I Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ДИФФУЗИЯ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
I. Введение ……………………………………………………………………….3
II. Основная часть
2.1 История открытия диффузии…………………………………………. …….5
2.2 Диффузия ……………………………………………………………………. 6
2.3 Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах.……………………... …….7
III. Экспериментальная часть ..……………………………………………….8
IV. Заключение ..………………………………………………………………. 10
V. Список литературы ……………………………………………………… 11
VI. Приложение
4.1 Определение скорости протекания диффузии в жидкости……………… 12
4.2 Зависимость диффузии от вязкости жидкости ……………………………13
4.3 Диффузия в твердых телах………………………………………………….14
Введение
Выбирая тему для проекта, я остановился на очень интересном слове диффузия. Что это? Из названия совершенно не возможно было понять о чем же идет речь. И я решил непременно узнать, что же скрывается за этим странным словом диффузия, а лучше увидеть все своими глазами.
На практике часто встречаешься с явлениями которым по началу, не предаешь особое внимание, но потом начинаешь понимать и начинаешь объяснять такие обыденные в жизни явления и понимаешь какую огромную роль они играют в природе и в жизни человека.
А вспомним известные пословицы:
- ложка дёгтя в бочке мёда;
- на мешке с солью и верёвка солёная;
- капля яду ведро молока портит;
- овощной лавке вывеска не нужна.
Ведь в каждой из них упомянут процесс диффузии!
А вот еще несколько примеров с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни. Сидя в комнате мы по запаху слышим, что готовит мама на кухне: жарит картошку, котлеты, курицу, варит суп. Мы завариваем чай и наблюдаем как прозрачная вода меняет цвет.
Чем больше я читал, смотрел фотографии, тем больше понимал, что диффузия – это просто фундаментальное явление природы. Его проявления имеют место на всех уровнях организации природных систем на нашей планете, начиная с уровня элементарных частиц, атом и молекул, и заканчивая биосферным уровнем (круговорот веществ в биосфере, поддерживает однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности земли). Но самое главное, и интересное, что процесс диффузии происходит и в теле человека. Примером диффузии в природе может служить принципиально важный для жизни процесс – дыхание. Именно благодаря диффузии кислород из легких попадает в кровь, а из крови – в органы и ткани организма. Благодаря диффузии выдыхаемый нами углекислый газ не скапливается вокруг нас, а рассеивается в пространстве и смешивается с кислородом, поэтому мы можем длительное время спокойно дышать в закрытой комнате без ветра.
На мой взгляд это явление достойно подробного изучения и в этой работе будет рассмотрено конкретное физическое явление - диффузия. Одно из самых значимых явлений в физике, имеющий так много в себе того, что мы встречаем повседневно и используем себе во благо.
Цель моей работы изучить явление диффузии с точки зрения физики.
Задачи, стоящие передо мной следующие:
- изучить явление диффузии в живой и неживой природе в различных источниках информации;
- провести опыты по изучению данного явления;
- понять, какие факторы влияют на скорость его протекания;
- провести опыты и проанализировать полученную информацию.
Методы исследования:
- поиск и изучение литературы;
- эксперименты и наблюдение;
- анализ и систематизация полученной информации.
История открытия диффузии
Ещё задолго до нашей эры, в период расцвета древних культур возникло учение о мельчайших частицах, из которых построено любое вещество.
Древнегреческие философы Анаксогор и Демокрит считали, что любое вещество состоит из мельчайших неделимых частиц - атомов. Разнообразие веществ, имеющихся в природе, объясняется не разнообразием различных сортов атомов, но разнообразием различных соединений этих атомов. Атомы невидимы и не обнаружимы в отдельности только вследствие своей чрезвычайной малости. Атомы находятся в непрерывном движении, соединения их могут распадаться, превращаясь в другие соединения1.
Те же мысли встречаем мы у Эпикура, а несколько позже у древнеримского поэта и мыслителя Лукреция.
В подлинную научную теорию эти идеи превращаются только в XVIII в.
Одним из основателей молекулярно-кинетической теории вещества является русский учёный Михаил Васильевич Ломоносов (1711 – 1765г.г)
Представление о молекулярном строении тел на первый взгляд не согласуется с нашим обычным опытом: тела представляются нам сплошными. Однако это возражение нельзя считать убедительным. Причина кажущегося разногласия в том, что атомы и молекулы слишком малы2.
Итак, из выше сказанного понятно, что любое вещество состоит из молекул. Молекула – мельчайшая частица вещества, сохраняющая некоторые его свойства. В состав молекулы входят атомы – мельчайшие частицы химического элемента, сохраняющие его химические свойства3.
Мы не видим молекул. Тем не менее наши представления о молекулах и их движение подтверждаются многочисленными опытами.
Диффузия
Сопоставим несколько простых фактов, позволяющих сделать заключение о движении молекул. Положим в стакан холодного чая кусок сахара. Сахар растает и образует густой сироп на дне стакана. Этот сироп хорошо виден, если посмотреть сквозь стакан на свет. Оставим стакан в покое на несколько часов. Останется ли сироп на дне стакана? Нет, он постепенно разойдется по всему стакану. Это распространение сахара по объёму стакана происходит самопроизвольно, так как никто чая не перемешивал. Точно также расходится по комнате запах (например, если открыть флакон с духами); это происходит даже в том случае, если воздух в комнате совершенно неподвижен4.
В данном опыте мы сталкиваемся с новым физическим явлением, которое носит название диффузии.
Диффузия – это процесс взаимного проникновения друг в друга разных веществ, приведённых в соприкосновение5.
При диффузии вещество распространяется во все стороны, также и вверх, т.е. против силы тяжести. Явление диффузии показывает, что молекулы вещества всё время движутся. Например, диффузия сахара в воде разные молекулы растворённого сахара движутся в разные стороны между тоже движущимися молекулами воды, и, таким образом, сахар постепенно распространяется по всему сосуду, заполненному водой6.
Диффузию можно определить и по - другому – процесс проникновения частиц (молекул, атомов, ионов) одного вещества между частицами другого вещества вследствие хаотичного движения. Таким образом, диффузия – результат хаотичного движения всех частиц вещества, всякого механического воздействия.
Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах
Легко обнаружить диффузию в газах. Наполним уравновешенный на весах стакан тяжелыми парами эфира. Чашка весов с парами эфира перетягивает, через некоторое время замечаем, что весы приходят в равновесие, а в комнате чувствуется запах эфира. Значит, несмотря на то что пары эфира тяжелее воздуха, они из стакана проникали в комнату7.
Теперь мы знаем, что распространение запаха объясняется движением молекул. Варианты проявления этого явления могут быть таковым: распространение запаха цветов; слезы из-за нарезания лука; шлейф духов, который можно почувствовать в воздухе.
Промежутки между частицами в воздухе довольно большие, частицы двигаются хаотично, поэтому диффузия газообразных веществ происходит достаточно быстро.
С газами все понятно, а теперь посмотрим что происходит с молекулами в другом агрегатном состоянии – в жидкостях.
Если в сосуд, до половины наполненный раствором медного купороса, осторожно налить чистой воды поверх раствора, то сначала получается резко обозначенная поверхность раздела между бесцветной водой и синим раствором. Но через некоторое время можно заметить, как вода постепенно начинает синеть, поверхность раздела становится нерезкой, а спустя время исчезнет.
Твердые тела, растворяющиеся в жидкости, диффундируют в этой жидкости. Кусок сахара или щепотка соли, брошенные в стакан воды, растворяются в воде; по прошествии некоторого времени в стакане получается вполне однородный раствор этих веществ.
Нагретые металлы, сохраняя твердое состояние диффундируют друг в друга.
Экспериментальная часть
Законы физики основаны на фактах, установленных опытным путем. Причем нередко истолкование одних и тех же фактов меняется в ходе исторического развития физики. Факты накапливаются в результате наблюдений. Но при этом только ими ограничиваться нельзя. Это только первый шаг к познанию. Дальше идет эксперимент, выработка понятий, допускающих качественные характеристики. Чтобы из наблюдений сделать общие выводы, выяснить причины явлений, надо установить количественные зависимости между величинами. Если такая зависимость получается, то найден физический закон. Если найден физический закон, то нет необходимости ставить в каждом отдельном случае опыт, достаточно выполнить соответствующие вычисления. Изучив экспериментально количественные связи между величинами, можно выявить закономерности. На основе этих закономерностей развивается общая теория явлений.
ОПЫТ № 1 Определение скорости протекания диффузии в жидкости
Положим на дно стакана крупинку марганцовки и сверху нальем холодную воду (Рис.1). Не перемешивая воду, с помощью секундомера определим, через какое время молекулы марганцовки попадут в верхний слой воды (Рис.2). Измерив высоту уровня воды, вычислим скорость протекания диффузии. (Приложение 1)
Скорость диффузии: 0.0001666667 м/сек (7 см.=0.07м; 8 мин= 420сек). Вода стала равномерно окрашенная через 2 часа 2 минуты.
ОПЫТ № 2 Зависимость диффузии от вязкости жидкости
Я провел исследование по зависимости прохождения диффузии в различных жидкостях: спирт, вода, масло растительное. В зависимости от вязкости жидкости скорость диффузии была различна. Быстрее всего она прошла в воде, затем по скорости диффузии – спирт, и на третьем месте – растительное масло. (Приложение 2)
ВЫВОД: в воде диффузия протекает быстрее, на 2 месте – спирт и на третьем месте – масло, что объясняется плотностью жидкости.
ОПЫТ № 3 Диффузия в газах
Я, со своими родителями и братом провел следующий опыт: мои родители встали на расстоянии 1,5 м друг от друга и я распылил духи, запах доходил до первого испытуемого через 1 минуту 12 секунд, до второго через 33 секунды, а до последнего через 30 секунд.
Если сравнить скорость протекания опыта в диффузии газа с опытом № 3, то можно сделать вывод, что скорость протекания в газах гораздо выше, чем в жидкостях.
Диффузия в газах прошла через 2 мин. 15 сек. на расстояние 4м 50см.
Диффузия в жидкости через 2 ч. 2мин на расстояние 7 см.
ОПЫТ № 4 Диффузия в твердых телах
Проверим процесс диффузии в 2 твердых телах: картошке и луке. Можно заметить что у картошки диффузия прошла по всему разрезу за 2 дня, у лука за 1 день .Отсюда следует что и от построения волокон растения диффузия идет по разному. (Приложение 3)
ОПЫТ № 5 Влияние температуры на скорость протекания диффузии
Для этого возьму 2 стакана с водой различной температуры: 20℃ и 60℃, опустил в них по пакетику чая и увидел что диффузия прошла гораздо быстрее в стакане с горячей водой. Процесс диффузии ускоряется с повышением температуры. Это происходит потому, что с повышением температуры увеличивается скорость движения молекул.
Заключение
Итак, мы установили, что молекулы и ионы в жидкостях и газах хаотически двигаются под действием тепла. Диффузия может происходить и в газах, и в жидкостях и в твердых телах. Наиболее быстро диффузия происходит в газах (именно поэтому так быстро распространяется запах в воздухе). В жидкостях диффузия происходит медленнее, чем в газах. Это объясняется тем, что молекулы жидкости расположены значительно гуще и поэтому «пробираться» через них значительно труднее. Медленнее всего диффузия происходит в твердых телах. Скорость диффузии возрастает с повышением температуры, уменьшением плотности и вязкости среды. Поэтому в жидкости скорость диффузии в тысячи раз ниже, чем в газе, а в твердых телах она ещё в тысячи раз меньше, чем в жидкости.
Готовя этот проект, я так много узнал об этом удивительном явлении. Когда я на опытах наблюдал проникновение одних веществ в другое то передо мной открывались такие красочные картины и просто удивляет что казалось бы такой не сложный процесс как диффузия так много значит для жизни на земле.
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.
Список литературы
-
Ефграфова Н.Н., Каган В.Л. Курс физики для подготовительных отделений вузов: Учеб. Пособие. – 3-е изд., испр. И перераб. – М.: Высш. Шк., 1984.- 487 с., ил.
-
А. В. Пёрышкин Курс физики, ч.II для средней школы
Механика (продолжение), теплота и молекулярная физика составлен при участии Н.П. Суворова издание пятнадцатое
Редактор Л.Л. Величко. Художественный редактор Б.Л.Николаев. Технический редактор Н.Н. Махова. Корректор Т.Кузнецова
Издательство «Просвещение» Москва 1968
-
С.Э.Фриш и А.В.Тимофеева Курс общей физики ТОМ I Физические основы механики. Молекулярная физика. Колебания и волны. Издание пятое, исправленное. Государственное издательство технико-теоретической литературы Москва 1953
-
Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3-х т./Под ред. Г.С. Ландсберга. Т. I. Механика. Теплота. Молекулярная физика. – 10- е изд., перераб.- М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985. -608 с., ил.
-
Г.А.Зисман, О.М.Тодес Курс общей физики часть I. Механика. Основы термодинамики, физики реальных газов, жидкостей и твердого тела. М. «Днiпро», Киев 1994
Приложение № 1
Определение скорости протекания диффузии в жидкости
Рис. 1 Начало опыта 19 часов 00 мин
Рис. 2. Высота уровня воды - 7 см.
Рис. 4. Молекулы воды достигли верхних слоев воды за 8 минут. Время 19 час. 08 мин.
Приложение № 2
Зависимость диффузии от вязкости жидкости
Рис 1. 1 стакан – спирт
2 стакан – вода
3 стакан – подсолнечное масло
начало опыта время - 13 ч. 35мин.
Рис. 2 Через 1 час Время – 14 ч. 35 мин
Рис. 3 Время 18ч. 45 мин. Полное растворение и окрашивание в воде произошло через 6 часов 10 минут.
Рис. 6 В стакане с водой полное растворение, в стакане со спиртом на дне ещё есть кристаллик марганцовки, а в стакане с подсолнечным маслом видно что процесс диффузии еле-еле начинается.
Приложение № 3
Диффузия в твердых телах
Рис. 1 Время - 14 часов 10 минут
Рис. 2 Первый день
Рис. 3 Второй день
1 Г.А.Зисман, О.М.Тодес Курс общей физики часть I. Механика. Основы термодинамики, физики реальных газов, жидкостей и твердого тела. М. «Днiпро», Киев 1994
2 А.В. Пёрышкин Курс физики, ч.II для средней школы Механика (продолж.), теплота и молекулярная физика составлен при участии Н.П.Суворова изд. 15-е Редактор Л.Л. Величко. Издат. «Просвещение» Москва 1968
3 Ефграфова Н.Н., Каган В.Л. Курс физики для подготовительных отделений вузов: Учеб. Пособие. – 3-е изд., испр. И перераб. – М.: Высш. Шк., 1984.- 487 с., ил.
4 Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3-х т./Под ред. Г.С. Ландсберга. Т. I. Механика. Теплота. Молекулярная физика–10-е изд., перераб.-М.: Наука. Глав. редакция физико-математ. Литерат., 1985.-608 с., ил.
5 А.В. Пёрышкин Курс физики, ч.II для средней школы Механика (продолж.), теплота и молекулярная физика
6 Элементарный учебник физики: Учеб.пособие. в 3-х т./под ред. Г.С.Ландсберга. Т. I. Механика. Теплота. Молекулярная физика.–10-е изд., перераб-М.:Наука. Глав. редакция физико-математ. Литерат., 1985. -608 с., ил.
7 Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3-х т./Под ред. Г.С. Ландсберга. Т. I. Механика. Теплота. Молекулярная физика.–10-е изд.,перераб.-М.:Наука. Глав. редакция физико-математ. Литерат., 1985. -608 с., ил.