своей   плотности   (около   0,5   т/м³), проводят   воздух     по   причине   следовательно,     они   не   проводят   ни   тёплый   воздух,   ни   холодный,   т.е. сохраняется   температура льда.  Опыт 8.  Исследование скорости замерзания воды Цель: исследовать скорость замерзания воды и таяния льда в различных условиях. Ход опыта. Для опыта замораживаем  три образца: 1 ­ обычная вода, 2 ­ 1 чайная ложка соли на стакан воды, 3 ­ 2 столовые ложки соли на стакан 17 воды (фотография 25). Все образцы ставим   одновременно в холодильник. Отмечаем время, за которое замерзнет каждый образец. Результаты   опыта.  Исследуемые   образцы   замёрзли   в   таком   порядке: первая замёрзла за 2 часа вода в первом  стакане, вторая за 3 часа ­ во втором, а третья за 11 часов ­ в третьем. Чем   более   соленая   вода,   тем   ниже   температура   замерзания.   Для эксперимента   мы   взяли   3   стаканчика   —   в   одном   пресная   вода,   в   другом соленая, а в третьем очень соленая вода. Простояв в морозилке всю ночь, соленая вода так и не замерзла, но в стаканчике образовались кристаллы льда. Пресная   вода   превратилась   в   лед. Соленая   вода   достигает   максимальной плотности при более низких температурах, чем больше концентрация соли, тем ниже температура, при которой плотность становится максимальной. То есть при понижении температуры плотность верхнего холодного слоя соленой воды   возрастает,   он   становится   тяжелее   более   теплых   нижних   слоев   и начинает   "тонуть"   создавая   конвекцию   ­   перенос   тепла   в   нижние   слои.   В результате вода в зависимости от степени солености замерзает. Заключение 18 В   процессе   проведения     исследовательской   работы   мы   повторили, углубили и расширили свои знания о свойствах снега и льда; научились сами приобретать   знания   с   использованием   различных   источников   информации; овладели   умениями   проводить   наблюдения,   планировать   и   выполнять эксперимент, выдвигать гипотезу, анализировать результаты опытной работы и сделали  следующие выводы: 1. Объём   растаявшей   воды     меньше,   чем   объём   снега,   так   как молекулы воды в замороженном состоянии находятся на большем расстоянии друг от друга в определённом порядке в виде кристаллической решётки. При таянии плотность  снега уменьшается,  и объём растаявшей воды  становится меньше, чем объём снега. 2. Грязный   снег   тает   быстрее,   чем   чистый,   так   как   чистый   снег, отражает весь свет (все цвета спектра), падающий на него, поэтому снег для нас белый, а грязный снег более темный, а чем темнее предмет, тем больше световой энергии он получает, поэтому грязный снег тает быстрее. 3. Вода замерзает не равномерно. Лед вначале появляется у стенок ёмкости,   постепенно   заполняя   её.   В   воде   молекулы   двигаются   хаотично, поэтому она принимает форму ёмкости, в которую была налита. Лед имеет четкую кристаллическую структуру, так как расстояния между молекулами льда   больше,  чем   между   молекулами   воды,  поэтому   лед   занимает   больше места, чем вода, то есть расширяется.  Замерзая, вода увеличивается в объёме, давит во все стороны, обладая огромной силой. Не только бутылки с водой лопаются  на морозе – зимой могут потрескаться дороги и тротуары. Вода, попавшая в щели и трещины, замерзая, давит во все стороны, и трещины увеличиваются, поэтому нельзя зимой отключать отопление. 4. Использование соли как реагента зимой на дорогах эффективно только   при   температуре   до   ­5º   градусов,   при   более   низкой   температуре 19 необходимо использовать другие средства. На дорогах и тротуарах,  посыпая лед солью, мы заставляем его растаять, так как соль растворяется в воде и снижает точку ее замерзания. Если же температура на улице ниже 12 градусов посыпать дороги солью не имеет большого смысла, так как соль не может проникнуть в воду и раствориться в ней. В таком случае гораздо эффективнее просто   посыпать   дороги   песком,   таким   образом,     обеспечив   сцепление   с поверхностью. 5. При   замерзании   солёной   и   сладкой   воды   лёд   становится безвкусным.   Замерзая   и   превращаясь   в   лед,   вода   изгоняет   из   растущего кристалла   все   примеси   и   чужеродные   молекулы   (освобождаясь   от   соли   и сахара), поэтому лёд не имеет никакого вкуса. Именно на этом принципе и основано   очищение   воды   методом   замораживания­оттаивания,   когда   в результате получается свободная от примесей талая вода.   6. Таяние   льда   зависит   от   внешней   температуры,   а   изоляция   его материалами, обладающие низкой теплопроводностью, уменьшают скорость его таяния. 7. Наличие   влаги   существенно   увеличивает   плотность   снега. Плотность тающего снега имеет большое значение для прогноза половодья на реках. 8. Удельная   теплоёмкость   снега   равна   2096дж/кг.   Даже незначительный слой снега предохраняет почву от глубокого промерзания и создаёт более благоприятные условия для перезимовки растений. Снежный покров высотой 60 см полностью исключает промерзание почвы. 9. Воздухопроницаемость   снега   уменьшается   по   мере   его уплотнения. Благодаря движению воздуха через снег возможна перезимовка растений под снежным покровом. 20 10. Лед   часто   используют   для   охлаждения   чего­либо,   но охлаждающие   свойства   льда   можно   усилить,   добавив   обычную   соль.   Эта холодильная   смесь   охлаждается   сама   по   себе,   без   дополнительных   затрат энергии, в отличие от электрического холодильника. 11. Для того чтобы охладить жидкость, нужно её поместить под лёд. Не только жидкости можно охладить сверху: мясо, рыбу, овощи нужно для охлаждения   тоже   помещать   под   лед.   Они   охлаждаются   не   столько   самим льдом, сколько остуженным воздухом. Холодный воздух тоже течет вниз, а не вверх. В бытовых условиях охлаждающие свойства льда позволяют быстро охладить, долго и эффективно сохранять продукты питания. В   результате   проведенных   опытов   и   наблюдений,   мы   подтвердили первоначальную гипотезу, согласно которой свойства снега , льда и   жизнь на планете Земля тесно связаны между собой. Мне очень понравилось работать над   выбранной   темой   исследования.  Кроме   наблюдений   и   опытов,   мне пришлось проделать большую работу по изучению литературы о снеге и я узнала много интересного о их тайнах, которые, по моему мнению, ещё не раскрыты   до   конца.    Оказывается,  снег   можно   изучать   не  только   с  точки зрения   связи   с   погодными   условиями,   но   и   с   точки   зрения   физических процессов. Также можно найти связь между количеством снега и урожаем. Я думаю, что тема «Удивительные свойства снега и льда» очень обширна и в своей   работе   я   затронула   лишь   небольшую   её   часть.  Надеюсь,   что   наше поколение тоже внесёт свой вклад в раскрытие тайн снега и льда. 21 Список литературы Печатные источники  1. Богородский В. В.,  Гаврило В. П.  Лёд: Физические  свойства: Современные методы гляциологии: Гидрометеоиздат, 1980. ­ 384 с. 2. Детская энциклопедия / Ред. Л.А. Румянцева: Росмэн, 1994. ­ 128 с. 3. 4. Дюдюм Т.В. Мир воздуха: Персей, Вече, АСТ, 1995. ­240 с. Новая   иллюстрированная   энциклопедия.   В   20   т./Гл.   ред. А.Горкин: ООО «Мир книги», 2003.   5. Новый иллюстрированный энциклопедический словарь / Под ред. В.И.   Бородулина,   А.П.   Горкина,   А.А.   Гусева,   Н.М.   Ланда:   Большая Российская энциклопедия, 2005. ­ 912 с.  Интернет­ресурсы 1. Всё   самое   интересное   из   мира   науки.  Снег   производится бактериями. Сайт  ScienceBlog.ru  [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://scienceblog.ru/2008/03/05/sneg­proizvoditsya­bakteriyami/.   –   Загл.   с экрана.  ­ (25.02.2016). 2. Осокин   Н.   И.     Снег   и   лед   планеты.   Библиофонд   Электронная библиотека   студента   [Электронный   ресурс]. http://bibliofond.ru/view.aspx?id=60142. – Загл. с экрана.  ­ (25.02.2016).   –   Режим   доступа: 3. Свойства льда. Сайт Всё о воде. [Электронный ресурс]. – Режим доступа:  http://sitewater.ru/svojstva­lda.html. – Загл. с экрана.  ­ (26.02.2016). 4. Снежинки. Сайт http://chee­lan.narod.ru/ [Электронный ресурс]. – Режим   доступа:     http://chee­lan.narod.ru/articles/20/news11­snezhinki.html.   – Загл. с экрана.  ­ (26.02.2016).  22 5. Софер М. Реферат на тему Снег. Сайт bukvasha.ru [Электронный ресурс]. – Режим доступа:    http://bukvasha.ru/referat/161868. – Загл. с экрана. ­ (26.02.2016). Приложение 1 Фотография 1. Свежий рыхлый снег Фотография 2. Объём снега и растаявшей воды от него Фотография 3. Грязный и чистый снег Фотография 4. Таяние грязного и чистого снега под настольной лампой 23 Фотография 5. Время начала опыта Фотография 6. Время окончания таяния грязного снега  Фотография 7. Время окончания таяния чистого снега Фотография 8. Первоначальный уровень объёма воды 24 Фотография 9. Уровень объёма воды и образовавшегося льда Фотография 10. Соль и лёд для опыта Фотография 11. Процесс таяния льда, посыпанного солью Фотография 12. Процесс заполнения акварельной краской, образовавшихся канавок во льду от соли 25 Фотография 13. Процесс заполнения акварельной краской, образовавшихся канавок во льду от соли Фотография 14. Процесс заполнения акварельной краской, образовавшихся канавок во льду от соли  Фотография 15. Ёмкости с горячим чаем Фотография 16. Размещение льда на ёмкостях с чаем и под ними  26 Фотография 17. Охлаждение  жидкости льдом, находящимся под ним  Фотография 18. Ёмкости со сладкой, обычной и солёной водой в морозильной камере Фотография 19. Замороженная сладкая, обычная и солёная жидкость, вид сбоку  Фотография 20. Замороженная сладкая, обычная и солёная жидкость, вид сверху  27 Фотография 21. Расколотый кубик льда из сладкой воды  Фотография 22. Расколотый кубик льда из обычной воды  Фотография 23. Расколотый кубик льда из солёной воды  Фотография 24. Ёмкости со льдом  Фотография 25. Ёмкости с тремя образцами жидкости 28 Фотография 26. Время начала замерзания образцов жидкости 29