Доклад на научно-практическую конференцию Роль диффузии в природе ученика 7-В класса Сызранова Даниила (руководитель: Хабецкая Н.И.)
Работа на научно-практическую конференцию Сызранова Даниила, ученика МБОУ Школы № 12 г. о. Самара. Руководитель: Хабецкая Н.И., учитель физики.
ВВЕДЕНИЕ
Уже в глубокой древности, за 2500 тыс. лет до нашего времени, зародилось представление, что все окружающие нас тела состоят из мельчайших частиц, недоступных непосредственному наблюдению. Но лишь спустя 150 лет развилось и было экспериментально обоснованно учение о молекулах и атомах – молекулярная теория. И основателем молекулярной теории был Демокрит. Суть учения Демокрита сводилась к следующему: не существует ничего, кроме атомов; атомы бесконечны по числу и бесконечно разнообразны по форме; различие между вещами происходит от различия их атомов в числе, величине, форме и порядке; качественного различия между атомами нет [9]. Учение Демокрита существует давно, однако, и ныне учение основано на предположениях того времени. Явление диффузии подтверждает правильность этого учения.
Диффузия ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] diffusio распространение, растекание, рассеивание) – взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового движения частиц вещества. Диффузия происходит в направлении уменьшения концентрации вещества и ведёт к его равномерному распределению по занимаемому объёму [7].
Каждое утро, заваривая чашку чая, мы не догадываемся, что наблюдаем явление диффузии. Я заинтересовался этим явлением и решил изучить более детально, потому что оно является одним из важных процессов в жизнеобеспечении людей и живой природы Земли.
Работа посвящена изучению влияния явления диффузии на жизнедеятельность человека, растений и животных. Диффузия широко распространена в мире флоры и фауны, и очень важна для растений и животных. Но не у всех людей есть достаточные представления о протекании явления диффузии в растительной среде, и в мире животных, хотя и флора и фауна очень важны для человека.
Актуальность данной работы заключается в том, что вопросы здоровья людей и связанные с ним вопросы экологии являются самыми важными для общества, а они тесно связаны с явлением диффузии.
Объектом исследования является явление диффузии.
Предметом исследования является влияние явления диффузии на окружающий человека мир.
Гипотеза данной работы: явление диффузии является одним из главных общих условий жизнедеятельности человека, растений и животных.
Для решения проблемы работы и доказательства гипотезы были поставлены следующие задачи:
( изучить явление диффузии в живой и неживой природе в различных источниках информации;
( провести исследование материала о явлении диффузии в
растительной среде и мире животных, а также определить степень значимости явления диффузии для организмов растений и животных.
Данные задачи решались с помощью нескольких теоретических методов, а именно:
( анализ и обработка материала о значимости явления диффузии в жизни
человека, растительной среде и мире животных;
( сравнение значимости явления диффузии для растений и животных;
( обобщение данных, полученных в ходе исследования, по значимости
явления диффузии для растений и животных;
Базой проведения исследования в данной работе является материал о проявлении диффузии в живых организмах растений и животных, изученный и проанализированный в первой главе.
Теоретическую основу исследования составляет учение об явлении диффузии.
I. ЯВЛЕНИЕ ДИФФУЗИИ В ГАЗАХ, ЖИДКОСТЯХ
И ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ
В основе современного положения молекулярно–кинетической лежат три утверждения, каждое из которых в настоящее время строго доказано экспериментально: вещество состоит из частиц; эти частицы хаотически движутся; частицы взаимодействуют друг с другом.
Диффузия - это самопроизвольное выравнивание неоднородной концентрации атомов или молекул разного сорта. Диффузия - взаимное проникновение молекул соприкасающихся веществ. При диффузии молекулы одного тела, находясь в непрерывном движении, проникают в промежутки между молекулами другого соприкасающегося с ним тела и распространяются между ними. Диффузия проявляется во всех телах - в газах, жидкостях и твердых телах, - но в разной степени, причём диффундировать могут как находящиеся в них частицы посторонних веществ, так и собственные частицы – самодиффузия [7]. Диффузия крупных частиц, взвешенных в газе или жидкости (например, частиц дыма или суспензии), осуществляется благодаря броуновскому движению.
Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее – в жидкостях, ещё медленнее – в твёрдых телах, что обусловлено характером теплового движения частиц в этих средах. Диффузия в твердых телах может наблюдаться от нескольких часов до нескольких лет только в хорошо пришлифованных телах, когда расстояния между поверхностями пришлифованных тел близки к расстояниям между молекулами (10 - 8 см). При этом скорость диффузии увеличивается при повышении температуры и давления.
Для большинства научных и практических задач существенно не диффузионное движение отдельных частиц, а обусловленное им выравнивание концентрации вещества в первоначально неоднородной среде. Из областей высокой концентрации уходит больше частиц, чем из областей низкой концентрации. Через единичную площадку в неоднородной среде проходит за единицу времени безвозвратный поток вещества в сторону меньшей концентрации – диффузионный поток.
Диффузия возникает не только при наличии в среде разной концентрации, но и под действием электрического поля происходит диффузия заряженных частиц (электродиффузия), действие поля тяготения или давления вызывает бародиффузию, в неравномерно нагретой среде возникает термодиффузия [7].
1.1. Диффузия в газах
Очень быстро диффундируют газы, образуя однородную смесь независимо от их плотности. Траектория движения каждой частицы газа представляет собой ломаную линию, так как при столкновениях она меняет направление и скорость движения. Поэтому диффузионное проникновение значительно медленнее свободного движения. Смещение частицы L меняется со временем случайным образом, но средний квадрат его L2 за большое число столкновений растёт пропорционально времени t: L2 ~ Dt; коэффициент пропорциональности D называется коэффициентом диффузии. Это соотношение, полученное А. Эйнштейном, справедливо для любых процессов диффузии. Коэффициент диффузии обратно пропорционален давлению р газа, так как l ~ 1/ р. С ростом температуры Т при постоянном объёме коэффициент диффузии D увеличивается пропорционально Т1/2, так как с ~
·Т. С увеличением молекулярной массы коэффициент диффузии D уменьшается [10].
Диффузию в газах можно наблюдать, если сосуд с пахучим газом открыть в помещении. Через некоторое время газ распространится по всему помещению.
Эксперимент № 1.
Цель: изучение зависимости времени диффузии газа в воздухе от изменения температуры в помещении.
Приборы и материалы: термометр, часы с секундной стрелкой, освежитель воздуха.
Описание опыта и полученные результаты: исследовали время распространения запаха освежителя воздуха в помещении V=224 м3 при температуре t = +15 0С (помещение проветриванием доводилось до необходимой температуры). Засекалось время от начала распространения запаха в комнате, до получения явной чувствительности у людей, стоящих на расстоянии 10 м от исследуемого объекта (освежитель воздуха). Затем тщательно проветривали помещение, опыт повторяли 10 раз. На следующий день эксперимент повторяли для другой температуры. Для всех полученных данных определяли среднее арифметическое значение ( и абсолютную погрешность (( (Приложение 1).
Таблица 1.
t помещения, 0С
+ 15 0С
+ 20 0С
+ 25 0С
n, количество экспериментов
10
10
10
Время распространения запаха освежителя воздуха (, с
98,8 ( 1,6
79,2 ( 1,2
48,8 ( 1,2
Если предположить, что процессы диффузии прямо пропорциональны времени распространения запаха освежителя воздуха в помещении, тогда в результате данного исследования можно выявить зависимость времени распространения запаха освежителя воздуха в помещении, а значит и скорости диффузии от изменения температуры воздуха в помещении.
Данные свидетельствуют о том, что скорость распространения запаха освежителя воздуха зависит от повышения температуры помещения следующим образом: при повышении температуры с + 15 0С на 5 0С данный параметр уменьшился на 19,6 с. Это свидетельствует о том, что запах распространился быстрее в 1,2 раза. При дальнейшем повышении температуры помещения на 5 0С (до 25 0С) уменьшился на 30,4 с, что свидетельствует об ускорении распространения запаха в 1,6 раза. Таким образом, анализ показателей времени распространения запаха в помещении объемом 224 м3 показал, что диффузия освежителя воздуха ускоряется при повышении температуры воздуха в комнате.
Вывод: чем выше температура газов, тем быстрее происходят процессы диффузии. Например, при выбросе горячих газов из труб различных предприятий (или из выхлопных труб автомобилей) эти вредные для здоровья людей и животных вещества распространяются очень быстро. Летом это происходит еще быстрее.
1.2. Диффузия в жидкостях
Диффузия в жидкостях происходит значительно медленнее, чем в газах, в соответствии с характером теплового движения молекул. Диффузия осуществляется перескоками молекул из одного устойчивого положения в другое. Каждый скачок происходит при сообщении молекуле энергии, достаточной для разрыва её связей с соседними молекулами и перехода в окружение других молекул (в новое энергетически выгодное положение). Среднее перемещение при таком скачке не превышает межмолекулярных расстояний [9]. Диффузионное движение частиц в жидкости можно рассматривать как движение с трением, к нему применимо второе соотношение Эйнштейна: D ~ ukT, где u – подвижность диффундирующих частиц, то есть коэффициент пропорциональности между скоростью частицы с и движущей силой F при движении с трением (с = uF) [7]. Увеличение скорости диффузии с ростом температуры обусловлено “Разрыхлением” её структуры при нагреве и соответствующим увеличением числа перескоков в единицу времени.
Например, в стакан нальем раствор медного купороса, а затем, очень осторожно добавим слой воды и оставим стакан в помещении с постоянной температурой, где он не подвергается сотрясениям. Через некоторое время наблюдали исчезновение резкой границы между купоросом и водой, через несколько дней жидкости перемешались, несмотря на то, что плотность купороса больше плотности воды. Самопроизвольно образуется однородный раствор. Легко растворяются в воде многие соли, перманганат калия, медный купорос и т. п. Хорошо диффундируют в воде сахар, спирты, кислоты [3].
Для процессов испарения и конденсации, растворения кристаллов и кристаллизации диффузия оказывается определяющей.
Эксперимент № 2.
Цель: Изучение зависимости скорости протекания диффузии от температуры в жидкостях.
Приборы и материалы: стакан с холодной водой (t = 19 0C), зелёнка, 2 стакана с горячей водой (t = 96 0C), растительное масло, пипетка.
Описание опыта и полученные результаты: в стаканы с холодной, горячей водой и в стакан с горячей водой и несколькими каплями растительного масла поместили по 1 капле зелёнки, провели наблюдения.
Вывод: диффузия быстрее произошла в чистой горячей воде, в холодной воде диффузия произошла медленнее. С добавлением в воду растительного масла процесс диффузии происходил намного медленнее. Подобные явления под влиянием человека часто происходят в природе и оказывают на нее негативное влияние.
Эксперимент № 3.
Цель: изучить, как различные вещества на поверхности воды влияют на скорость её испарения и сделать вывод о скорости протекания диффузии [2].
Приборы и материалы: термометры – 4 шт., часы – 1 шт., стаканы – 4 шт., теплая вода, бензин, керосин, растительное масло.
Описание опыта и полученные результаты: в стаканы была налита вода одинаковой массы и одинаковой температуры (38 0С), затем в один стакан был налит бензин (5 мл), во второй – керосин (5мл), в третий – растительное масло (5 мл), в четвертом вода оставалась чистой. Растительное масло в нашем опыте имитировало нефть. Засекалось время, через каждые 15 минут снимались показания термометров, помещенных во все жидкости. Результаты измерений даны в таблице 2, график в приложении 3.
Таблица 2.
Время, ч
Температура чистой воды, 0С
Температура воды с бензином, 0С
Температура воды с керосином, 0С
Температура воды с растительным маслом, 0С
13.30
40
40
40
40
13.45
34
35
35
36
14.00
30
31
31
32
14.15
28
30
30
32
14.30
26
26
26
30
14.45
26
26
26
28
15.00
25
25
25
27
При испарении из воды вылетают отдельные молекулы. Так как вода, покрытая пленкой бензина, керосина и растительного масла, остывает медленнее, то можно судить о том, что и молекулам кислорода труднее проникнуть в воду: рыбы и другие водные обитатели испытывают недостаток кислорода и могут даже погибнуть.
Вывод: наличие различных веществ на поверхности воды нарушает процессы диффузии и может привести к нежелательным экологическим последствиям.
1.3. Диффузия в твердых телах
Английский металлург Вильям Роберт-Аустин в простом эксперименте измерил диффузию золота в свинце (рис. 1). Он наплавил тонкий диск золота на конец цилиндра из чистого свинца длиной 1 дюйм (2,54 см).
Рис. 1. Рис. 2.
Поместил этот цилиндр в печь, где поддерживалась температура около 200 0С, и держал его в печи 10 дней. Потом он разрезал цилиндр на тонкие диски и измерил массу золота, которое продиффундировало в каждый срез свинца [5].
Оказалось, что к «чистому» концу через весь цилиндр прошла вполне измеримая масса золота; в противоположном направлении в глубь золотого диска продиффундировал свинец. Диффузия наблюдается, когда металлические цилиндры тесно прижаты друг к другу. С точки зрения атомного строения вещества проницаемость твердых тел вполне объяснима. В настоящее время мы хорошо представляем себе, что даже наиболее твердое тело – всего лишь довольно слабо связанный набор атомов. В кристаллах, образующих металл, атомы (ионы, молекулы) располагаются в строго определенном порядке. Такое расположение атомов в кристаллах образует кристаллическую решетку. Однако идеальных и полностью застроенных решеток не существует. В них всегда имеются пустые места, которые носят название вакансий или дырок, в которые могут переходить диффундирующие атомы. Заняв вакансию, атом оставляет после себя новую вакансию. В нее может перейти соседний атом; итак, путем непрерывных перемещений атом может пройти через кристалл.
Рисунок 2 иллюстрирует, каким образом золото (черный кружок) может диффундировать в кристалле свинца. Переход атома золота из положения 1 в положение 4 возможен всего лишь при одной вакансии в свинце. Атом может диффундировать в другой металл лишь при наличии вакансий в кристаллических решетках, поскольку атомы двух разных металлов имеют размеры примерно одного и того же порядка.
Коэффициент диффузии D в твёрдых телах крайне чувствителен к дефектам кристаллической решётки, возникшим при нагреве, напряжениях, деформациях и других воздействиях. Увеличение числа дефектов, главным образом вакансий, облегчает перемещение атомов в твёрдом теле и приводит к росту скорости диффузии. В твёрдых телах характерна резкая зависимость D от Т. Так, коэффициент диффузии цинка в медь при повышении температуры от 20 0С до 300 0С возрастает в 1014 раз [9].
1.4. Формы диффузии
Различают две формы диффузии – это диализ и осмос. Диализом называется диффузия молекул растворенного вещества, а осмосом (от греч. osmos – толчок, давление) – диффузия растворителя через полупроницаемую мембрану, разделяющую раствор и чистый растворитель (или два раствора разной концентрации). В качестве мембраны обычно применяют плёнки из целлофана, природных и синтетических полимеров, пористые керамические и стеклянные перегородки [7].
Если мешочек из целлофана или пергамента заполнить раствором сахара или соли и поместить в сосуд с водой, то молекулы растворенного вещества будут диффундировать через стенки мешочка, пока их концентрация в мешочке и в сосуде с водой не станет одинаковой. В этом случае можно говорить, что поры мембраны достаточно велики для прохождения через них молекул растворенного вещества. Этот метод – диализ – часто применяют при получении чистых препаратов белков и других высокомолекулярных соединений (рис. 3).
Рис. 3.
Если взять мешочек с более мелкими порами, пропускающими только молекулы растворителя (например, воды), но не пропускающими молекул сахара, то молекулы воды будут диффундировать в мешочек, увеличивая объем раствора в нем. Если мешочек соединить со стеклянной вертикальной трубкой, то раствор начнет подниматься по трубке до тех пор, пока давление, производимое водой в трубке, не уравняет осмотическое давление (диффузное давление) раствора сахара (рис. 4) [4]. Осмотическое давление характеризует стремление раствора к понижению концентрации при соприкосновении с чистым растворителем вследствие встречной диффузии молекул растворителя и растворённого вещества. Если раствор отделён от растворителя полупроницаемой мембраной, то возможна лишь односторонняя диффузия – всасывание растворителя через мембрану в раствор. В этом случае осмотическое давление можно измерить: оно равно избыточному давлению, которое необходимо приложить со стороны раствора, чтобы прекратить осмос. Более концентрированный раствор имеет более высокое осмотическое давление. Эти формы диффузии проявляются в природе.
II. ДИФФУЗИЯ В ПРИРОДЕ
Явление диффузии широко применяется на производстве, в медицине, в
полупроводниковом производстве (для создания микросхем), проявляется в
процессах жизнедеятельности человека, животных и растений.
( Вследствие диффузии газа состав воздуха у поверхности Земли
однороден.
( Благодаря диффузии кислород из легких проникает в кровь, из крови в
ткани.
( Питательные вещества благодаря диффузии из кишечника поступает в
кровь.
( Диффузия играет существенную роль в питании растений, животных и
других организмов.
( На явлении диффузии основана концентрация продуктов питания.
( Явление диффузии используют на сахарных заводах при извлечении
сахара из свеклы.
( На явлении диффузии основаны соление овощей, варка варения,
получение компотов и многие другие технологические процессы.
( Диффузию молекул твердых тел используют в технике: для придания
железным и стальным деталям значительной твердости их поверхностный слой подвергают диффузному насыщению углеродом (цементация). И еще очень многое, что происходит благодаря диффузии.
2.1. Диффузия в животном мире и растительном
Большую роль в жизни живой природы играют диффузионные процессы, определяющие нормальный обмен веществ между организмами и средой, а также между различными частями самого организма. Питание и дыхание - типичные диффузионные процессы. В процессе дыхания происходит диффузия кислорода и углекислого газа через стенку легочного пузырька. Для понимания этих процессов необходимо учитывать условия, обеспечивающие или затрудняющие диффузию. Так, дыхание - диффузия кислорода из окружающей среды внутрь организма сквозь его покровы - происходит тем быстрее, чем больше поверхности соприкосновения тела и окружающей среды, и тем медленнее, чем толще и плотнее покровы тела. Малые организмы, у которых площади поверхности велики по сравнению с объемом тела, могут обходиться вовсе без специальных органов дыхания, удовлетворяясь притоком кислорода через наружную оболочку (если она достаточно тонка и увлажнена). У организмов более крупных 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, и увлажненность покровов. Первое достигается многочисленными разветвлениями или складками (легочные альвеолы, бахромчатая форма жабр).
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. По интенсивности дыхания эти участки кожи значительно превосходят лёгкие. С одинаковой по размеру дыхательной поверхности здесь может поглощаться кислорода на 28%, а выделяться углекислого газа даже на 54% больше, чем в лёгких. Однако во всём дыхательном процессе участие кожи ничтожно по сравнению с лёгкими, так как общая площадь поверхности лёгких, если развернуть все 700 млн. альвеол, микроскопических пузырьков, через стенки которых происходит газообмен между воздухом и кровью, составляет около 90 – 100 м2, а общая площадь поверхности кожи человека около 2 м2, то есть в 45 – 50 раз меньше На рисунке 5 представлена схема газообмена в лёгких. Здесь показана диффузия кислорода и углекислого газа СО2 через стенки альвеол [4].
Наиболее интенсивно диффузия происходит между газами или между газом и жидкостью. Газы адсорбируются на поверхности жидкости, а затем путем диффузии распространяются по всей ее массе,
иначе говоря, растворяются в ней. При не слишком высоких давлениях масса газа, растворяющегося в жидкости, прямо пропорциональна парциальному давлению газа над ней. При снижении давления газа над поверхностью жидкости растворенный в ней газ выделяется в форме пузырьков. Это явление лежит в основе кессонной болезни, которой страдают водолазы. Известно, что на глубине под водой водолаз дышит воздухом при повышенном давлении и кровь его насыщается газами воздуха, особенно азотом. В результате резкого снижения давления при возвращении на поверхность воды азот выделяется из крови в виде пузырьков, которые могут попасть в кровеносный сосуд небольшого диаметра, наступает полная закупорка сосуда. Явление это называется газовой эмболией. Закупорка сосуда в жизненно важных органах может иметь серьезные последствия для организма. Чтобы избежать этого, приходится возвращать водолаза на поверхность очень медленно (после работы на глубине 80 м в течение 1 ч на подъем надо затратить около 9 ч).
В связи с этим особенный интерес представляет зубастый кит – кашалот, который пребывает под водой, не дыша час-полтора, и ныряет на глубину порядка километра. Давление столба воды должно сплющить и раздавить кита, но этого не случается. Тело кита примерно на 90% состоит из жиров, которые почти не сжимаются: давление 100.105 Па невозможно. Лёгкие, уносящие с поверхности многие кубометры воздуха, могут лопнуть, а при подъёме к поверхности кит может «заболеть кессонной болезнью». Но у глубоко ныряющих китов (кашалот, бутылконос) объём лёгких в полтора-два раза меньше, чем у сухопутных зверей. Оттого, что лёгкие по отношению к общей массе кита невелики, эмболия, или кессонная болезнь, которая погубила многих водолазов, китам не опасна, так как они уносят в лёгких относительно мало воздуха, а с ним и азота. Кроме того, кровь кита и обильные жировые массы обладают повышенной способностью растворять азот, при этом не происходит выделения пузырьков.
У рыб так же регулируется осмотическое давление. Различные вещества могут выделяться и через жабры. Растворенные вещества в крови пресноводных животных содержатся в более высоких концентрациях, чем вода, в которой они живут. Благодаря осмосу вода постоянно проникает в их организмы, чтобы противодействовать повышению вследствие этого давления, вода постоянно выделяется через органы экскреции. Пресноводные рыбы могут при снижении концентрации солей увеличивать их с помощью жабр. Рыбы, обитающие в морской воде, отличаются от пресноводных рыб меньшей, чем в окружающей воде, концентрацией растворенных веществ в теле. Поэтому их также называют гипоосмотическими, так как благодаря осмосу они непрерывно теряют воду через жабры. Чтобы выравнивать эту потерю воды, морские животные должны пить соленую воду, которая, однако, всегда создает в организме слишком высокие концентрации солей. Лишняя соль активно выделяется через жабры. Акулы, напротив, не должны пить морскую воду, так как осмотическое давление жидкости тела из-за растворенной в ней мочевины превосходит осмотическое давление морской воды. Многие морские беспозвоночные не имеют такого, как у рыб, органа обмена. Они устроены так, что содержание солей в жидкости тела точно соответствует содержанию в воде, в которой они живут. Поэтому беспозвоночные особенно чувствительно реагируют на колебания в содержании солей и могут умереть при внезапном его изменении. При перемещении животных особенно важно соблюдать одинаковую концентрацию солей в воде и очень медленную щадящую замену воды. Живые существа вследствие различных функций водо- и солеобмена тесно связаны в своем жизненном пространстве. Большая часть морских животных может существовать в пресной воде также недолго, как и пресноводные животные в морской воде. Исключение составляют, например, угри и лососи, которые для размножения заплывают из моря в пресную воду или наоборот. Другое исключение представляют собой крабы, которые могут также регулировать осмотическое давление и комфортно обитать солоноватой воде.
Из организма животных должны удаляться продукты обмена веществ. При постоянном накапливании они становятся ядовитыми для животных. Так, при расщеплении белка образуется ядовитый аммиак, который выделяется через органы экскреции вместе с другими подобными веществами.
Диализ используется в аппарате «искусственная почка», который более 50 лет назад применил немецкий врач Вильям Кольф. Апппарат применяется при острой интоксикации, для подготовки больных к трансплантации почки, для длительного (10 – 15 лет) жизнеобеспечения больных с хроническим заболеванием почек, для лечения расстройств нервной системы (шизофрения, депрессия). Аппарат представляет собой гемодиализатор, в котором кровь соприкасается через полупроницаемую мембрану с солевым раствором, обогащённым газовой смесью СО2 + О2. Вследствие разности осмотических давлений из крови в соляной раствор сквозь мембрану проходят ионы и молекулы продуктов обмена (мочевина, мочевая кислота), а также различные токсические вещества, подлежащие удалению из организма, то есть осуществляется регулирование химического состава крови. Диализ продолжается 4 – 6 ч [2].
Летом, в Интернете я прочитал интересный материал о том, как муравьи в огромном для них мире, узнают дорогу домой. И эту загадку открывает явление диффузии.
Муравьи помечают свой путь капельками пахучей жидкости. А чтобы узнать, что они действительно метят свои тропы, я провёл такой опыт: положил лист бумаги на пути муравья к муравейнику. Когда он полз по листу, отмечал его путь легким штрихом карандаша. Повернув бумагу на 90°, увидел, что другие муравьи дойдя до края листа, упираются в место, где раньше путь с земли переходил на бумагу, но тут обрыв: дальше нет меченой тропы. Насекомые начинали суетиться у разрыва, искать, найдя его в стороне, снова побежали по прямой. И их путь снова совпадал с отмеченной карандашом линией (Рис. 6).
1. 2.
Благодаря диффузии, насекомые находят себе пищу. Бабочки, порхая между
растений, всегда находят дорогу к красивому цветку (Рис. 7). Пчелы, обнаружив сладкий объект, штурмуют его своим роем. А растение растет, цветет для них тоже благодаря диффузии. Растение дышит и выдыхает воздух, пьет воду, получает из почвы различные микродобавки.
Плотоядные животные находят жертв тоже благодаря диффузии. Акулы чувствуют запах крови на расстоянии нескольких
километров, также как и рыбы пираньи.
И в растительном мире велика роль диффузии. Например, у деревьев наблюдается особенно большое развитие поверхности (листовая крона), так как диффузионный обмен сквозь поверхность листьев выполняет функции не только дыхания, но частично и питания. В настоящее время широко практикуется внекорневая подкормка плодовых деревьев путем опрыскивания их кроны.
В почвенных водах содержатся в растворенном виде при небольших концентрациях минеральные соли и некоторые органические соединения. Вода из почвы в растение попадает путем осмоса через полупрозрачные мембраны корневых волосков. Так как ее концентрация в почве оказывается выше, чем внутри корневых волосков, то происходит диффузия из зоны с большей ее концентрацией в зону с меньшей. После поглощения воды в этих клетках повышается концентрация ее по сравнению с вышележащими. Возникает корневое давление, обусловливающее восходящий ток сока по корням и стеблю. Постоянная потеря воды листьями обеспечивает дальнейшее поглощение воды.
Поступление минеральных солей происходит частично путем простой диффузии.
Многие морские организмы способны избирательно накапливать некоторые вещества из морской воды. Так, например, морские водоросли могут накапливать иод в концентрациях в 2.106 больших, чем в окружающей воде, а некоторые примитивные хордовые – оболочники – обладают подобной же способностью по отношению к ванадию.
Большую роль играют диффузионные процессы в снабжении кислородом природных водоемов и аквариумов. Кислород попадает в более глубокие слои воды в стоячих водоемах за счет диффузии через их свободную поверхность. Поэтому нежелательны всякие ограничения свободной поверхности воды. Так, например, листья или ряска, покрывающие поверхность воды, могут совсем прекратить доступ кислорода к воде и привести к гибели обитателей водоема [8]. По этой же причине сосуды с узким горлом непригодны для использования в качестве аквариума.
2.2. Диффузия в атмосфере земли
Очень ярко явление диффузии происходит в воздухе:
( дым от костра распространяется на большие расстояния;
( 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. Плотность кислорода в 1,14 раза, а плотность углекислого газа в 1,57 раза больше плотности азота, но в атмосферном воздухе они образуют однородную смесь [3]. При отсутствии диффузии произошло бы расслоение под действием силы тяжести: внизу оказался бы слой тяжёлого углекислого газа, над ним – кислород, выше – азот и инертные газы. В небе мы тоже наблюдаем это явление. Рассеивающиеся облака – тоже пример диффузии (Рис. 8). [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
2.3. Влияние человека на протекание диффузии в природе
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.
К сожалению, в результате развития человеческой цивилизации оказывается негативное влияние на природу и процессы, протекающие в ней. Процесс диффузии играет большую роль в загрязнении рек, морей, океанов. Например, можно быть уверенным, что моющие средства, слитые в канализацию, например, в Самаре, окажутся у берегов Астрахани из-за диффузии и существующих течений.
При эксплуатации водоемов речным транспортом происходит значительное их загрязнение. По сравнению с мощным береговым стоком от Самары и предприятий удельной вес этих загрязнений невелик, но негативная роль водного транспорта и загрязнения водоемов очевидна. Основными источниками загрязнения являются: подсланевые воды, образующиеся в машинном отделении судов отличающихся высоким содержанием нефтепродуктов; хозяйственно- бытовые стоки и мусор с судов; нефть и прочие отходы с акваторий и территорий портов; промышленные и сточные воды судо-ферменных предприятий; нефть и нефтепродукты, попадающие в Волу с нефтеналивных судов и станций; частицы наволочных грузов, отработавшие газы судовых двигателей.
Все перечисленные виды загрязнений наносят невосполнимый ущерб. Резко уменьшается биомасса бентоса и планктона, наблюдается массовая гибель рыбы, значительные отклонения ее от нормального развития и т.д.
Примером отрицательного влияния человека на процессы диффузии в природе являются крупномасштабные аварии, произошедшие в бассейне Волги. Утечки нефти и нефтепродуктов, как показывает практика, неизбежны при их хранении и транспортировке. В результате происходит загрязнение грунтов и грунтовых вод.
За период эксплуатации Куйбышевского нефтеперерабатывающего завода (с 1945 года) на его территории произошло загрязнение подземных вод, вследствие чего образовалась техногенная залежь нефтепродуктов. Очистка подземных водных горизонтов на территории Куйбышевского НПЗ является одним из главных направлений природоохранной деятельности ЗАО "АИР".
В результате этого явления нефть и продукты ее переработки растекаются по поверхности воды и, как результат, нарушаются процессы диффузии, например: кислород не поступает в толщу воды, и рыбы без кислорода погибают.
Вследствие явления диффузии воздух загрязняется отходами разных фабрик, из-за него вредные отходы жизнедеятельности человека проникают в почву, воду, а затем оказывают вредное влияние на жизнь и функционирование животных и растений. На сегодняшний день Самара является одним из городов с наиболее загрязнённым атмосферным воздухом. Загрязнение воздуха взвесными веществами над территорией города больше на 43%, чем в среднем по России, а концентрация других вредных превышает предельно допустимые нормы в десятки раз [12]. В этом виноваты промышленные предприятия, многие из которых не имеют достаточно эффективных очистных сооружений, а также автотранспорт. Пыль, которой перенасыщен воздух города, забивается в лёгкие и может служить переносчиком различных вирусных инфекций. Основной источник пыли – плохие дороги и некоторые промышленные производства.
В Самаре находится 105 мощных промышленных предприятий, ежедневно выбрасывающих в воздух десятки тонн загрязняющих веществ, причём, многие из них располагаются вблизи жилых массивов. Самый неблагополучный район по состоянию окружающего воздуха – Кировский. Максимальное содержание в атмосфере хлористого водорода отмечается в Зубчаниновке. Это вещество отрицательно влияет на дыхательную систему. Основные загрязнители воздуха среди промышленных предприятий – это ОАО "КНПЗ", ОАО "ЗПОН", ОАО "Металлист-Самара"[11].
Отрицательно сказывается на атмосферном воздухе Самары то, что в области интенсивно идёт нефтедобыча и действуют несколько нефтяных компаний.
Особенно неблагоприятная обстановка по этим загрязнителям в Куйбышевском районе Самары, в котором сосредоточены предприятия нефтеперерабатывающей отрасли, автотранспортное предприятие, покрасочные производства, отопительные котельные.
Увеличивается площадь земель, загрязненных выбросами промышленных предприятий и т.д. Свыше 2 тыс. гектаров земли занято свалками промышленных и бытовых отходов. Один из трудно решаемых в настоящее время вопросов является вопрос утилизации промышленных отходов, в том числе токсичных.
Перечисленные примеры диффузии оказывают вредное влияние на различные процессы, происходящие в природе. (Учитывая глобальное потепление, важно исследовать изменение скорости диффузии в зависимости от повышения температуры окружающей среды).
Из-за диффузии все вредные отходы, оставляемые человеком, проникают в почву, воду, а затем впитываются животными и растениями. Это наносит серьезный вред окружающей среде.
Посмотрим на дымовые трубы предприятий и выхлопные трубы автомобилей. Во многих случаях вблизи труб виден дым. А потом он куда-то исчезает. Что с ним происходит? Дым растворяется в воздухе за счёт диффузии. Если же дым плотный, то его шлейф тянется довольно далеко.
А что же происходит вблизи трубы работающей котельной, если дыма не видно? Горячие газы, выбрасываемые в атмосферу, не содержат частичек сажи. Это проверить на свечке. Если у неё фитилёк короткий, она горит без копоти, если длинный, то сильно коптит. Значит, сильно дымят трубы в том случае, если плохо отрегулированы горелки в котельной и происходит неполное сгорание топлива.
Дымовые газы, их правильнее называть - топочные, невидимы, как и воздух. Они состоят в основном из углекислого газа и небольшого количества оксидов азота и серы. Помимо этого вместе с газами из труб котельных, использующих твердое топливо, и труб цементных заводов выбрасывается большое количество пара. Часто именно шлейф пара из трубы является причиной жалоб на то, что такое предприятие отравляет всё вокруг. Пар же никакого вреда не приносит, а жалобы – просто результат неграмотности.
В любом случае, дымят трубы или нет, в атмосферу выбрасывается одинаковое количество продуктов сгорания при сжигании одинакового количества топлива. Только в одном случае дым виден и вызывает наше беспокойство, в другом случае дым не виден и мы спокойны. Но нужно чётко понимать, что дымящие и не дымящие трубы одинаково вредны для живого мира при большом количестве выбросов. В настоящее время общее количество эмиссии газов в атмосферу составляет около 40 млрд. т в год.
Избыток углекислого газа в атмосфере опасен для живого мира Земли, нарушает круговорот углерода в природе, приводит к образованию кислотных дождей, потеплению климата из-за «парникового эффекта. Загрязнение водоёмов приводит к тому, что в них исчезает жизнь, а воду, используемую для питья, приходится очищать, что очень дорого. Кроме того, в загрязнённой воде происходит химические реакции с выделением тепла. Температура воды повышается, при этом снижается содержание кислорода в воде, что плохо для водных организмов. Из-за повышения температуры воды многие реки теперь зимой не замерзают.
2.4. Отношение жителей города к экологии
Социологический опрос
Цель опроса: привлечь внимание людей к экологической проблеме, а также узнать, как они информированы об этой проблеме и что делают на бытовом уровне.
Содержание:
1. Знаете ли вы, что такое диффузия?
Да Нет Затрудняюсь ответить
2. Влияет ли диффузия на экологию?
Да Нет Затрудняюсь ответить
3. Важна ли для вас лично информация об экологии?
Да Нет Затрудняюсь ответить
4. Задумываетесь вы об экологической проблеме?
Да Нет Затрудняюсь ответить
5. Как вы думаете, можно ли защитить природу?
Да Нет Затрудняюсь ответить
6. Готовы ли вы участвовать в улучшении экологии за предварительную плату?
Да Нет Затрудняюсь ответить
7. Хотите ли вы изменить экологию в лучшую сторону?
Да Нет Затрудняюсь ответить
8. Хотите ли вы получить дополнительные знания об экологии?
Да Нет Затрудняюсь ответить
Методика проведения социологического опроса по проблеме экологии
Я опрашивал людей по заранее разработанной анкете, на позиции были даны готовые предполагаемые ответы.
Опрос проводился анонимно. Было опрошено 37 школьников 11 класса и 42 взрослых человека. Так как ответы взрослых и школьников записывали разным цветом, то была возможность подсчитать, как отвечали школьники и взрослые. Опрашивались как знакомые (большинство), так и случайные прохожие на улице.
Анализ результатов
Результаты социологического опроса показали, что взрослых гораздо чаще волнуют проблемы экологии (приложение 2). Так, из опрощенных нами взрослых на вопрос: “Влияет ли диффузия на экологию?” утвердительно ответили 50% взрослых и 76% школьников и отрицательно – 17% взрослых и 12% школьников. Следовательно, в школе уделяют большое внимание этой проблеме. В целом задумываются над вопросами экологии 62% опрошенного населения и 21% – не задумываются.
На основании проведенного опроса можно сделать следующие выводы:
Жители г. Самары уделяют достаточное внимание проблеме
экологии.
Школьники чаще задумываются над этой проблемой, а значит в
будущем молодежь будет решать экологические проблемы города.
При анкетировании жителей некоторые впервые задумались над
проблемой экологии.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведения исследования были получены следующие основные выводы:
( явление диффузии является одним из главных общих условий жизнедеятельности растений и животных;
( наибольшую степень общей значимости для организмов растений и животных явление диффузии проявляет в форме осмоса.
Исходя, из вышеизложенного, можно сделать вывод о том, что диффузия играет огромную роль в жизни человека и животных, без этого явления жизнь на Земле была бы невозможна. Но, к сожалению, люди в результате своей деятельности часто оказывают негативное влияние на естественные процессы в природе.
Изучая диффузию, ее роль в экологическом равновесии природы и факторы, влияющие на ее протекание в природе, я пришел к выводу, что надо чаще привлекать внимание общественности к проблемам окружающей среды.
Когда я готовил эту работу, изучал литературу, занимался исследовательской деятельностью, то хотел, чтобы люди хранили, ценили нашу природу. Проведя данную работу, я пришел к выводу, что экологическое знания надо давать с малых лет.
Чтобы внести свой посильный вклад в экологическое образование школьников, я выступил с этим сообщением перед учащимися других классов для того, чтобы они поняли, как важно бережное отношение к природе и нашей Земле в целом, ведь нам и нашим потомкам жить на ней.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Алексеев С.В., Груздева М.В., Муравьёв А.Г., Гущина Э.В. Практикум по экологии. - М.: АО МДС, 1996.
2. Газета «Физика 1 Сентября». - № 5, 18, 23 – 2005.
3. Дик Ю.И., Кабардин О.Ф., Орлов В.А., Пинский А.А., Кабардин С.И., Никифоров Г.Г., Шамаш С.Я., Шефер Н.И., Эвенчик Э.Е. Физика. Учеб. пособие для 10 кл. /Под ред. А.А. Пинского. – М.: Просвещение, 2003.
4. Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики. – М.: Просвещение, 2002.
5. Кириллова И.Г. Книга для чтения по физике. - М.: Просвещение, 1986.
7. Прохоров А.М. Физический энциклопедический словарь.- М.: Советская энциклопедия, 1984.
8. Рыженков А.П. Физика. Человек. Окружающая среда. – М.: Просвещение, 1996.
9. Чуянов В.А. Энциклопедический словарь юного физика. – М.: Педагогика-Пресс, 1999.
10. Элементарный учебник физики. /Под редакцией академика Ландсберга Г.С. – М.: Просвещение, 2001.
11. 13 LINK http://www.bigreferat.com/rus/bigreferat15504.html 14http://www.bigreferat.com/rus/bigreferat15504.html15
12. http://news.samaratoday.ru/news/145044/
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Время распространения запаха освежителя воздуха
t = 15 0С
№ п/п
(, с
(ср, с
((, с
((ср, с
(ср ( ((ср, с
1
99
98,8
0,2
1,6
98,8 ( 1,6
2
98
0,8
3
100
1,2
4
98
0,8
5
97
1,8
6
96
2,8
7
102
3,2
8
97
1,8
9
100
1,2
10
101
2,8
t = 20 0С
№ п/п
(, с
(ср, с
((, с
((ср, с
(ср ( ((ср, с
1
79
79,2
0,2
1,2
79,2 ( 1,2
2
81
1,8
3
80
0,8
4
78
1,2
5
77
2,2
6
82
2,8
7
77
2,2
8
79
0,2
9
79
0,2
10
80
0,8
t = 25 0С
№ п/п
(, с
(ср, с
((, с
((ср, с
(ср ( ((ср, с
1
50
48,8
1,2
1,2
48,8 ( 1,2
2
51
2,2
3
49
0,2
4
46
2,8
5
50
1,2
6
47
1,8
7
48
0,8
8
49
0,2
9
48
0,8
10
50
1,2
График зависимости времени распространения запаха освежителя от температуры воздуха в помещении
t, 0С
30
20
10
0 20 40 60 80 100 (, с
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Результаты социологического опроса
(% от числа всех опрошенных)
Взрослые
№ п/п
Вопрос
Да
Нет
Затрудняюсь ответить
1
Знаете ли вы, что такое диффузия?
43
50
7
2
Влияет ли диффузия на экологию?
50
17
33
3
Важна ли для вас лично информация об экологии?
50
25
25
4
Задумываетесь вы об экологической проблеме?
42
33
25
5
Как вы думаете, можно ли защитить природу?
83
-
17
6
Готовы ли вы участвовать в улучшении экологии за предварительную плату?
33
42
25
7
Хотите ли вы изменить экологию в лучшую сторону?
83
-
17
8
Хотите ли вы получить дополнительные знания об экологии?
17
67
16
Учащиеся
№ п/п
Вопрос
Да
Нет
Затрудняюсь ответить
1
Знаете ли вы, что такое диффузия?
84
6
10
2
Влияет ли диффузия на экологию?
76
12
12
3
Важна ли для вас лично информация об экологии?
94
-
6
4
Задумываетесь вы об экологической проблеме?
76
12
12
5
Как вы думаете, можно ли защитить природу?
71
18
11
6
Готовы ли вы участвовать в улучшении экологии за предварительную плату?
53
29
18
7
Хотите ли вы изменить экологию в лучшую сторону?
41
47
12
8
Хотите ли вы получить дополнительные знания об экологии?
12
72
16
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
График зависимости температуры испаряющейся жидкости
от времени
13 EMBED MSGraph.Chart.8 \s 1415
13PAGE 15
13PAGE 14515
Рис. 4.
Рис. 5.
Рис. 6.
Рис. 7.
Рис. 8.
·, ч
t, 0C