Проекты

Создание экспериментальной установки для исследования физического взаимодействия жидкой и газообразной сред

Работа победителя открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» в секции «Нанотехнологии. Теоретические и фундаментальные исследования. Математика и механика» среди работ учащихся 10−11 классов

Направление работы: Физическое моделирование
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1502
Предметы: Физика, Химия
Классы: 10 класс, 8 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Наука для жизни» 04−05 апреля 2019 года

Актуальность

Процессы взаимодействия воды и воздуха, а именно, процесс парообразования-конденсации и процесс поглощения воздуха водой, – являются фундаментальными процессами, обеспечивающими функционирование экосистемы Земли, жизнь подводных глубин. И если процесс парообразования и конденсации можно наблюдать в быту, то процесс поглощения воздуха водой скрыт от человека. Проект посвящён созданию устройства, которое бы позволило фиксировать поглощение воздуха водой, уловить «дыхание» воды.

Как известно, человек активно использует принципы этих природных процессов в своей деятельности. При искусственном разведении живых организмов (рыб, бактерий) используются системы аэрации, процесс испарения-конденсации является основой всевозможных систем охлаждения.

Авторы ознакомились с процессом биологической очистки сточных вод и обратили внимание, что примерно 60 % энергозатрат на очистку приходится на систему аэрации, но лишь 1,5–3 % подаваемого кислорода переходят в воду. Очевидно, что в этом процессе есть возможности для оптимизации.

Цель работы: создание экспериментальной установки, позволяющей исследовать процесс поглощения воздуха водной средой при различных условиях: изменении химического состава воды, изменении давления воздуха и температуры сред.

Основная задача состояла в том, чтобы обеспечить достаточную чувствительность установки для сравнения получаемых с её помощью данных при изменении указанных факторов.

Содержание работы

Существующие аналоги и методы измерения содержания газов в воде (титрование по Винклеру, газоаналитический и оптический) проблематично использовать при высоких давлениях. Процесс создания установки стал настоящим исследованием.

В литературе были найдены данные относительно объёма поглощаемого воздуха в зависимости от давления воздуха и температуры воды, скорость поглощения воздуха водой. Эти данные относятся к воде без примесей. Кроме этого, в указанной литературе не содержится описаний методов и установок, с помощью которых эти данные получены. Тем не менее, эта литература оказалась очень полезна для создания концепции установки и сравнения получаемых результатов для чистой воды.

С помощью учебника И.Л. Монгайта и И.Д. Родзиллера авторы оценили, какой объём воздуха должен поглощаться в заданных условиях, и поняли, что установка должна быть крайне чувствительна – необходимо улавливать падения давления воздуха за счёт поглощения водой в экспериментальной ёмкости на уровне 0,01 %. Этот факт предопределил саму идею установки, где измерения проводятся с помощью жидкостного дифференциального манометра, которым авторы смогли улавливать падения давления на уровне 10 Па (1 мм водяного столба на шкале).

Изучение закона Генри позволило сделать оценку размеров шкалы измерений дифференциального манометра, а также проверить, насколько результаты тестовых экспериментов соответствуют данному закону.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

Процесс поглощения воздуха водой происходит в герметичной ёмкости с полупрозрачными стенками. В этой ёмкости возможно создавать избыточное давление (до 300 кПа), менять температурный режим, помещая ёмкость в резервуар с водой заданной температуры. Устройством для измерения эффектов испарения и поглощения воздуха водой является U-образная трубка, заполненная частично водой, выполняющая функцию жидкостного дифференциального манометра. По разности в высоте столбиков воды в U-образной трубке можно отследить изменение давления воздуха в ёмкости с точностью до 10 Па (1 мм на шкале).

Процесс поглощения воздуха водой исследуется при избыточном давлении, которое создаётся в герметичной ёмкости с водой и вспомогательном ресивере с помощью воздушного насоса. Избыточное давление показывается манометрами, установленными на ёмкости и ресивере. Процесс поглощения воздуха водой в ёмкости сопровождается незначительным уменьшением давления воздуха, которое отслеживается на дифференциальном манометре.

По изменению давления в ёмкости определяется количество поглощённого водой воздуха.

Выводы

Результатом работы является создание установки для исследования процессов испарения воды и поглощения воздуха водой при требуемых условиях. Получены результаты пробных экспериментов, которые детально описаны в тексте работы. Авторам удалось уловить «дыхание» воды. Применённый метод измерения падения давления воздуха вследствие его поглощения водой по простоте можно сравнить с аптекарскими рычажными весами. При этом, подобно аптекарским весам, он позволил измерить малейшее поглощение воздуха и наглядно его продемонстрировать.

Перспективы использования результатов работы

Перспективы дальнейших исследований заключаются в использовании созданной установки для оптимизации технологических процессов аэрации.

Награды/достижения

Работа является победителем Московской городской конференции школьников-2019 в инженерном и научно-технологическом направлении, победителем XXVIII Открытой московской инженерной конференции «Потенциал», участником International Conference of Young Scientists 2019 (Куала-Лумпур).

Особое мнение

«Принимаем участие в конференции «Наука для жизни» второй год. Очень рады, что количество интересных работ увеличивается. Особенно ценим возможность участвовать в стендовой сессии. Этот формат не так часто используется на конференциях школьников, но помогает лучше продемонстрировать работу и получить мнение каждого эксперта в процессе общения»