Кейс «Как остывают пищевые жидкости?»
Кейс «Как остывают пищевые жидкости?»
Проект «Мир вокруг нас: исследования дома, на даче, в группе продленного дня и в школьном лагере с лабораторным оборудованием AFS» для учащихся начальной школы
руководитель группы , МАОУ «СОШ N 91» г. Перми, учитель информатики и ИКТ,
ассистент группы консультант , студентка 3-го курса ПНИПУ, аэрокосмический факультет, специальность ТПМП,
участник команды — , ученица 3А класса МАОУ «Гимназия N 10 » г. Перми
Работа выполнена летом 2013 года (Пермский край, Пермский р-н, село Хохловка)
Номинация, в которой заявляется проект: Внеурочная деятельность. Лучший проект или исследование с цифровой лабораторией AFS
Учебная область: окружающий мир (включая ОБЖ)
Краткая аннотация проекта:
Кейс «Как остывают пищевые жидкости?» — первый в серии из нескольких кейсов исследовательских работ проекта «Мир вокруг нас» для учащихся начальной школы, которые показывают единство и многообразие окружающего мира.
Представленный кейс — отличная возможность провести учениками начальной школы под руководством учителя или старшеклассников ряд исследований, показывающих, какие факторы будут влиять на охлаждение жидкостей, которые мы употребляем в пищу: соков, воды, чая, кофе, молока, кефира, супов.
Так же ученики смогут выяснить, что может помочь сохранить продукты теплыми более длительное время. Интересно для исследования проверить предписания диетологов и реальные температуры, при которых подаются еда и напитки.
Исследования интересны и просты в проведении. В работе представлены подробные описания проведения 2-х разработанных блоков из кейса:
· «Как остывает вода»?
· «Вода, молоко, бульон: что остынет быстрее?»
А так же представлены идеи других работ по теме, чтоб более глубоко исследовать данный вопрос и сделать выводы по факторам, влияющим на изменение температуры нагретых пищевых жидких продуктов.
Данная тема очень актуальна в начальной школе. Дети научатся:
· Соблюдать правила личной безопасности при работе с пищевыми жидкими продуктами (нормы безопасности жизнедеятельности)
· Научатся остужать горячие жидкости без ущерба для здоровья,
· Сами выведут правила сохранения тепла и охлаждения пищевых жидкостей в результате экспериментальной деятельности. Их размышления на тему «почему так происходит?» приведут их к формулировке важных законов термодинамики, которые найдут подтверждение в их практической деятельности и реальной жизни
Цель проекта: разработать и провести работы по теме «Как остывают пищевые жидкости» с использованием лабораторного оборудования AFS для учащихся начальной школы.
· Создать работы для учащихся начальной школы по теме «Как остывают пищевые жидкости?» (кейс заданий)
· Провести их апробацию с учащимися начальной школы (формулирование гипотез, проведение работы, фиксация результатов, их обсуждение)
· Доработать кейс с учетом полученных данных.
1. «Обжегшись на молоке, дуют на воду». Исследовательская работа. Режим доступа: http://www. *****/mim/mim/intro/*****. htm
2. «Начинаем изучать! Исследуем температуру». ПГК «Развитие образовательных систем». Москва, 2011
3. Блог на сайте компании «РОС». Режим доступа: http://www. *****/blogs/
Краткие результаты и выводы:
1. Данный проект будет, безусловно, интересен как ученикам начальных классов, так и педагогам
2. Исследования посильны для учеников начальной школы (под наблюдением взрослых). Дети сами могут вести записи, делать выводы.
3. Учащиеся после выполнения работ с воодушевлением планируют дальнейшие работы, делают выводы, пытаются объяснить полученный результат. Формируются навыки исследовательской деятельности, регулятивные УУД.
4. Данные, полученные в результате экспериментов, помогут разрушению многих мифов и стереотипов, сложившихся у взрослых. Дети смогут более адекватно воспринимать правила и нормы поведения за столом, взаимодействия с горячими пищевыми продуктами.
Кейс «Как остывают пищевые жидкости?»
Чай, кофе, молоко, суп: как быстрее остудить и как дольше сохранить горячим?
Всем известно, что горячая вода, молоко, суп и другие использующиеся в пищу жидкости, будучи нагретыми, остывают при комнатной температуре.
От чего зависит скорость остывания жидкостей?
Какую посуду лучше выбрать, чтоб быстрее остудить еду?
Чем стоит воспользоваться, чтоб еда дольше сохранилась горячей?
Одинаково ли остывают суп и чай?
Какие еще факторы влияют на остывание жидкостей?
На эти и другие вопросы поможет нам ответить наша работа.
Обратите внимание: работу нужно выполнять при помощи взрослых (самостоятельно можно выполнить с 4 класса, используя горячую воду из-под крана)!
Тема: Как остывает горячая вода?
Очень часто чай, кофе и другие напитки бывают слишком горячими для питья.
За сколько времени остынет горячая вода?
От чего зависит скорость ее остывания?
Какую посуду можно использовать, чтоб вода побыстрее остыла?
Цель работы: определить, от чего зависит скорость остывания горячей воды в бытовых условиях?
Тема: перенос тепла от жидкости к воздуху и твердым материалам (физика, окружающий мир, ОБЖ – профилактика ожогов)
· Электрический чайник 1 штука,
· Стеклянный стакан (в который можно наливать кипящую воду) – 1 штука,
· Пластиковая кружка – 1 штука,
· Кружка из толстого фарфора – 2 штуки,
· Чайная ложка – 1 штука,
· Железная миска – 1 штука,
· Железная плоская тарелка – 1 штука,
· Мерная стеклянная ёмкость – 1 штука
· Датчик температуры (обычный или Go! Temp) – 1 штука
· Сотовый телефон с секундомером – 1 шт.
Вы так же можете использовать датчик температуры Go! Temp и компьютер с программным обеспечением Logger Lite
1. Возьмем 6 емкостей для проверки скорости охлаждения воды:
· стеклянный стакан с чайной ложкой,
· фарфоровая высокая кружка,
· железная плоская тарелка.
Все ёмкости должны быть комнатной температуры.
Можно проводить парное сравнение (по две емкости на эксперимент). Мы проводили работу сразу со всеми 6-ю емкостями.
2. Приготовьте УИОД Lab Quest2: подсоедините датчик температуры. В данном эксперименте вам понадобится измерение текущей температуры.
3. Сформулируем гипотезу исследования: как вы считаете, в каком из сосудов быстрее остынет вода? Почему?
4. Нагрейте воду в чайнике примерно до 60-70 градусов Цельсия (чтоб вода была еще не кипящей).
5. Разлейте ее по емкостям, используя одну и ту же процедуру: наливаете 100 мл жидкости из чайника в мерную кружку, из нее уже в подготовленные сосуды. Это занимает по времени примерно 1 минуту.
6. Сразу же после разливания воды по всем сосудам проводим измерение температуры воды в каждом. Не забывайте погружать датчик в холодную воду между измерениями горячей воды. Включаем секундомер после измерения воды в первом сосуде. Фиксируем первоначальные результаты в таблице.
Керамич. кружка с ложкой
Керамич. кружка без ложки
Железная плоская тарелка
7. В таблице фиксируются результаты через 1, 5 иминут. Проверяется гипотеза исследования. Делаются выводы:
· В каком сосуде жидкость остыла быстрее?
· Влияет ли железная ложка, добавленная в чашку, на температуру остывания воды?
· Одинаковая ли динамика остывания жидкости в зависимости от времени? Или в какой-то посуде жидкость сначала остывала быстро, а затем процесс остывания замедлился?
· В какой посуде жидкость осталась самой горячей?
· Почему быстрее остыла жидкость в некоторых видах посуды? С чем это было связано?
· Почему в некоторых сосудах жидкость остывала долго?
· Нагрелась ли поверхность посуды при остывании жидкостей? Какие правила безопасности надо соблюдать? Посуду из каких материалов уместнее использовать для питания детей в школе и дома?
«Вода, Млоко, Бульон: что остынет быстрее?»
Мы пьем не только воду: бывают на нашем столе и подогретое молоко, и горячий бульон. Отличаются ли эти жидкости от воды? Безусловно, ведь в их составе есть жиры и белки. Как вы считаете, будет ли различие в остывании этих жидкостей?
Цель работы: определить, что остынет быстрее: вода, бульон или молоко?
Тема: перенос тепла от жидкости разного состава к воздуху и твердым материалам (физика, окружающий мир, ОБЖ – профилактика ожогов)
· Микроволновая печь – 1 штука,
· Стеклянный стакан (в который можно наливать кипящую воду) – 1 штука,
· Куриный бульон (или бульон из бульонного кубика, или вода с налитым сверху растительным маслом),
· Молоко (можно парное),
· Мерная стеклянная ёмкость – 1 штука
· Датчик температуры (обычный или Go! Temp) – 1 штука
Вы так же можете использовать датчик температуры Go! Temp и компьютер с программным обеспечением Logger Lite
Настройка оборудования: Lab Quest2 должен быть настроен на автоматическое измерение в течение 12 минут по 10 измерений в минуту. Тип представления информации – график.
Выполним работу сначала для воды. Далее по данному плану будут выполнены работы для бульона и молока.
Важно! Постарайтесь, чтобы все жидкости в начале измерения имели ОДИНАКОВУЮ температуру около 50-60 градусов Цельсия.
Сформулируем гипотезу исследования: как вы считаете, что остынет быстрее: вода, молоко или бульон? Почему вы так считаете?
Далее выполним следующие операции:
1. Возьмем стеклянный стакан. Нальем в него 150 мл воды (можно комнатной температуры), нагреем стакан в микроволновке (или подогреем воду в чайнике и налить в стакан)
2. Погрузите датчик температуры в стакан с нагретой водой. Зафиксируйте ее начальную и конечную температуру в таблице:
3. Выполните действия п. п. 1-2 для молока и бульона.
4. Сравните графики и итоговые температуры. Сделайте вывод:
· Одинаково ли остывают жидкости? Как вы считаете, с чем это связано?
· Есть ли особая разница между остыванием воды, бульона, молока?
· Сравните конечные температуры остывания жидкостей. Сильно ли они отличаются?
· По мнению врачей-диетологов, оптимальная температура еды должна составлять от 20 до 36 градусов. За какое время остынут до данной температуры указанные жидкости?
Еще примеры экспериментов:
1. Обычно люди дуют на чай, молоко или суп для того, чтоб они остыли. На сколько обоснован этот метод?
2. Остужаем воду в квартире и на улице. Где быстрее остынет жидкость? Какие еще факторы стоит при этом учесть?
3. Влияет ли помешивание жидкостей на время их остывания?
4. Есть ли разница во времени при остывании бульона, супа-пюре и супа типа «борщ» с овощами?
5. Влияет ли форма тарелок на скорость остывания супа? Пиалы, фарфоровые тарелки или тарелки ресторанного типа – в каких именно тарелках суп дольше остается горячим?
6. Влияет ли температура ложки, положенной в стакан с горячим чаем, на скорость его охлаждения?
7. На сколько крышка, закрывающая чашку или тарелку с горячей водой, влияет на ее остывание?
8. Эффективен ли народный метод охлаждения жидкостей: наливать в железную чашку, чашку поместить в ёмкость с холодной водой, помешивать жидкость в чашке?
В итоге ученики могут прийти к выводам, что на скорость остывания жидкостей влияют:
· Посуда, в которой она находится,
· Состояние окружающей среды: температура, ветер
· Добавленные в жидкость для ее охлаждения металлические предметы помогают в ее охлаждении, если сами изначально достаточно холодные
· Помешивание может повысить эффективность остывания жидкости
· Металлическая посуда и некоторые виды керамики могут сильно нагреваться, когда в них нальют горячую жидкость. Нельзя их трогать, прикасаться к ним и брать их без прихваток или специальных полотенец.
Источник
Эффект Мпембы. Длиннотекст.
И так, что это и с чем его едят?
Эффект Мпембы (Парадокс Мпембы) — парадокс, который гласит, что горячая вода при некоторых условиях замерзает быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания. Данный парадокс является экспериментальным фактом, противоречащим обычным представлениям, согласно которым при одних и тех же условиях более нагретому телу для охлаждения до некоторой температуры требуется больше времени, чем менее нагретому телу для охлаждения до той же температуры.
Этот феномен замечали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт, однако лишь в 1963 году танзанийский школьник Эрасто Мпемба установил, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная.
Будучи учеником Магамбинской средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу. Ему нужно было изготовить самодельное мороженое — вскипятить молоко, растворить в нем сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был особо усердным учеником и промедлил с выполнением первой части задания. Опасаясь, что не успеет к концу урока, он поставил в холодильник еще горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по заданной технологии.
После этого Мпемба экспериментировал не только с молоком, но и с обычной водой. Во всяком случае, уже будучи учеником Мквавской средней школы он задал вопрос профессору Деннису Осборну из университетского колледжа в Дар-Эс-Саламе (приглашенному директором школы прочесть ученикам лекцию по физике) именно по поводу воды: «Если взять два одинаковых контейнера с равными объемами воды так, что в одном из них вода имеет температуру 35°С, а в другом — 100°С, и поставить их в морозилку, то во втором вода замерзнет быстрее. Почему?» Осборн заинтересовался этим вопросом и вскоре в 1969 году они вместе с Мпембой опубликовали результаты своих экспериментов в журнале «Physics Education». С тех пор обнаруженный ими эффект называется эффектом Мпембы.
До сих пор никто точно не знает, как объяснить этот странный эффект. У учёных нет единой версии, хотя существует много. Всё дело в разнице свойств горячей и холодной воды, но пока не понятно, какие именно свойства играют роль в этом случае: разница в переохлаждении, испарении, формировании льда, конвекции или воздействии разжиженных газов на воду при разных температурах.
Парадоксальность эффекта Мпембы в том, что время, в течение которого тело остывает до температуры окружающей среды, должно быть пропорционально разности температур этого тела и окружающей среды. Этот закон был установлен еще Ньютоном и с тех пор много раз подтверждался на практике. В данном же эффекте вода с температурой 100°С остывает до температуры 0°С быстрее, чем такое же количество воды с температурой 35°С.
Тем не менее, это еще не предполагает парадокс, поскольку эффекту Мпембы можно найти объяснение и в рамках известной физики. Вот несколько объяснений эффекта Мпембы:
Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объём, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. Нагретая до 100 С вода теряет 16% своей массы при охлаждении до 0 С.
Эффект испарения – двойной эффект. Во-первых, уменьшается масса воды, которая необходима для охлаждения. И во-вторых, снижается температура из-за того, что уменьшается теплота испарения перехода из фазы воды в фазу пара.
Из-за того, что разница температур между горячей водой и холодным воздухом больше — следовательно теплообмен в этом случае идет интенсивнее и горячая вода быстрее охлаждается.
Когда вода охлаждается ниже 0 С она не всегда замерзает. При некоторых условиях она может претерпевать переохлаждение, продолжая оставаться жидкой при температурах ниже температуры точки замерзания. В некоторых случаях вода может оставаться жидкой даже при температуре –20 С.
Причина этому эффекту в том, что для того, чтобы начали формироваться первые кристаллы льда нужны центры кристаллообразования. Если их нет в жидкой воде, тогда переохлаждение будет продолжаться до тех пор, пока температура не понизится настолько, что кристаллы начнут формироваться спонтанно. Когда они начнут формироваться в переохлаждённой жидкости, они начнут расти быстрее, формируя лёдовую шугу, которая замерзая, будет образовывать лёд.
Горячая вода больше всего подвержена переохлаждению поскольку её нагревание устраняет растворённые газы и пузырьки, которые в свою очередь, могут служить центрами образования кристаллов льда.
Почему же переохлаждение заставляет горячую воду застывать быстрее? В случае с холодной водой, которая не переохлаждается происходит следующее. В этом случае тонкий слой льда будет образовываться на поверхности сосуда. Этот слой льда будет действовать как изолятор между водой и холодным воздухом и будет препятствовать дальнейшему испарению. Скорость формирования кристаллов льда в этом случае будет меньше. В случае с горячей водой, подвергающейся переохлаждению, переохлаждённая вода не имеет защитного поверхностного слоя льда. Поэтому она теряет тепло намного быстрее через открытый верх.
Когда процесс переохлаждения заканчивается и вода замерзает, теряется намного больше тепла и поэтому формируется больше льда.
Многие исследователи этого эффекта считают переохлаждение главным фактором в случае с эффектом Мпемба.
Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу.
Объясняется этот эффект аномалией плотности воды. Вода имеет максимальную плотность при 4 С. Если охладить воду до 4 С и положить её при более низкой температуре, поверхностный слой воды замерзнет быстрее. Потому что эта вода менее плотная чем вода при температуре 4 С, она останется на поверхности, формируя тонкий холодный слой. При этих условиях тонкий слой льда будет формироваться на поверхности воды в течение короткого времени, но этот слой льда будет служить изолятором, защищающим нижние слои воды, которые будут оставаться при температуре 4 С. Поэтому дальнейший процесс охлаждения будет проходить медленнее.
В случае с горячей водой ситуация совершенно иная. Поверхностный слой воды будет охлаждаться более быстрее за счёт испарения и большей разницы температур. Кроме того, холодный слои воды более плотные, чем слои горячей воды, поэтому слой холодной воды будет опускаться вниз, поднимая слой тёплой воды на поверхность. Такая циркуляция воды обеспечивает быстрое падение температуры.
Но почему этот процесс не достигает точки равновесия? Для объяснения эффекта Мпембы с этой точки зрения конвекции следовало бы принять, что холодные и горячие слои воды разделены и сам процесс конвекции продолжается после того, как средняя температура воды опустится ниже 4 С.
Однако, нет экспериментальных данных, которые подтверждали бы эту гипотезу, что холодные и горячие слои воды разделены в процессе конвекции.
Растворённые в воде газы
Вода всегда содержит растворённые в ней газы – кислород и углекислый газ. Эти газы имеют способность уменьшать точку замерзания воды. Когда вода нагрета, эти газы выделяются из воды, поскольку их растворимость в воде при высокой температуре ниже. Поэтому когда горячая вода охлаждается, в ней всегда меньше растворённых газов, чем в не нагретой холодной воде. Поэтому точка замерзания нагретой воды выше и она замерзает быстрее. Этот фактор иногда рассматривается как главный при объяснении эффекта Мпембы, хотя никаких экспериментальных данных, подтверждающих этот факт нет.
Этот механизм может играть существенную роль когда вода помещается в морозильник холодильной камеры в небольших контейнерах. В этих условиях замечено, что контейнер с горячей водой протаивает под собой лёд морозильной камеры, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозилки и теплопроводность. В результате чего, тепло отводится от контейнера с горячей водой быстрее, чем от холодного. В свою очередь контейнер с холодной водой не протаивает под собой снег.
Все эти (а также другие) условия изучались во многих экспериментах, но однозначного ответа на вопрос — какие из них обеспечивают стопроцентное воспроизводство эффекта Мпембы — так и не было получено.
Так, например, в 1995 году немецкий физик Давид Ауэрбах изучал влияние переохлаждения воды на этот эффект. Он обнаружил, что горячая вода, достигая переохлажденного состояния, замерзает при более высокой температуре, чем холодная, а значит быстрее последней. Зато холодная вода достигает переохлажденного состояния быстрее горячей, компенсируя тем самым предыдущее отставание.
Кроме того, результаты Ауэрбаха противоречили полученным ранее данным, что горячая вода способна достичь большего переохлаждения из-за меньшего количества центров кристаллизации. При нагревании воды из нее удаляются растворенные в ней газы, а при ее кипячении выпадают в осадок некоторые растворенные в ней соли.
Утверждать пока можно только одно — воспроизводство этого эффекта существенно зависит от условий, в которых проводится эксперимент. Именно потому, что воспроизводится он далеко не всегда.
Источник
