Моделирование природных процессов

Моделирование природных процессов

Автор: ученица 8 класса

Горячих Анастасия

Научный руководитель:

,

учитель физики

2009 г

Оглавление

Аннотация. 3

План исследования. 4

Научная статья. 6

Физические свойства воды.. 6

Опреснение соленой воды методом вымораживания. 8

Опреснение воды методом перегонки. 9

Морозное выветривание. 9

Практическая часть. 11

Полезная информация. 13

Использованные источники информации. 15

Аннотация

Мы мало задумываемся над тем, что представляет собой вода. Она повсюду и, кажется, нет ничего проще. Но это не так!

Многие поколения ученых изучают воду и открывают все новые ее свойства. Несмотря на это природа воды не познана до конца. Мы решили познакомиться с некоторыми свойствами этого удивительного вещества.

Цели работы:

1.  Познакомиться со свойствами воды.

2.  Знакомство с основными свойствами природных процессов: морозное выветривание и опреснение.

3.  Изучить способы опреснения воды.

4.  Смоделировать морозное выветривание и опреснение в домашних условиях.

При выполнении работы были проведены лабораторные исследование: смоделированы природные процессы (морозное выветривание), проведены опыты по опреснению соленой воды.

Полученные результаты подтвердили гипотезы о разрушении горных пород водой и о преимуществах способов опреснения воды.

План исследования

Вода - весьма распространенное на земле вещество. Почти 3/4 поверхности земного шара покрыты водой, образующей океаны, моря, реки озера. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и в полярных странах. В недрах земли также находиться вода, пропитывающая почву и горные породы.

Воды на Земле много, но 97% - это солёная вода океанов и морей, и лишь 3% - пресная. Из этих три четверти почти недоступны живым организмам, так как эта вода «законсервирована» в ледниках гор и полярных шапках (ледники Арктики и Антарктики).

В стране Чили мало пресной воды, жители этой страны перевозят айсберги, растапливают их и так получают пресную воду. Я решила сделать из соленой воды пресную.

Один из способов отделения примесей растворенных солей, применяемых на практике (опреснение воды) – вымораживание, другой - методом перегонки.

Предположим, что метод вымораживания трудоемкий, и потребуется больше затрат на его осуществлении, и он более длительный, чем метод перегонки.

Вода дает жизнь, но может и разрушать.

Предположим, что горные породы разрушаются из-за перепадов температуры. Замерзая, вода, разрушает горы и не только горы, но и здания.

Работа носит исследовательский характер и выполнена с помощью методик.

Опреснение соленой воды

Цель работы: получить из соленой воды пресную.

Оборудование: стакан воды, столовая ложка соли, пластиковая ванночка, морозильная камера.

Ход работы:

·  Размешайте столовую ложку соли в чистой воде, ванночку с соленой водой поставьте в морозильную камеру. Когда вода замерзнет на 1/3, отделите лед от воды, растопите его, попробуйте на вкус. Если вода оказалась соленой, повторите опыт.

·  Повторите опыт несколько раз. Добейтесь получения пресной воды. Сделайте вывод. Объясните причину полученного явления.

Опреснение воды методом перегонки

Цель работы: получить из соленой воды пресную.

Оборудование: прибор для перегонки воды, 100 г воды, столовая ложка соли.

Ход работы:

·  Познакомьтесь с устройством аппарата для дистилляции воды.

·  Размешайте соль в воде до полного растворения.

·  Подключить прибор согласно инструкции.

·  Подождите пока пар сконденсируется и в стаканчике соберется вода.

·  Определите на вкус получившуюся воду.

 

Морозное выветривание

Цель работы: выяснить устойчивость различных образцов к замораживанию.

Оборудование: образцы горных пород, образцы строительных материалов, пластиковые ванночки, морозильная камера.

Ход работы:

·  Разложите по ванночкам найденные образцы, залейте их водой, поставьте в морозильную камеру. Через день-два разморозьте ванночки, что произошло с образцами?

·  Повторите опыт несколько раз. Сделайте вывод. Объясните причину полученных явлений.

Научная статья

Физические свойства воды

Чистая вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость. Плотность воды при переходе ее из твердого состояние в жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает. При нагревании воды от 0 до 40С плотность ее также увеличивается. При 40С вода имеет максимальную плотность, и лишь при дальнейшем нагревании ее плотность уменьшается.

Если бы при понижении температуры и при переходе из жидкого состояния в твердое плотность воды изменялась так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природных вод охлаждались бы до 00С и опускались на дно, освобождая место более теплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоема не приобрела бы температуру 00С. Далее вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно и водоем промерзал бы на всю его глубину. При этом многие формы жизни в воде были бы невозможны. Но так как наибольшей плотности вода достигает при 40С, то перемещение ее слоев, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. При дальнейшем понижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.

Большое значение в жизни природы имеет и тот факт, что вода обладает аномально высокой удельной теплоемкостью (4200 Дж/кг.) поэтому в ночное время, а также при переходе от зимы к лету так же медленно нагревается, являясь, таким образом, регулятором температуры на земном шаре.

Молекулы образуют слои, причем каждая из них связана с тремя молекулами, принадлежащими к тому же слою, и с одной – из соседнего слоя. Структура льда принадлежит к наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, размеры которых несколько превышают размеры молекул.

При плавлении льда его структура разрушается. Но и в жидкой воде сохраняются водородные связи между молекулами: образуются ассоциаты – как бы обломки структуры льда, - состоящих из большего или меньшего числа молекул воды. Однако в отличии ото льда каждый ассоциат существует очень короткое время: постоянно происходит разрушение одних и образование других агрегатов. В пустотах таких «ледяных» агрегатов могут размещаться одиночные молекулы воды; при этом упаковка молекул воды становиться более плотной. Именно поэтому при плавлении льда объем, занимаемой водой, уменьшается, а ее плотность возрастает.

По мере нагревания воды, обломков структуры льда в ней становится все меньше, что приводит к дальнейшему повышению плотности воды. В интервале температур от 0 до 4 0С этот эффект преобладает над тепловым расширением, так что плотность воды продолжает возрастать. Однако при нагревании выше 40С вода обладает максимальной плотностью. При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей (энергия разрыва водородной связи в воде составляет примерно 25 кДж/моль). Этим объясняется высокая теплоемкость воды. Водородные связи между молекулами воды полностью разрываются только при переходе воды в пар.

По состоянию различают:

* Твёрдое — лёд

* Жидкое — вода

* Газообразное — водяной пар

При температуре 374 °C (647 K) и давлении 22,064 MPa (218 атм) вода проходит критическую точку и исчезает различие между жидкой и газообразной фазой, система становится физически однородной.

Так же возможны метастабильные состояния — пересыщенный пар, перегретая жидкость, переохлаждённая жидкость. Эти состояния могут существовать длительное время, однако они неустойчивы и при соприкосновении с более устойчивой фазой происходит переход. Например, нетрудно получить переохлаждённую жидкость, охладив чистую воду в чистом сосуде ниже 0 °C, однако при появлении центра кристаллизации жидкая вода быстро превращается в лёд.

Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60% эффекта. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, на чем основан принцип действия микроволновой печи.

Наименование	Вода
Химическая формула	Н2O
Молярная масса	18,01528 г/моль
Физические свойства
Температура плавления	0 °C
Температура кипения	99.974 °C
Тройная точка	0,01 °C, 611,73 Па
Критическая точка	374 °C, 22,064 MПa
Плотность вещества	0,9982 г/см³
Состояние	жидкость
Удельная теплоёмкость	4200 Дж/(кг·ºС)
Удельная теплота парообразования	2,3·106 Дж/кг

Опреснение соленой воды методом вымораживания

Вода – одно из самых простых, распространенных в природе веществ. Вода обладает рядом удивительных свойств, некоторые из них до сих пор не изучены до конца. Попробуйте исследовать некоторые свойства этого удивительного вещества. Запасы пресной воды на Земле невелики. Как это не странно, но одним из источников пресной воды служат айсберги, льды Северного Ледовитого океана. Замерзая, морская вода становится пресной. Так ли это?

Наиболее ценной составной частью морской воды является пресная вода. Нехватка пресной воды все больше ощущается даже в таких странах, как Соединенные Штаты, где с ежегодным уровнем осадков дело обстоит совсем неплохо. Во многих областях Соединенных Штатов потребность в пресной воде для бытовых нужд, сельского хозяйства и промышленности превышает ее имеющиеся запасы. В таких странах, как Израиль или Кувейт, где уровень осадков очень низок, запасы пресной воды совершенно не соответствуют потребностям в ней, которые; возрастают в связи с модернизацией хозяйства и приростом населения. В конце концов все человечество окажется перед необходимостью рассматривать океаны как источник воды.

Опреснить соленую воду можно методом вымораживания. Познакомьтесь с этим методом.

Этот метод основан на том, что образование кристаллов льда при снижении температуры ниже 0 градусов происходит только из молекул воды (явление криоскопии). Вследствие этого пресная вода выделяется в виде льда из раствора. Раствор становится все более и более концентрированным. Если затем слить образовавшийся рассол и растопить лед, то получится обессоленная вода.

Этот метод является крайне трудоемким, тем более что автоматизировать его очень сложно. Степень очистки таким методом сложно спрогнозировать и возможно потребуется несколько циклов замораживания-размораживания, чтобы получить действительно обессоленную воду. Кроме того, нельзя гарантировать полной дезинфекции этой воды. Есть и еще одна особенность, связанная с данным методом. Это накопление концентрации так называемой тяжелой воды, химически такой же, как и обычная, но имеющей в своем составе более тяжелый изотоп водорода, который является радиоактивным. Тяжелая вода замерзает первой и сразу включается в состав образующегося льда. Избежать этого можно, только если убирать первую корочку льда, образующуюся в самом начале вымораживания. Это еще больше усложняет и без того не простую методику.

Опреснение воды методом перегонки

Процесс опреснения воды методом вымораживания очень трудоемкий, существуют и другие методы очистки воды, в частности способ перегонки.

Солёная вода – смесь воды и соли. В смеси вещества сохраняют свои свойства. Разделение воды и соли основывается на различии температур кипения. Вода и соль имеют разную температуру кипения. У воды она гораздо ниже (100 0С) и при нагревании вода будет испаряться первой.

Испарившаяся вода (пар) конденсируется, т. е. при перегонке мы получим обессоленную воду.

Морозное выветривание

Физическое выветривание проявляется в механическом разрушении коренных горных пород под воздействием солнечной энергии, атмосферы и воды. Горные породы подвергаются то нагреванию, то охлаждению. При нагревании происходит расширение и увеличение их объёма, при охлаждении - сжатие и уменьшение объёма. Это расширение и сжатие очень невелики; но, сменяя друг друга не день и не два, а целые сотни и тысячи лет, они, в конце концов, обнаружат свое действие. Горные породы состоят из разных минералов, одни из которых расширяются больше, другие меньше. За счёт разного расширения в этих минералах возникают большие напряжения, неоднократные действия которых приводят, в конце концов, к ослаблению связей между минералами и порода рассыпается, превращаясь в скопление мелких обломков, щебня, грубого песка. Особенно интенсивно разрушаются много минеральные горные породы (граниты, гнейсы и др.). Кроме того, коэффициент линейного расширения даже у одного и того же минерала неодинаков в разных направлениях. Это обстоятельство при колебаниях температуры вызывает напряжения и нарушения сцепления минеральных зёрен и в одно-минеральных породах (известняк, песчаник), что приводит со временим к их разрушению.

На скорость выветривания оказывает влияние величина слагающих её минеральных зёрен, а также их окраска. Тёмные породы нагреваются, а значит, расширяются больше, чем светлые, которые сильнее отражают солнечные лучи. Такое же значение имеет и цвет отдельных зерен в породе. В породе, состоящей из зёрен разного цвета, сцепление зёрен будет ослабевать быстрее, чем в породе, состоящей из зёрен одного цвета. Наименее устойчивы к смене холода и жары породы, состоящие из крупных зёрен разного цвета.

Ослабление сцепления между зернами приводит к тому, что эти зерна отделяются друг от друга, порода теряет прочность и рассыпается на свои составные части, превращаясь из твердого камня в рыхлый песок или дресву.

Температурное выветривание особенно активно происходит в областях с жарким континентальным климатом - в пустынных районах, где очень велики суточные перепады температуры и характерно отсутствие или весьма слабое развитие растительного покрова, и малое количество атмосферных осадков. Кроме того, температурное выветривание весьма интенсивно протекает на склонах высоких гор, где воздух прозрачнее и инсоляция гораздо сильнее, чем на соседних низменностях. Разрушающее действие на горные породы в пустыне оказывают кристаллики солей, образующиеся при испарении воды в тончайших трещинках и увеличивающие давление на их стенки. Капилярные трещинки под действием этого давления расширяются, и монолитность породы нарушается. Различные породы разрушаются с различной скоростью. Великие египетские пирамиды, сложенные из глыб желтоватых песчаников, ежегодно теряют 0,2 мм своего наружного слоя, что приводит к накоплению осыпей (у подножия пирамиды Хуфу образуются осыпи объёмом 50 мЗ/год). Скорость выветривания известняков составляет 2 -3 см в год, а гранит разрушается намного медленнее. Иногда выветривание приводит к своеобразному чешуйчатому шелушению, называемому десквамация пород. Это отслаивание тонких пластинок от поверхности обнажённых пород. В результате неправильные по форме глыбы превращаются в почти правильные шары, напоминающие каменные пушечные ядра (например, в Восточной Сибири, в долине реки Нижняя Тунгуска). Во время дождя утёсы намокают: одни породы - пористые, сильно трещиноватые - больше, другие - плотные - меньше; потом они опять высыхают. Попеременное высыхание и намокание тоже сказывается на ослаблении сцепления частиц.

"Так, потихоньку, из-за дня в день, из года в год, из века в век, работают незаметные силы над "разрушением горных пород, над их выветриванием. Как они работают, мы не замечаем, но плоды их трудов видны везде: сплошная твердая скала, которая первоначально была рассечена только тонкими трещинами, оказывается, благодаря выветриванию, более или менее сильно разрушенной; первые трещины расширены, появились новые в еще большем числе; от всех углов и краев отвалились мелкие и крупные куски и лежат тут же кучками у подножия скалы или скатились вниз по склону, образуя осыпи. Гладкая поверхность скалы стала шероховатой, изъеденной; на ней местами видны лишаи, местами выбоины и щели, местами черные или ржавые подтеки". (Обручев)

Практическая часть

Опреснение соленой воды

В стране Чили мало пресной воды, жители этой страны перевозят айсберги, растапливают их и так получают пресную воду. Я решила сделать из соленой воды пресную.

1. Я налила в пластмассовую баночку 200 мл воды, положили одну столовую ложку соли и размешала. Затем поставила баночку в морозилку. Через 10 минут вода замерзла на 1/3.

2. Я слила воду, а лёд растопила. Вода оказалась немного соленой. Опыт повторила, после третьего раза вода стала пресной. Это я определила на вкус.

Почему вода становится пресной?

Этот метод основан на том, что образование кристаллов льда при снижении температуры ниже 0 градусов происходит только из молекул воды (явление криоскопии). Вследствие этого пресная вода выделяется в виде льда из раствора. Раствор становится все более и более концентрированным. Если затем слить образовавшийся рассол и растопить лед, то получится обессоленная вода.

Опреснение воды методом перегонки

На Земле всего 2% пресной воды. Основная часть воды находится в морях и океанах, то есть она солёная. Издавна перед людьми вставал вопрос, как получить из солёной воды пресную, чтобы не брать её в морские путешествия. Метод вымораживания в некоторых случаях не подходит, кроме того, он очень трудоемкий. В 8 классе на уроке химии я познакомилась с методом перегонки и решила получить пресную воду из соленой. Так как работа может выполняться только в присутствии взрослых. То пришлось обратиться к учителю физики за помощью.

1. Подключили прибор по схеме.

2. Дождались кипения воды.

3. Поучившийся пар, пройдя через охладитель, опять превратился в воду.

4. Вода оказалась пресной!

Гипотеза о том, что перыей метод опреснения более трудоемкий подтверждается, чтобы опреснить воду мне потребовалось дней, о вторым способом того же результата я добилась за один день.

Морозное выветривание

Полный список образцов:

1)  мел

2)  полевой шпат

3)  песчаник

4)  мрамор

5)  уголь каменный

6)  гранит

7)  кирпич обожженный

8)  силикатный кирпич

9)  кирпич красный

10)  цементный камень (от цементно-песчанного пола)

Я замораживала образцы до 100 циклов попеременного замораживания – оттаивания в насыщенном водой состоянии (выдержав образцы в воде в течении суток до начала замораживания) при температуре до 18 0 С (в бытовом морозильнике)

A.  образец 1) (писчий мел) разрушился при водонасыщении и не подвергался замораживанию.

B.  Образец 9) разрушился через 2 цикла.

C.  образцы 2),8),10),7) через 25 циклов имели трещины, через 50 циклов разрушились.

D.  В) Образцы 4) через 50 циклов имеют заметные трещины, через 100 циклов разрушились.

E.  Г) Образцы 3),6),5) через 100 циклов при осмотре показали волосяные трещины, заметных изменений не произошло.

Образцы разрушились от постепенного (цикл за циклом) расшатывания зернистой структуры горной породы. Главной причиной явления разрыв пор и трещин под действием расширяющегося при замерзании воды льда. Другими словами, произошло морозное выветривание под действием замерзающей воды. Когда вода попадает в поры и трещины горных пород, а затем замерзает, она увеличивается в своём объеме примерно на 10-11 %, производя при этом огромное давление на стенки трещин и пор (до нескольких сотен кг на 1см2.). Такая сила легко преодолевает сопротивление горных пород на разрыв, и они раскалываются на обломки.

Параметры капиллярно – пористой структуры образцов выступают, на мой взгляд, в качестве основного фактора, определяющего стойкость попеременного замораживанию и оттаиванию в насыщенном состоянии. А именно: чем больше общая пористость, тем ниже морозостойкость. При одинаковой общей пористости, видимо, ниже морозостойкость у тех образцов, у которых больше открытая (поверхностная) пористость, так как они насыщаются водой быстрее.

Необходимыми предпосылками для морозного выветривания являются:

1) наличие в породах пор и трещин,

2) наличие воды,

3) соответствующие температурные условия.

Наиболее интенсивно оно протекает тогда, когда наблюдаются частые колебания температуры около точки замерзания воды: в высоких полярных и субполярных широтах, а также в горных районах, преимущественно выше снеговой линии.

Разнообразие пород, слагающих высокие горы, приводит к неравномерному выветриванию. В результате участки, сложенные более прочными породами, оказываются высоко приподнятыми над общим уровнем и образуют формы острых вершин, пиков и скал, что придает гребням горных цепей зазубренную форму.

На склонах гор получаются своеобразные углубления, напоминающие сиденья глубоких кресел. Они называются карами, в них обычно лежит снег или образуются каровые ледники. Дно каров, углубляясь, может оказаться ниже снеговой линии, тогда на их дне возникают каровые озера. Таких озер много на Кавказе, Алтае, в Кузнецком Алатау, Саянах. А такие горы называют горами альпийского типа.

Образцы нужно замораживать несколько раз по следующим причинам:

1) структура многих образцов очень прочная,

2) при водонасыщении не все поры обводняются сразу (в очень мелкие и внутренние поры, вода не проходит при атмосферном давлении, она проходит в них по мере разрушения горной породы).

3) чтобы произошло разрушение от разницы в величине линейных и объемных коэффициентов расширения различных минералов, нужно длительное колебание температур замораживания и оттаивания.

4) при каждом следующем цикле во все более расширяющиеся под давлением льда поры и трещины попадает большее количество воды. В свою очередь вода, опять превращаясь в лед, начинает занимать объем, немного больше предыдущего: трещины увеличиваются.

Полезная информация

* Потеря организмом человека более 10 % воды может привести к смерти.

* В среднем в организме растений и животных содержится более 50 % воды

* В организме человека вода составляет около 65 %.

* В составе мантии Земли воды содержится в 10-12 раз больше, чем в Мировом океане.

* При средней глубине в 4 км Мировой океан покрывает около 71 % поверхности планеты и содержит 97,6 % известных мировых запасов свободной воды.

* Если бы на Земле не было впадин и выпуклостей, вода покрыла бы всю Землю, и ее толщина была бы 3 км.

* Если бы все ледники растаяли, то уровень воды на Земле поднялся бы на 64 м и около 1/8 поверхности суши было бы затоплено водой.

* Морская вода при обычной её солёности 35‰ замерзает при температуре -1,91 °C

* Иногда вода замерзает при положительной температуре

* При определенных условиях (внутри нанотрубок) молекулы воды образуют новое состояние, при котором они сохраняют способность течь даже при температурах, близких к абсолютному нулю

* Среди существующих в природе жидкостей вода обладает наибольшей теплоёмкостью.

* Среди существующих в природе жидкостей поверхностное натяжение воды уступает только ртути.

* Вода является универсальным растворителем.

* Теплота её испарения выше теплоты испарения любых других жидкостей, а теплота кристаллизации уступает лишь аммиаку.

* Вода отражает 5 % солнечных лучей, в то время как снег — около 85 %. Под лед океана проникает только 2 % солнечного света.

* Синий цвет чистой океанской воды объясняется избирательным поглощением и рассеянием света в воде.

Использованные источники информации:

Ø  . Физика: 8 кл.: учебник для образовательных учебных заведений.- М.: Дрофа, 2000г.

Ø  Опреснение воды:

http://www. arista. /inform/1265/1367/

http://www. *****/pictures_fail/233_1.htm

Ø  Свойства воды:

http://www. *****/index. php/archives/category/o-vode

Ø  Проект «Твердая вода»:

http://www. *****/resource. aspx? cat_no=238&d_no=440

Ø