VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
О диффузии просто
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Процесс диффузии играет большую роль в загрязнении рек, морей, океанов. Например, можно быть уверенным, что моющие средства, слитые в канализацию, например, в Одессе, окажутся у берегов Турции из-за диффузии и существующих течений. Годовой сброс производственных и бытовых стоков в мире исчисляется десятками триллионов тонн. Примером отрицательного влияния человека на процессы диффузии в природе являются крупномасштабные аварии, произошедшие в бассейнах разных водоемов. 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. 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.
Насущной проблемой является загрязнение воздуха выхлопными газами, продуктами переработки вредных веществ, выбрасываемыми в атмосферу различными заводами. В некоторых медицинских исследованиях была показана связь заболеваемости органов дыхания и верхних дыхательных путей с состоянием воздуха. Отмечается прямая зависимость между показателем уровня заболеваемости органов дыхания и объемом выбросов вредных веществ в атмосферу. Перечисленные примеры диффузии оказывают вредное влияние на различные процессы, происходящие в природе.
Исходя из вышеизложенного, мы определили тему исследовательского проекта: «О диффузии просто». Данная тема, на сегодняшний день, является одной из актуальных, так как 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. Поэтому важно знать особенности диффузии и влияние различных факторов на скорость протекания диффузионных процессов. Гипотеза: приступая к исследованию, мы предположили, чтомежду явлением диффузии и экологическими проблемами в г. Челябинске существует тесная взаимосвязь.
Объектом исследования является: явление диффузии.
Предметом исследования: протекание диффузных процессов в природе, связанные с жизнедеятельностью человека.
Цель исследования: изучить процесс диффузии в экологическом равновесии природы и влияние человека на этот процесс.
Задачи:
-расширить знания о диффузии;
-изучить процесс протекания диффузии в различных средах;
-раскрыть роль диффузии в природе;
-выявить воздействие человека на процесс загрязнения окружающей среды.
Метод работы:
- изучение и анализ теоретического материала;
-проведение экспериментальных исследований;
-проведение социологического опроса;
-анализ полученных результатов;
-разработка рекомендаций о способах снижения неблагоприятного воздействия на экологическую обстановку в г. Челябинске .
Теоретическая часть
История открытия явления диффузии.
Ещё в Древней Греции учёным было известно, что все вещества на свете состоят из мельчайших частиц: ионов, атомов, молекул, и между ними имеются промежутки, и эти частицы постоянно и хаотично движутся, на основании чего они сделали вывод, почему происходит испарение влаги, распространение запахов, смешивание металлов.
В 1827 году ботаник Роберт Броун наблюдал беспорядочное движение частичек цветочной пыльцы в воде, данное явление легло в основу модели броуновского движения и высказанной на ее основе теории.
Броуновское движение — это беспорядочное движение мельчайших частиц, взвешенных в жидкости или газе, происходящее под действием ударов молекул окружающей среды. Благодаря движению молекул, происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого вещества. Такое явление в природе называется диффузией (от лат. Diffusio — распространение, растекание, рассеивание)
Движение молекул обусловлено стремлением к равновесию. То есть, в веществе есть область с высокой и низкой концентрацией этих частиц. И благодаря этому стремлению они постоянно движутся из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией, сталкиваются друг с другом, что приводит к самопроизвольному выравниванию их концентрации по всему занимаемому объёму.
Скорость протекания диффузии зависит от многих факторов: от температуры, агрегатного состояния вещества и внешнего воздействия.
1.2 Роль диффузии в природе.
Рассмотрим процесс диффузии в природе, но при этом более детально остановимся на особенностях протекания данного процесса в газах, в жидкостях и в твердых телах.
Диффузия в газах.
Процесс диффузии в газах самый быстрый. Он происходит, если газ состоит из двух и более компонентов. 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. 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…»
Диффузия в жидкостях.
Если диффузия в газах происходит быстро, чаще всего за считанные секунды, то диффузия в жидкостях занимает целые минуты и иногда даже часы. Это зависит от плотности и температуры. При повышении температуры происходит «разрыхление» структуры жидкости, в результате чего наблюдается резкое увеличение процесса.
Данный процесс мы можем наблюдать в окружающем нас мире. Так муравьи помечают свой путь капельками пахучей жидкости, что позволяет им быстро найти путь домой. Благодаря диффузии, насекомые находят себе пищу: бабочки и пчелы всегда находят дорогу к цветку, содержащему наибольшее количество нектара. А растение растет, цветет для них тоже благодаря диффузии. Ведь мы говорим, что растение фотосинтезирует, дышит, поглощает воду, получая из почвы различные минеральные вещества. Плотоядные животные находят своих жертв тоже благодаря диффузии, например, акулы чувствуют запах крови на расстоянии нескольких километров, также как и рыбы пираньи. На принципе диффузии основано перемешивание пресной воды с соленой при впадении рек в моря.
Диффузия в твердых телах.
Несмотря на то, что для твердого тела характерно упорядоченное расположение атомов в кристаллической решетке, перемещение атомов возможно и в нем, но процесс диффузии протекает очень медленно. Этот процесс может занять несколько лет. Его длительность зависит от состава вещества и температуры. В качестве примера можем привести процесс формирования горных пород и минералов.
На основании выше изложенного можно сделать вывод, во всех приведенных примерах можно наблюдать взаимное проникновение молекул одних веществ сквозь толщу других, то есть диффузию.
На данном явлении основаны многие физиологические процессы в организме человека, животных и растений: такие как дыхание, всасывание и другие. Диффузия имеет огромное положительное значение в природе, но в тоже время он наносит вред всему живому, если окружающая среда загрязнена.
Практическая часть
Богатые природные условия и особое географическое положение, поставили Челябинскую область в ряд регионов, где природа эксплуатируется наиболее интенсивно. Превращение края в гигантский промышленный бастион, не сопровождается, в должной мере, защитой окружающей среды.
Экологической проблемой города Челябинска, является загрязнение воздуха, воды, почвы. Загрязняющими предприятиями являются: ЧМК-46,6%, ФОРТУМ (городские ТЭЦ1, ТЭЦ2, ТЭЦ3, и ГРЭС)-14,7%, ЧЭМК-6,3%, Цинковый завод-3%; наличие свалки в центре города, а перенесенная находится в поселке Полетаево в водоохраной зоне № 2 (водосбора Шершнёвского водохранилища), в которой запрещено размещение данных объектов; нерекультивированными угольными разрезами рядом с городом; использование автомобилей с низким экологическим классом, а также разжигание костров в городе и за его пределами. Вследствие явления диффузии, воздух, вода, почва загрязняются, что наносит непоправимый вред экологии , а значит и здоровью жителей Челябинска.
2.1. Диффузный процесс в воде Шершнёвского водохранилища.
Шершнёвское водохранилище используется как основной источник водоснабжения города Челябинска, искусственно созданное на реке Миасс. В настоящее время в водоёме наблюдается значительное ухудшение качества воды. В водосборе реки Миасс развита сельскохозяйственная деятельность, а нерациональное применение в сельском хозяйстве удобрений и ядохимикатов приводит к загрязнению водоема.Сбросы сточных вод очистных сооружений посёлка Полетаево. Стихийные свалки по берегу водохранилища. Все это загрязняет единственный источник питьевой воды города Челябинска, вследствие процесса диффузии.
Для исследования факторов, влияющих на протекание диффузии в воде, мы провели ряд опытов.
Цель первого опыта: влияние температуры на протекание диффузии.
Для проведения данного опыта мы использовали: 2 колбы с водой комнатной температуры, 2 банки в одной снег в другой кипяток, красящее вещество.
В колбы налили воды, одну поместили в снег, другую к кипяток. Затем в обе колбы одновременно насыпали краситель и обнаружили, что диффузия наблюдается как в холодной, так и в горячей воде, но с увеличением температуры скорость данного процесса оказалась выше. (Опыт 1, стр.11. Приложение 1)
Цель второго опыта: изучить, как различные вещества на поверхности воды влияют на скорость ее испарения, а также сделать вывод о скорости протекания диффузии. Для проведения данного опыта мы использовали: стеклянные стаканы, теплую воду, растительное масло, нефть.
Во все стаканы налили теплой воды (по 100мл), во второй стакан добавили растительного масла, в третий — нефть (по 2 мл). Засекли время, через каждые 3 минут в течении 15 мин снимали показания термометров, помещенных во все жидкости.(Опыт 2, стр.12. Приложение 1)
Результаты измерений зафиксировали в таблицу № 1. (стр.18. Приложение 2)
Исходя из полученных данных мы построили график №1 (стр.18. Приложение 2) и сделали вывод: при испарении с поверхности воды вылетают отдельные ее молекулы, и одновременно в ее раствор поступают молекулы кислорода. Так как вода, покрытая плёнкой различных веществ, остывает медленнее, то можно судить о том, что процесс диффузии нарушен. Данные плёнки растекаются по поверхности воды, нарушая процессы диффузии, и как следствие кислород не поступает в толщу воды, что, в конечном итоге, приводит к гибели гидробионтов в природе.
В городе Челябинске основным источником питьевой воды является вода Шершнёвского водохранилища. Контроль за качеством воды ведется экологической службой Центра гигиены и эпидемиологии Челябинской области совместно с Челябинским центром по гидрометеорологииведется с 2006 года и подробно изложен на сайте http://www.chelpogoda.ru/pages/423.php. Проанализировав показатели качества воды за 2018 год, взятые с данного сайта, мы сделали следующий вывод:
- жесткость воды находится в норме;
‒окисляемость превышает допустимые показатели (5,0 мг/л) в апреле, мае, июне, июле, августе, сентябре и декабре месяце (май — 35,7 мг/л);
‒содержание нефтепродуктов в воде соответствует норме;
‒наличие железа в течение всего года выше нормы (0,3 мг/л);
‒мутность в апреле, мае и июне также выше нормы (2,6 мг/л).
Представленные выше показатели позволяют дать оценку диффузионным процессам, которые повлияли на экологическое состояние Шершнёвского водохранилища: степень загрязнения водоёма средняя, имеется превышение допустимых норм качества воды, присутствуют тяжелые металлы, следовательно, данная вода без технологической обработки не пригодна для питья.
2.2 Диффузия в почве.
В городской черте Челябинска расположено около 600 промышленных предприятий, большое количество автотранспорта, их работающие двигатели с выхлопными газами выделяют в воздух множество вредных веществ, автомобили разносят с дорог грязный снег, всё это оседает на поверхности почвы, тем самым загрязняя её. Наибольшее число загрязнений тяжелыми металлами (цинк, свинец, хром и др.) и самое большое их содержание в почве установлено в центральной части города. Почвы не только промышленных, но и жилых зон города насыщенны вредными компонентами. Они растворяются, переходят в активные растворы и вместе с органическим веществом почвы образуют металлоорганические соединения. Эти соединения усваиваются растениям, растения могут накапливать тот или иной элемент, иногда во вред горожанам. Тяжелые металлы могут попасть в организм человека и вызвать серьезные интоксикации организма.
Для исследования факторов, влияющих на протекание диффузии в почве, мы провели ряд опытов.
Первый опыт доказывает, что вредные вещества находящиеся в воздухе осаживаются на землю, а затем проникают в почву вследствие диффузии.
Нам понадобилось: прозрачную тарелку, краситель, снег. Мы насыпали снег в тарелку и сверху посыпали красителем. Далее наблюдали как снег подтаивал, а краситель расползался по поверхности снега и проникал внутрь. (Опыт 3, стр.14. Приложение 1)
Второй опыт был направлен на изучение способности семян растений поглощать из почвы вредные вещества и накапливать их в своих тканях.
Для проведения этого опыта были использованы: пластмассовая банка; земля, заранее обработанная отложениями из выхлопной трубы автомобиля и снегом с днища автомобиля; семена бобов. Наблюдения проводим в течении 2-х недель. Через 15 дней мы достали семена бобов и увидели, что оно набухло и появился корешок. То есть,боб, помещённый во влажную почву, впитал в себя воду с растворенными в ней веществами. (Опыт 4, стр.15. Приложение1.)
На основании проведенного опыта, можно сделать вывод: семя боба пропустило внутрь как молекулы воды, так и молекулы других веществ, которые заранее были введены в почву. В дальнейшем из семени появится росток, который для роста будет использовать накопленные из загрязнённой земли вещества.
Этот опыт наглядно продемонстрировал процесс выращивания человеком растений на почвах загрязненных тяжёлыми металлами, растения впитывают вредные элементы, а в последствии, человек употребляет в пищу зараженные плоды этих растений. В дальнейшем, в следствии диффузного процесса, опасные вещества разносятся по всему организму человека вызывая различные заболевания в том числе и опасные для жизни.
2.3. Диффузия в воздухе.
Челябинск входит в число городов с наихудшей ситуацией по загрязнению воздуха, он занимает 9 место среди городов России. В воздухе над Челябинском наблюдается систематическое превышение норм по бензпирену, формальдегиду, фенолу, диоксида азота, фторида водорода, сероводорода. Почти половина дней в году сопровождается неблагоприятными метеоусловиями (НМУ).
Проведем эксперимент, моделирующий процесс диффузии вредных примесей в атмосфере. Для этого нам понадобятся работающий автомобиль, секундомер.В безветренную погоду заводим машину, из выхлопной трубы вырывается газ с содержащимися примесями и водой. Зимой мы видим именно водяной пар, вредные вещества не видно, но чувствуется неприятный запах. Первая точка, в которой проводили измерения в 1,5 метрах от машины, через 8 сек. видно как газ стал расползаться в воздухе, и появился неприятный запах выхлопных газов. Вторая точка - в 2,5 метрах от машины и через 6 сек. газ в воздухе стал еле заметен и запах стал менее выражен.(Опыт 5, стр.17. Приложение 1) Данный опыт подтверждает движение молекул газа в воздухе. Зимой мы видим водяной пар, который не вреден для окружающей среды, а опасные содержащиеся в газе вредные вещества, частички сажи, из-за неполного сгорания топлива в автомобилях, и неправильно отрегулированных горелок в котельных на заводах, не видно. Так же не заметно и избыточное содержание углекислого газа, который опасен тем, что его избыток нарушает круговорот углерода в природе.
2.4. Анализ способов снижения неблагоприятного воздействия диффузионных процессов на экологическую обстановку в г. Челябинске
Обострение неблагоприятной экологической ситуации в городе и дисбаланс экологического равновесия являются результатом изменений условий проживания людей, увеличения мощности и длительности воздействия антропогенных факторов. Кроме того, одним из оказывающих отрицательное влияние факторов является несовершенство экологического законодательства. В ноябре 2010 года была принята Концепция экологической безопасности города, которая регулирует мероприятия по улучшению экологической обстановки до 2020 года.
Концепция включает в себя основные действия, призванные:
- совершенствовать систему обращения с отходами;
- развивать энергосбережение, а также повышать энергетическую эффективность и улучшить экологическую обстановку в городе;
-увеличивать площадь зелёных насаждений;
- реконструировать очистные сооружения;
- формировать экологическую культуру населения.
В программу включены самые основные мероприятия, позволяющие в короткие сроки значительно улучшить экологическую ситуацию города.
Своей исследовательской работой мы тоже хотим привлечь внимание населения к экологической ситуации в г. Челябинска. С этой целью провели социологический опрос, который позволит нам выяснить, насколько жители нашего города соблюдают экологическую культуру. Социологический опрос (стр18). Приложение 2), график №2 и результат социологического опроса представлены в (стр. 19). Приложении 2).
На основании проведённого исследования нами были разработаны рекомендации, по защите окружающей среды г. Челябинска:
Раздельный сбор мусора и выбрасывание его в специально отведенные места.
Своевременное освобождение города от мусора-проведение «субботника».
Переработка отходов.
Эксплуатация автомобилей с высоким экологическим классом.
Не сжигать ни в городе, ни за городом растительные отходы.
Ввести контроль за рациональным применением в сельском хозяйстве удобрений и ядохимикатов.
Заключение.
Работая над проектом, удалось выяснить особенности протекания диффузионных процессов, узнали, что диффузия играет огромную роль в жизни человека и животных, без этого явления жизнь на Земле была бы невозможна. Проведённые опыты и наблюдения, помогли нам узнать, что диффузия — временной процесс. Продолжительность диффузии зависит от температуры и агрегатного состояния вещества: чем выше температура, тем быстрее протекает процесс диффузии. Изучая явление диффузии, ее роль в экологическом равновесии природы и факторы, влияющие на ее протекание в природе, мы пришли к выводу, что люди в результате своей деятельности часто оказывают негативное влияние на естественные процессы в природе, это проявляется в загрязнении окружающей среды.
Список литература.
http://fb.ru
http://www.uralgeo.net
Алексеев С.В., Груздева М.В., Муравьёв А.Г., Гущина Э.В. Практикум по экологии. М. АО МДС, 2015г.
Шаталов. В.Ф. Физика на всю жизнь. М.-Спб, 2003
Большая книга экспериментов для школьников «Росмен-Пресс»
Рыженков А.П. Физика. Человек. Окружающая среда. М. Просвещение, 1996.
Громов С.В.: Физика 7 класс. –М. Просвещение, 2002.
Приложение 1.
Опыт 1
Влияние температуры на протекание диффузии в жидкостях.
Опыт 2.
Скорость испарения в воде с различными примесями.
(Вода чистая и вода с раст. маслом.)
(Вода чистая и вода с нефтью)
Опыт 3.
Попадание вредных веществ из воздуха в почву.
Опыт 4.
Способность семян поглощать из почвы вредные вещества и накапливать их в своих тканях.
Опыт 5.
Процесс диффузии вредных примесей в атмосфере.
Приложение 2.
Таблица 1.
|
Время |
Температура чистой воды, Со |
Температура воды с подсолнечным маслом, Со |
Температура воды с нефтью, Со |
|
14.00-14.03 |
40 |
40 |
40 |
|
14.03-14.06 |
39 |
39 |
39 |
|
14.06-14.09 |
37 |
39 |
38 |
|
14.09-14.12 |
34 |
36 |
36 |
|
14.12-14.15 |
31 |
34 |
33 |
График 1.
Социологический опрос.
Знаете ли вы, что такое диффузия?
Знаете ли вы, какую роль играет процесс диффузии в жизни человека, животных и растений?
Знаете ли вы о проблемах загрязнения воздуха, воды и почвы в г. Челябинске?
Влияет ли диффузный процесс на распространение загрязнителей в окружающей среде?
Согласны ли вы с тем, что фильтры установленные на предприятиях г. Челябинска снижают уровень загрязнения?
Согласны ли вы, что загрязнение окружающей среды приводит к серьезным заболеваниям в организме человека?
Хотели бы вы учувствовать в улучшении экологии г. Челябинска по предложенному плану?
Готовы ли вы информировать людей об экологических проблемах г. Челябинска?
Варианты ответа: да; нет; затрудняюсь ответить.
График 2.
Опрос проводился анонимно. В опросе учувствовало 34 человека. Результат социологического опроса показал, что: 85% людей знают, что такое диффузия, 68% знают какую роль она играет в природе, 94% знают о проблеме загрязнения воздуха в Челябинске, 71% считают, что диффузный процесс влияет на загрязнение воздуха, 59% согласны, что фильтры на предприятиях снижают загрязнение воздуха, 94% убеждены, что к заболеваниям организма приводит загрязнённая окружающая среда, 71% хотят учувствовать в улучшении экологии Челябинска и 53% готовы информировать людей. Исходя из опроса мы делаем вывод, что большинство людей проживающих в Челябинске знают о экологических проблемах города и хотят улучшать экологию и информировать об этом других людей. Поэтому мы будем надеяться, что с годами воздух, почва и вода в нашем городе будет чище.