МБОУ "Лицей №55" Потапова И.А. 6ая городская научно-практическая конференция исследовательских работ младших школьников "Влияние температуры на скорость диффузии"
Городская конференция исследовательских работ и творческих проектов младших классов
«Я исследую мир»
«Влияние температуры на диффузию»
Работу выполнил: Казанцев Константин
Ученик 3 «А» класса МБОУ «Лицей № 55»
Научный руководитель: Потапова Ирина Анатольевна,
Учитель начальных классов
Пенза 2014
Содержание
Введение
1.Понятие диффузии
2. Диффузия в газах и жидкостях
3. Влияние температуры вещества на диффузию
4. Явление диффузии в природе и ее применении в технике
Заключение
Используемая литература
Введение
В своей жизни человек часто сталкивается с различными физическими явлениями. И часто даже не задумывается об этом. Одному из таких явлений, а именно диффузии, посвящен эта работа.
Говоря научным языком, диффузия – это распространение молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого.
В повседневной жизни мы сталкиваемся с этим явлением, когда завариваем чай, солим пищу или используем освежитель воздуха. Даже в поговорке это явление нашло свое отражение. В физическом смысле поговорка «Ложка дегтя в бочке меда», говорит о том, что деготь – это смолистое жидкое вещество, которое проникает в другое жидкое вещество – мед и придает ему неприятный вкус. Явление диффузии используется везде – в кулинарии, в медицине, в технике, поэтому очень важно представлять закономнрности этого явления.
Цель работы: исследовать такое физическое явление, как диффузия.
Задачи работы:
- изучить физические основы диффузии;
- провести опыт, доказывающий влияние температуры на диффузию;
- описать роль диффузии в жизни человека.
Гипотеза: температура влияет на скорость протекания диффузии.
1. Понятие диффузии.
В соответствии с современными представлениями, атомы и молекулы, из которых состоит вещество, находятся в беспрерывном хаотическом движении. Такое движение называется тепловым.
Тепловое движение невозможно увидеть невооруженным глазом, ведь размеры молекул очень малы.
Однако существует много физических явлений, объяснить которые можно только опираясь на тот факт, что молекулы постоянно двигаются.
Бесспорным доказательством движения молекул служит физическое явление, которое называется диффузия (от лат. diffusio — распространение, растекание). Диффузией называют взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга, происходящее в результате теплового (хаотического) движения молекул (атомов).
Так как частицы движутся и в газах, и в жидкостях, и в твердых телах, то в этих веществах возможна диффузия.Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях и медленнее всего в твёрдых телах.
Диффузия объясняется так. Сначала между двумя телами чётко видна граница раздела двух сред (рис.1а). Затем, вследствие своего движения отдельные частицы веществ, находящихся около границы, обмениваются местами.
Граница между веществами расплывается (рис.1б). 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 вещество становится однородным (рис.1в).
2. Диффузия в газах и жидкостях
Всем хорошо известно, что если в комнату внести какое-либо пахучее вещество, например духи или нафталин, то запах вскоре будет чувствоваться во всей комнате. Распространение запахов происходит из-за того, что молекуле духов (или нафталина) движутся.
Возникает вопрос, почему же запах в комнате распространяется не мгновенно, а спустя некоторое время.
Дело в том, что движению молекул пахучего вещества в определенном направлении мешает движение молекул воздуха. Молекулы духов (или нафталина) на своем пути сталкиваются с молекулами газов, которые входят в состав воздуха. Они постоянно меняют направление движения и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по комнате. Это значит, что молекулы ароматного вещества, двигаясь, попадают в промежутки между молекулами воздуха, которым заполнена комната, т. е. наблюдается диффузия. Именно в результате диффузии в газах мы ощущаем запахи: запах вкусной еды из столовой или запах прогретой летним солнцем травы.
Диффузию можно наблюдать и в жидкостях. Но в жидких веществах подобные процессы протекают значительно медленнее.Взаимопроникновение двух разнородных жидкостей друг в друга, растворение твердых веществ в жидкостях (например, сахара в воде) и образование однородных растворов – примеры диффузионных процессов в жидкостях. Многочисленные опыты свидетельствуют, что диффузия в жидкостях протекает значительно медленнее, чем в газах.
Еще медленнее происходит диффузия в твердых телах. Это происходит из-за особенностей расположения молекул газов, жидкостей и твердых тел.
3. Влияние температуры вещества на диффузию
Довольно сложные эксперименты показывают, что при любой температуре в веществе есть молекулы, двигающиеся довольно медленно, и молекулы, скорость которых высока. Если количество молекул вещества, имеющих высокую скорость, увеличивается, т. е. увеличивается средняя скорость молекул, то это значит, что температура вещества также увеличивается.
Обратимся к опыту, коорый проводил каждый из нас. В двух стаканах налита вода, но в одном холодная, а в другом – горячая. Опустим одновременно в стаканы пакетики с чаем. Нетрудно заметить, что в горячей воде чай быстрее окрашивает воду, диффузия протекает быстрее. Чем горячее вода, тем быстрее она приобретет характерный цвет и запах. Это наглядное подтверждение того, что температура влияет на диффузию. Скорость диффузии увеличивается с ростом температуры, так как молекулы взаимодействующих тел начинают двигаться быстрее.
В случае повышения температуры скорость диффузии в газах также увеличивается.
Зависимость скорости диффузии от температуры особенно заметна для твердых тел. Так, английский металлург Вильям Роберт Остин провел следующий опыт. Он наплавил тонкий диск золота на свинцовый цилиндр и на несколько дней поместил этот цилиндр в печь, где поддерживалась температура около 400°С. Оказалось, что золото продиффундировало через весь цилиндр ; тем временем при комнатной температуре диффузия в металлах практически не наблюдалась.
Для наблюдения за процессом диффузии можно использовать прозрачную емкость с водой и краситель. Если капнуть в воду жидкий краситель, цветные капли будут постепенно расплываться в воде. А через несколько часов раствор приобретет однородный цвет.
Для изучения диффузии и влияния температуры на нее был проведен следующий опыт.
1. В колбу налили чистую воду.
2. В стакане с теплой водой растворили желый краситель.
3. С помощью пипетки в колбу медленно капнули несколько капель желтого цвета.
В результате диффузии вода и краситель смешались и раствор в колбе стал желтым
4. В стакане с холодной водой растворили синий краситель, а в колбу с желтым раствором добавили лед.
5. С помощью пипетки капнули в колбу воду синего цвета.
При смешивании желтого и синего цветов, вода окрасилась в зеленый. Что наглядно показывает нам действие диффузии на практике. При этом окрашивание воды в желтый цвет с помощью теплого раствора происходило быстрее, чем смешивание желтого и синего растворов.
Для наблюдения за процессом диффузии в твердом веществе был использован кусечек сахара и жидкий криситель. На поверхность кусочка сахара капнули красителем. Сначала окрасилось только то место, куда попала капля. Но постепенно краситель проник в вещество, и окрашенной оказалась значительная часть сахара.
Таким образом, мы выяснили, что чем выше температура вещества, тем быстрее происходит диффузия, т. к. молекулы быстрее двигаются.
4. Явление диффузии в природе и ее применении в технике
Явление диффузии широко используется и на практике. В повседневной жизни – заварка чая, консервирование овощей, изготовление варений. Явление диффузии очень распространено в природе. Благодаря диффузии углекислый газ попадает в листву растений; питательные вещества впитываются в кишечнике; кислород из легких попадает в кровь, а из крови - в ткани и т. д.Большую роль играют диффузные процессы в снабжении природных водоёмов и аквариумов кислородом. Кислород попадает в более глубокие слои воды в стоячих водах за счёт 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 ее обитателей. По этой же причине сосуды с узким горлом непригодны для использования в качестве аквариума.
Диффузию широко применяют в технике. На явлении диффузии основана диффузионная сварка металлов. Метод диффузионной сварки позволяет соединять между собой металлы, неметаллы, металлы и неметаллы, пластмассы. Детали помещают в закрытую сварочную камеру с сильно разряженным воздухом, сдавливают и нагревают до 800 градусов. При этом происходит интенсивная взаимная диффузия атомов в поверхностных слоях контактирующих материалов. Диффузионная сварка применяется в основном в электронной и полупроводниковой промышленности, точном машиностроении.
Для извлечения растворимых веществ из твердого измельченного материала применяют диффузионный аппарат. Такие аппараты распространены, главным образом, в свеклосахарном производстве, где их используют для получения сахарного сока из свекловичной стружки, нагреваемой вместе с водой.
На явлении диффузии основан процесс металлизации – покрытия поверхности изделия слоем металла или сплава для сообщения ей физических, химических и механических свойств, отличных от свойств металлизируемого материала. Применяется для защиты изделий от коррозии, износа, повышения контактной электрической проводимости, в декоративных целя. Для повышения твердости и жаростойкости стальных деталей применяют цементацию. Она заключается в том, что стальные детали помещают в ящик с графитовым порошком, который устанавливают в термической печи. Атомы углерода вследствие диффузии проникают в поверхностный слой деталей. Глубина проникновения зависит от температуры и времени выдержки деталей в термической печи.
К сожалению, необходимо отметить и вредные проявления этого явления. Дымовые трубы предприятий выбрасывают в атмосферу углекислый газ, вредные вещества. В настоящее время общее количество выбросов газов в атмосферу превышает 40 миллиардов тонн в год. Избыток углекислого газа в атмосфере опасен для живого мира Земли, нарушает круговорот углерода в природе, приводит к образованию кислотных дождей. Процесс диффузии играет большую роль в загрязнении рек, морей и океанов. Годовой сброс производственных и бытовых стоков в мире равен примерно 10 триллионов тонн.
Загрязнение водоёмов приводит к тому, что в них исчезает жизнь, а воду, используемую для питья, приходится очищать, что очень дорого. Кроме того, в загрязненной воде происходят 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. Для снижения выброса вредных газов из промышленных труб, труб тепловых электростанций устанавливают специальные фильтры, но установка их стоит очень дорого. Для предупреждения загрязнения водоемов необходимо следить за тем, чтобы вблизи берегов не выбрасывался мусор, пищевые отходы, навоз, различного рода химикаты.
Таким образом, значение диффузии в неживой природе очень велико, а существование живых организмов было бы невозможно, если бы не было этого явления. К сожалению, приходится бороться с отрицательным проявлением этого явления, но положительных факторов намного больше и поэтому мы говорим об огромном значении диффузии в природе.
Заключение
Изучив явление диффузии, можно сделать вывод, что диффузия – фундаментальное явление природы. Его проявления имеют место на всех уровнях организации природных систем на нашей планете, начиная с уровня элементарных частиц, атомов и молекул, и заканчивая геосферой. Оно широко используется в технике, в повседневной жизни. А так же проявляется во многих природных явлениях.
Исследование диффузии помогает лучше понять явления, с которыми мы сталкиваемся каждый день. Распространение запахов – наглядный пример диффузии в газах. А заваривание чая, приготовление рассола для овощей пример диффузии в жидкостях.
В результате проведенных экспериментов наглядно видно, что чем выше температура раствора, тем быстрее происходит диффузия.
Все это помогает лучше разобраться в окружающих нас физических процессах и их практическом применении.
Использованная литература
- Гершберг А.Е. Физика в доме. – М.::Космосинформ, 2003.
- Пёрышкин А.В. Физика 7 класс. – М.: Дрофа, 2010.
- Перельман Я.И. Физика на каждом шагу. – М: АСТ, 2013
| Вложение | Размер |
|---|---|
| kazancev3a.pptx | 1.62 МБ |
