XX районная конференция юных исследователей
«Интеллектуалы XXI века»
Диффузия во всей своей красоте
Автор: Неволин Дмитрий,
Шакиров Артём,7 класс,
МОУ Солнечная СОШ,
п. Солнечный.
Научный руководитель:
Халимова Альфия Рамазановна,
учитель математики и физики,
МОУ Солнечная СОШ.
Долгодеревенское, 2013
Содержание
Введение …………………………………………………………………………..3
Роль диффузии в природе………………………………………………………..4
Роль диффузии в жизни человека……………………………………………….6
Экспериментальная часть………………………………………………………..9
Заключение……………………………………………………………………......8
Используемая литература……………………………………………………....12
Приложение 1…………………………………………………………………....13
Приложение 2……………………………………………………………………14
Приложение 3……………………………………………………………………15
Приложение 4……………………………………………………………………13
Введение
Диффузия играет огромную роль в природе, в быту человека и в технике. Диффузионные процессы могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на жизнедеятельность человека и животных. Примером положительного воздействия является поддержание однородного состава атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли. Диффузия играет важную роль в различных областях науки и техники, в процессах, происходящих в живой и неживой природе. Она оказывает влияние на течение химических реакций.
С участием диффузии или при нарушении и изменении этого процесса могут протекать отрицательные явления в природе и жизни человека, такие как обширное загрязнение окружающей среды продуктами технического прогресса человека.
Цель работы:
Исследовать особенности протекания диффузии в газах, жидкостях и выяснить применение диффузии человеком и проявление диффузии в природе, рассмотреть роль диффузии в экологическом равновесии природы и влияние человека на процессы диффузии.
Исследовать диффузию в процессе эксперимента.
Предмет исследования:
Процесс диффузии в газах и жидкостях;
База исследований: домашние условия.
Краткое обоснование выбора темы работы.
В курсе физики изучается такое явление как диффузия, происходящая в трех состояниях – жидком, твердом и газообразном. Диффузия играет важную роль в различных областях науки и техники, в процессах, происходящих в природе, в организме человека и в быту. Поэтому она представляет интерес и наблюдение за ней как в жизни человека, так и в природе.
Задачи исследования
Для достижения цели в исследовании мы поставили определенные задачи.
А именно:
1. Изучить материал о роли диффузии в природе, в жизни человека.
2. Проведение опытов в домашних условиях.
3. Провести опрос людей о роли диффузии в природе, в жизни человека.
4. Обобщение и систематизация знаний по данной теме.
Методы исследования:
Изучение литературных и других информационных источников, проведение экспериментов, социологический опрос, анализ информации и результатов.
Роль диффузии в природе
Диффузия (от лат. Diffusio — распространение, растекание, рассеивание) - это явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого.
Примером диффузии в газах является распространение запахов в воздухе. При этом запах распространяется не мгновенно, а спустя некоторое время. Почему же так происходит? Дело в том, что движению молекул пахучего вещества в определенном направлении мешает движение молекул воздуха.
Объясняется диффузия так:
Сначала между двумя телами чётко видна граница раздела двух сред (рис.1(а)). Затем, вследствие своего движения отдельные частицы веществ, находящихся около границы, обмениваются местами.
Граница между веществами расплывается (рис.1(б)). Проникнув между частицами другого вещества, частицы первого начинают обмениваться местами с частицами второго, находящимися во всё более глубоких слоях. Граница раздела веществ становится ещё более расплывчатой. Благодаря непрерывному и беспорядочному движению частиц этот процесс приводит, в конце концов, к тому, что раствор в сосуде становится однородным (рис.1(в)).
а
б
в
Рис.1. Объяснение явления диффузии.
С помощью диффузии происходит распространение различных газообразных веществ в воздухе: например, дым костра распространяется на большие расстояния.
Результатом этого явления может быть выравнивание температуры в помещении при проветривании. Таким же образом происходит загрязнение воздуха вредными продуктами промышленного производства и выхлопными газами автомобилей. Природный горючий газ, которым мы пользуемся дома, не имеет ни цвета, ни запаха. При утечке заметить его невозможно, поэтому на распределительных станциях газ смешивают с особым веществом, обладающим резким, неприятным запахом, который легко ощущается человеком.
Благодаря явлению диффузии нижний слой атмосферы – тропосфера – состоит из смеси газов: азота, кислорода, углекислого газа и паров воды. При отсутствии диффузии произошло бы расслоение под действием силы тяжести: внизу оказался бы слой тяжёлого углекислого газа, над ним – кислород, выше – азот инертные газы.
В небе мы тоже наблюдаем это явление. Рассеивающиеся облака – тоже пример диффузии и как точно об этом сказано у Ф. Тютчева: «В небе тают облака…»
В жидкостях диффузия протекает медленнее, чем в газах, но этот процесс можно ускорить, с помощью нагревания. Например, чтобы быстрее засолить огурцы, их заливают горячим рассолом. Мы знаем, что в холодном чае сахар растворится медленнее, чем в горячем. Также примером может служить растворение пакетика с чаем.
Благодаря диффузии, насекомые находят себе пищу. Бабочки, порхая меж растений, всегда находят дорогу к красивому цветку. Пчелы, обнаружив сладкий объект, штурмуют его своим роем.
А растение растет, цветет для них тоже благодаря диффузии. Ведь мы говорим, что растение дышит и выдыхает воздух, пьет воду, получает из почвы различные микродобавки.
Плотоядные животные находят своих жертв тоже благодаря диффузии. Акулы чувствуют запах крови на расстоянии нескольких километров, также как и рыбы пираньи.
Экология окружающей среды ухудшается за счёт выбросов в атмосферу, в воду химических и прочих вредных веществ, и это всё распространяется и загрязняет огромные территории. А вот деревья выделяют кислород и поглощают углекислый газ с помощью диффузии.
На принципе диффузии основано перемешивание пресной воды с соленой при впадении рек в моря. Диффузия растворов различных солей в почве способствует нормальному питанию растений.
Во всех приведенных примерах мы наблюдаем взаимное проникновение молекул веществ, т. е. диффузию. На этом процессе основаны многие физиологические процессы в организме человека и животных: такие как дыхание, всасывание и др. Таким образом, можно сказать, что диффузия имеет большое значение в природе, но это явление также вредно в отношении загрязнения окружающей среды.
Роль диффузии в жизни человека
Несколько слов о пищеварении человека. Наибольшее всасывание питательных веществ, происходит в тонких кишках, стенки которых специально для этого приспособлены. Площадь внутренней поверхности кишечника человека равна 0,65 кв. метра. Она покрыта ворсинками – микроскопическими образованиями слизистой оболочки высотой 0,2-1 мм, за счет чего площадь реальной поверхности кишечника достигает 4-5 квадратных метра, т. е. достигает в 2-3 раза больше площади поверхности всего тела. Процесс всасывания питательных веществ в кишечнике возможен благодаря диффузии.
Дыхание – перенос кислорода из окружающей среды внутрь организма сквозь его покровы – происходит тем быстрее, чем больше площадь поверхности тела и окружающей среды, и тем медленнее, чем толще и плотнее покровы тела. Отсюда понятно, что малые организмы, у которых площади поверхности велики по сравнению с объемом тела, могут обходиться вовсе без специальных органов дыхания, удовлетворяясь притоком кислорода исключительно через наружную оболочку (если она достаточно тонка и увлажнена). У более крупных организмов дыхание через кожу может оказаться более или менее достаточным только при условии, что покровы чрезвычайно тонки (земноводные), при грубых покровах необходимы специальные органы дыхания. Основные физические требования к этим органам – максимум поверхности и минимум толщины, высокая увлажненность покровов. Первое достигается многочисленными разветвлениями или складками (легочные альвеолы, бахромчатая форма жабр, и др.).
А как же дышит человек? У человека в дыхании принимает участие вся поверхность тела – от самого толстого эпидермиса пяток до покрытой волосами кожи головы. Особенно интенсивно дышит кожа на груди, спине и животе. Интересно, что по интенсивности дыхания эти участки кожи значительно превосходят легкие. С одинаковой по размеру дыхательной поверхности здесь может поглощаться кислорода на 28%, а выделяться углекислого газа даже на 54% больше, чем в легких. Однако во всем дыхательном процессе участие кожи ничтожно по сравнению с легкими, так как общая площадь поверхности легких, если развернуть все 700 млн. альвеол (концевая часть дыхательного аппарата в лёгком, имеющая форму пузырька, открытого в просвет альвеолярного хода, участвуют в акте дыхания, осуществляя газообмен с лёгочными капиллярами), микроскопических пузырьков, через стенки которых происходит газообмен между воздухом и кровью, составляет около 90-100 квадратных метров, а общая площадь поверхности кожи человека около 2 квадратных метров, т. е, в 45-50 раз меньше.
Переход кислорода из легких в кровь происходит, согласно законам диффузии, вследствие разницы парциальных давлений кислорода в альвеолярном воздухе и в венозной крови легочных капилляров (рис.2).
Рис.2. Представление диффузии в легких человека.
Парциальное давление кислорода в легких определяется многими факторами: объемом легочной вентиляции, скоростью диффузии кислорода в кровь, барометрическим давлением. Диффузионная способность легких зависит от величины диффузионной поверхности (т. е. от количества вентилируемых альвеол), расстояния, которое должен пройти кислород от альвеол до капилляров, а также от состояния тканевой альвеолярной мембраны и капилляров.
Всякое знание реальности начинается с опыта и кончается им.
А. Эйнштейн
Этапы работы.
1. Изучение научно-популярной литературы по данному вопросу;
2. Наблюдение диффузии в жидкостях при изменяемой температуре жидкости;
3. Наблюдение диффузии в газах;
4. Обобщение и систематизация знаний по данной теме.
В ходе проведения опыта возник ряд проблемных вопросов, на которые мы попытались найти ответ:
Почему в холодной воде диффузия происходит медленнее, чем в горячей воде?
Как диффузия происходит в природе?
Возможно ли проведение опытов в домашних условиях?
Наблюдение растворения кристаллов перманганата калия в воде, при неизменной температуре (t = 22°С)
Для этого нам понадобились кристаллы перманганата калия (марганец), кипяченая вода комнатной температуры и колба.
Этапы:
1. Наливаем воду в колбу и бросаем туда кристаллы марганца;
2. Наблюдаем за происходящим;
3. Через 1,5 минуты вода начала окрашиваться в цвет марганца (рис.1, приложение 1). Вода является хорошим растворителем. Под действием молекул воды происходит разрушение связей между молекулами твердых веществ краски;
4. Через 3 минут цвет воды стал интенсивней (рис.2, приложение 1), молекулы воды проникают между молекулами марганца, нарушая силы притяжения;
5. Через 10 минут (рис.3, приложение 1). Одновременно с силами притяжения между молекулами начинают действовать силы отталкивания и, как следствие, происходит разрушение кристаллической решетки твердого вещества (кристаллов марганца);
6. И только через 30 минут часа вода полностью окрасилась в цвет краски, процесс закончился (рис.4, приложение 1).
Таким образом, явление диффузии это длительный процесс, в результате которого происходит растворение твердых тел, особенно в холодной воде.
Изучение зависимости скорости протекания диффузии от температуры
Для этого эксперимента нам понадобились две прозрачные колбы, термометр, кипяченая вода комнатной температуры равной 22°С и температуры равной 89°С и пакетики с чаем.
Цель: изучить, как температура воды влияет на скорость протекания диффузии.
Этапы:
1. Взяли два сосуда с водой при t=22°С и t=89 °С.
2. Изменения в обеих колбах в начале эксперимента - рис.,
3. через 30 с. – рис. 2, приложение 2,
4. через 1 мин. – рис.3, приложение 2,
5. через 3 мин. – рис.4, приложение 2.
Из этого опыта можно сделать вывод о том, что на скорость протекания диффузии влияет температура: чем больше температура, тем выше скорость протекания диффузии. Данным экспериментом мы нашли ответ на вопрос, который ставили в начале, о том, что температура воды влияет на процесс диффузии в жидкостях, это связано с тем, что с повышением температуры увеличивается скорость движения молекул.
Наблюдение диффузии в коллоидном растворе
Для данного опыта нам понадобились: часы - 2 шт., желатин, холодная вода, две колбы, пинцет, кристаллы перманганата калия (марганец) и кристаллы медного купороса.
Цель: пронаблюдать, с какой скоростью происходит диффузия в коллоидном растворе.
Этапы:
1. В обе колбы заливаем холодную воду (рис.1, приложение 3);
2. Опускаем в них по ложке желатина, и оставляем на 2 часа, для того чтобы раствор набух;
3. Затем смесь нагреваем, не доводя желатин до кипения;
4. Ждем, пока желатин немного остынет;
5. Разливаем его по колбам (рис.2, приложение 3), слева – ждем, пока остынет полностью;
6. Затем с помощью пинцета помещаем в остывший желатин кристаллы марганца, а медного купороса в горячий желатин (рис.3, приложение 3);
7. Засекаем время и наблюдаем, как происходит диффузия (рис.7 приложение 3).
По истечении 40 минут в колбе с перманганатом калия диффузия произошла. В колбе с медным купоросом по истечении – 30 минут (не смотря на то, что раствор желатина был горячим).
Таким образом, можно сделать вывод, что диффузия в коллоидных растворах идет очень медленно, а также можно сказать, что диффузия и в твердых телах происходит медленно.
Наблюдение диффузии в газах (опыт с освежителем воздуха)
Для этого эксперимента нам понадобился всего лишь освежитель воздуха и секундомер.
Цель: изучение изменения диффузии газа в воздухе в зависимости от изменения температуры в помещении.
В кабинете физики в одном углу в конце кабинета распылили освежитель воздуха, и через полторы минуты почувствовали запах освежителя. Отсюда можно сделать следующий вывод: в газах диффузия протекает значительно быстрее, чем в жидкостях. Это обусловлено тем, что между молекулами газа расстояние значительно больше, чем между молекулами жидкости, а значит и молекулы одного вещества быстрее проникают между молекулами другого вещества. Значит, и диффузия происходит быстрее.
Опыты:
Данные опыты начали проводить с 20 февраля. Все этапы зафиксировали на фото. Эксперименты помогли ответить на важные вопросы о диффузии, а также акцентировать внимание на экологии окружающей среды.
Анализ результатов
Скорость протекания диффузии в жидкостях зависит от температуры жидкости, чем больше температура, тем быстрее протекает диффузия, это связано с тем, что температура влияет на движение молекул вещества.
Также, в некоторых источниках, есть пример эксперимента, в котором можно выявить то, что наличие различных веществ на поверхности воды может нарушать процессы диффузии и может привести к нежелательным экологическим последствиям, в связи с этим мы приняли решение провести в своей школе анонимный социальный опрос среди учителей и школьников.
Социологический опрос
Цель опроса: привлечь внимание людей к экологической проблеме, а также узнать, как они информированы об этой проблеме и готовы ли они защитить экологию.
Опрашивали людей по заранее разработанной анкете, на позиции были даны готовые предполагаемые ответы.
Опрос проводился анонимно. Было опрошено 8 школьников с 7 по 9 класс и 7 учителей. Так как спрашивался возраст опрашиваемых, можно было подсчитать кол-во ответов данные взрослым и школьником.
Результаты социологического опроса показали, что взрослых гораздо чаще волнуют проблемы экологии. Так, из опрощенных нами взрослых на вопрос: “ Влияет ли диффузия на экологию?” утвердительно ответили 42% взрослых и в 3 раза меньше - 10% школьников и отрицательно – 25% взрослых и 60% школьников. Следовательно, в школе уделяют мало внимания этой проблеме. В целом задумываются над этим вопросом 30% опрошенных и 45% – не задумываются.
На основании проведенного опроса можно сделать следующие выводы:
1. Жители нашего поселка уделяют недостаточное внимание проблеме экологии.
2. Взрослые чаще задумываются над этой проблемой.
3. При анкетировании некоторые впервые задумались над проблемой экологии.
Заключение.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод о том, что диффузия играет огромную роль в жизни человека и природе, без этого явления жизнь на Земле была бы невозможна. Но, к сожалению, люди в результате своей деятельности оказывают негативное влияние на естественные процессы в природе.
Природа широко использует возможности, заложенные в процессе диффузионного проникновения, играет важнейшую роль в поглощении питания и насыщении кислородом крови. В пламени Солнца, в жизни и смерти далёких звезд, в воздухе, которым мы дышим, всюду мы видим проявление всемогущей и универсальной диффузии.
Изучая диффузию, ее роль в экологическом равновесии природы и факторы, влияющие на ее протекание в природе, а также проведя опрос, мы пришли к выводу, что надо привлекать любыми способами внимание общественности к проблемам окружающей среды. Таким образом, экологическое воспитание надо осуществлять с малых лет.
Используемая литература.
1. , Родина пособие «Физика 7». – М.: «Просвещение». – 2009 г.
2. Енохович по физике. – М.: «Просвещение».- 1978 г.
3. Перышкин пособие «Физика 7». – М.: «Просвещение». – 2008 г.
4. , , Г., Гущина по экологии. – М.: «АО МДС», 1996 г.
5. Рыженков . Человек. Окружающая среда. – М.: «Просвещение», 1996 г.
6. Прохоров энциклопедический словарь. – М.: «Просвещение», 1995 г.
7. Чуянов словарь юного физика. 1999 г.
8. , Бокштейн С.3., Жуховицкий и диффузия в твердых телах. — М.: Металлургия, 1974 г.
Электронные ресурсы
1. Энциклопедия замечательных людей и идей [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www/abc-people/com/typework/physics-diffuzia/htm;
2. Свободная энциклопедия [Электронный ресурс]. – Режим доступа: ru. wikipedia. org/wiki/Диффузия.
Приложение 1
Рис.1. Результат через 1,5 минуты Рис.4. Результат через 30 минут.
Диффузия закончена
Рис.2. Результат через 3 минуты.
Рис.3. Результат через 10 минут. Вода стала интенсивней.
Приложение 2
Рис.1. Начало эксперимента (в колбе слева - холодная вода(19°С), справа – горячая(89°С))
Рис.2. Результат через 30 секунд.
Рис.3. Результат через 1 минуту.
Рис.4. Результат через 3 минуты.
Приложение 3
Рис.1. Разлили холодную воду по колбам.
Рис.2. Добавили в колбы по ложке желатина. Ждем 2 часа пока желатин набухнет.
Рис.3. Довели желатин до кипения, ждем, пока в колбе слева раствор остынет.
Рис.4. Добавили в колбу справа (в горячий раствор желатина) кристаллы медного купороса.
Рис.5. Результат (медный купорос) через 10 минут.
Рис.6. Результат (медный купорос) через 30 минут.
Рис.7. Добавили в остывший раствор желатина марганец.
Рис.8. Результат (марганец) через 40 минут.
Рис.9. Результаты.
Приложение 4
Содержание анкеты:
1. Сколько вам лет?
__________
2. Вы знаете, что такое диффузия?
Да. Нет. Затрудняюсь ответить.
3. Влияет ли диффузия на экологию?
Да. Нет. Затрудняюсь ответить.
4. Для вас важна информация об экологии?
Да. Нет. Затрудняюсь ответить
5. Можно ли, по вашему мнению, защитить природу?
Да. Нет. Затрудняюсь ответить
6. Задумываетесь вы о проблеме экологии?
Да. Нет. Затрудняюсь ответить
7. Готовы ли вы участвовать в улучшении экологии?
Да. Нет. Затрудняюсь ответить
8. Хотите ли вы изменить экологию в лучшую сторону?
Да. Нет. Затрудняюсь ответить
9. Хотите ли вы получить дополнительные знания об экологии?
Да. Нет. Затрудняюсь ответить
