Мини-проект по физике "Диффузия вокруг нас"

Муниципальное   общеобразовательное учреждение
                    Мало-Андосовская основная школа

Проект по физике


 « Диффузия вокруг нас.»

                                 Выполнила:
                                                           ученица 7 класса
                                                     Варакина Ангелина                                                                                                                             Руководитель:

                                                                             Шушкина Е.К.

                                                                                

Малое Андосово
2017   

Содержание

I. Введение  

1.1.Определение диффузии

1.2.Ученые-исследователи явления диффузии
II.  Значение диффузии

2.1.Роль диффузия в природе.                                                                

2.2. Применение диффузии в медицине. Аппарат «искусственная почка»

2.3. Применение диффузии в технике и в повседневной жизни.
III. Практическая часть.

IV. Заключение

V.   Список использованной литературы
                                              

  Введение.

В нашей повседневной жизни мы иногда не замечаем некоторых физических явлений. Например, кто-то открыл флакон с духами, и мы, даже находясь на большом расстоянии, почувствуем этот запах. Подходя к дому, мы можем ощутить запах пищи, приготовленной дома. Мы опускаем в стакан с горячей водой пакетик   для приготовления чая, ложку с сахаром, и даже не замечаем, как заварка окрашивает всю воду в чашке и чай становится сладким.
  В  моей работе   речь пойдет об интересном  явлении природы - диффузия.

Диффузия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) — явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого.

Цель работы:  изучение  процесса диффузии.

Задачи работы:
 Рассказать о том, где можем наблюдать диффузию

 Описать полезные и вредные  свойства диффузии
Описать значение  этого процесса в нашей жизни
 
Практическая значимость работы.
 Практическая значимость моего проекта  заключается в том, что полученные результаты помогут в изучении данной темы в школе, привлечет большее внимание школьников к этому физическому явле

 Ученые-исследователи явления диффузии.

В 1827 Броун проводил исследования пыльцы растений. Он, в частности, интересовался, как пыльца участвует в процессе оплодотворения. Как-то он разглядывал под микроскопом выделенные из клеток пыльцы североамериканского растения Clarkia pulchella (кларкии хорошенькой) взвешенные в воде удлиненные цитоплазматические зерна. Неожиданно Броун увидел, что мельчайшие твердые крупинки, которые едва можно было разглядеть в капле воды, непрерывно дрожат и передвигаются с места на место. Он установил, что эти движения, по его словам, «не связаны ни с потоками в жидкости, ни с ее постепенным испарением, а присущи самим частичкам».

Наблюдение Броуна подтвердили другие ученые. Мельчайшие частички вели себя, как живые, причем «танец» частиц ускорялся с повышением температуры и с уменьшением размера частиц и явно замедлялся при замене воды более вязкой средой. Это удивительное явление никогда не прекращалось: его можно было наблюдать сколь угодно долго. Поначалу Броун подумал даже, что в поле микроскопа действительно попали живые существа, тем более что пыльца – это мужские половые клетки растений, однако так же вели частички из мертвых растений, даже из засушенных за сто лет до этого в гербариях. Тогда Броун подумал, не есть ли это «элементарные молекулы живых существ», о которых говорил знаменитый французский естествоиспытатель Жорж Бюффон (1707–1788), автор 36-томной Естественной истории. Это предположение отпало, когда Броун начал исследовать явно неживые объекты; сначала это были очень мелкие частички угля, а также сажи и пыли лондонского воздуха, затем тонко растертые неорганические вещества: стекло, множество различных минералов. «Активные молекулы» оказались повсюду: «В каждом минерале, – писал Броун, – который мне удавалось измельчить в пыль до такой степени, чтобы она могла в течение какого-то времени быть взвешенной в воде, я находил, в больших или меньших количествах, эти молекулы».

Надо сказать, что у Броуна не было каких-то новейших микроскопов. В своей статье он специально подчеркивает, что у него были обычные двояковыпуклые линзы, которыми он пользовался в течение нескольких лет.  

Ж.Нолле (1748)- Открытие диффузии жидкости сквозь перегородку.
   

Й.Стефан (1871)- Теория диффузии газов

Дж. Максвелл (1866)- Теория переноса в общем виде (диффузия, теплопроводность, внутреннее трение)

К.Нейман (1872)- Предсказание термодиффузии

Б.Феддерсен (1873)-  Открытие термодиффузии.   
    Как мы знаем, молекулы любого вещества находятся на некотором расстоянии друг от друга и беспрерывно хаотично движутся. Именно поэтому отдельные молекулы ,например аммиака , хаотично перемещаясь, проникают в промежутки между молекулами воздуха, сталкиваются с ними и, таким образом, перемещаются все дальше и дальше от источника, т.е. от открытой пробирки с аммиаком. Это движение носит непрерывный и беспорядочный характер. Сталкиваясь с молекулами газов, входящих в состав воздуха, молекулы аммиака много раз меняют направление своего движения и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по всей комнате. Это и есть явление диффузии. 

Диффузия в газах и жидкостях происходит легче и быстрее, чем диффузия в твердых телах, так как молекулы в газах и жидкостях, соответственно, движутся свободнее, и расстояние между ними больше, чем в твердом теле. 

Движения частиц при диффузии совершенно случайны, все направления смещения равновероятны.
Так как частицы движутся и в газах, и в жидкостях, и в твердых телах, то в этих веществах возможна диффузия. Диффузия – перенос вещества, обусловленный самопроизвольным выравниванием неоднородной концентрации атомов или молекул разного вида. Если в сосуд впустить порции различных газов, то через некоторое время все газы равномерно перемешиваются: число молекул каждого вида в единице объёма сосуда станет постоянным, концентрация выравнивается.

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 раствор в сосуде становится однородным (рис.1в).

а                                                 б                                                             в
Рис.1. Объяснение явления диффузии.

Скорость диффузии растет с увеличением температуры.
 Обратимся к опыту. 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. Скорость диффузии увеличивается с ростом температуры, так как молекулы взаимодействующих тел начинают двигаться быстрее.

Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях и медленнее всего в твёрдых телах. Дело в том, что в газах и жидкостях основной вид теплового движения частиц приводит к их перемешиванию, а в твердых телах, в кристаллах, где атомы совершают малые колебания около положения узла решётки, нет.

Роль диффузии в природе.

Явление диффузии играет большую роль в природе. Так, например, благодаря диффузии поддерживается однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли. Деревья выделяют кислород и поглощают углекислый газ с помощью диффузии. Корни растений захватывают необходимые для растения вещества из почвенных вод благодаря диффузионному потоку внутрь корней. На явлении диффузии основаны многие физиологические процессы, происходящие в организме человека: такие как дыхание, всасывание питательных веществ в кишечнике и др.  
С помощью диффузии происходит распространение различных газообразных веществ в воздухе: например, дым  костра распространяется на большие расстояния.  
Результатом этого явления может быть выравнивание температуры в помещении при проветривании. Таким же образом происходит загрязнение воздуха вредными продуктами промышленного производства и выхлопными газами автомобилей. Природный горючий газ, которым мы пользуемся дома, не имеет ни цвета, ни запаха. При утечке заметить его невозможно, поэтому на распределительных станциях газ смешивают с особым веществом, обладающим резким, неприятным запахом, который легко ощущается человеком.

Благодаря явлению диффузии  нижний слой атмосферы – тропосфера – состоит из смеси газов: азота, кислорода, углекислого газа и паров воды. При отсутствии диффузии произошло бы расслоение под действием силы тяжести: внизу оказался бы слой тяжёлого углекислого газа, над ним – кислород, выше – азот  инертные газы. 

В небе мы тоже наблюдаем это явление. Рассеивающиеся облака – тоже пример диффузии и как точно об этом сказано  у Ф.Тютчева: «В небе тают облака…»

    В  жидкостях диффузия протекает помедленнее, чем в газах, но этот процесс можно ускорить, с помощью нагревания. Например, чтобы быстрее засолить огурцы, их заливают горячим рассолом. Мы знаем, что в холодном чае сахар растворится медленнее, чем в горячем.

Летом, наблюдая за муравьями, мы всегда задумывались над тем, как они в огромном для них мире, узнают дорогу домой. Оказывается, и эту  загадку открывает явление диффузии.  Муравьи помечают свой путь капельками пахучей жидкости.

Благодаря диффузии, насекомые находят себе пищу. Бабочки, порхая меж растений, всегда находят дорогу к красивому цветку. Пчелы, обнаружив  сладкий объект, штурмуют его своим роем.

А растение растет, цветет для них тоже благодаря диффузии. Ведь мы говорим, что растение дышит и выдыхает воздух, пьет воду, получает из почвы различные микродобавки.                                                           

 Плотоядные животные находят своих жертв тоже благодаря диффузии.  Акулы чувствуют запах крови на расстоянии нескольких километров, также как и рыбы пираньи.

       Экология окружающей среды ухудшается за счёт выбросов в атмосферу, в воду химических и прочих вредных веществ, и это всё распространяется и загрязняет огромные территории. А вот деревья выделяют кислород и поглощают углекислый газ с помощью диффузии.
        На принципе диффузии основано перемешивание пресной воды с соленой при впадении рек в моря. Диффузия растворов различных солей в почве способствует нормальному питанию растений.

Во всех приведенных примерах мы наблюдаем взаимное проникновение молекул веществ, т.е. диффузию. На этом процессе основаны многие физиологические процессы в организме человека и животных: такие как дыхание, всасывание и др. В общем, диффузия имеет большое значение в природе, но это явление также вредно в отношении загрязнения окружающей среды.

Применение диффузии в медицине. Аппарат «искусственная почка»

Боле 30 лет назад немецкий врач Вильям Кольф применил аппарат «искусственная почка». С тех пор он применяется: для неотложной хронической помощи при острой интоксикации; для подготовки больных с хронической почечной недостаточностью к трансплантации почек; для длительного (10-15 лет) жизнеобеспечения больных с хроническим заболеванием почек.
Искусственная почка — это аппарат, предназначенный для выведения из крови человека токсинов, скапливающихся в почках при их тяжелом поражении — обычно это хроническая и острая формы недостаточности почек.

Работа аппарата основывается на принципах диализа — это выведение низкомолекулярных веществ из коллоидных растворов благодаря диффузии и разнице между осмотическим давлением с двух сторон целлофановой полупроницаемой мембраны.

Гемодиализ — это наиболее популярный метод проведения лечения запущенных форм недостаточности почек. Такая процедура позволяет человеку продолжать вести активный образ жизни, несмотря на неполноценную работу почек.

Применение диффузии в технике. Применение в повседневной жизни. 
  Явления диффузии широко используются в технике. Например, при извлечении сахара из свеклы последнюю мелко нарезают и помещают в специальные металлические сосуды ( диффузоры), через которые проходит ток горячей воды. Находящийся в свекле сахар диффундирует при этом в протекающую воду. Из полученного раствора выделяют кристаллический сахар. 
    
  Явление диффузии можно наблюдать  дома достаточно часто: когда пользуемся  спреями для тела или для ног, духами, распыляем средства для уничтожения  в помещении комаров и мух, когда что-то склеиваем или когда пьем чай или кофе. В  кружке чай с сахаром и кусочком лимона. Мы перемешиваем  ложечкой горячую воду - это ускоряет процесс проникновения молекул сахара и лимона между молекулами воды. Также  засолка, маринование, компоты – это все тоже благодаря диффузии.
Горючий природный газ, используемый в быту для приготовления пищи, не имеет ни цвета, ни запаха.
Чтобы сделать поступление газа в помещение заметным, горючий газ предварительно смешивают с резко пахнущими веществами.
Это позволяет быстро заметить наличие  утечки газа  в помещении.

  Не всегда диффузия благо для человека. К сожалению, необходимо отметить и вредные проявления этого явления. Дымовые трубы предприятий выбрасывают в атмосферу углекислый газ, оксиды азота и серы. В настоящее время общее количество эмиссии 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. Для предупреждения загрязнения водоемов необходимо следить за тем, чтобы вблизи берегов не выбрасывался мусор, пищевые отходы, навоз, различного рода химикаты.
Мы видим, как велико значение диффузии в неживой природе, 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.

                     Практическая часть. Проведенные опыты

Опыт № 1 Наблюдение явления диффузии в жидкости.

 Цель: наблюдение диффузии в жидкости, влияние температуры на протекание диффузии.
 Приборы и материалы: стакан с холодной водой, раствор краски,  тарелка с горячей водой, пипетка.
Описание опыта и полученные результаты:
 а) в стакан с водой капнула краску  и пронаблюдала, как происходит процесс диффузии;
  б) провела этот же опыт, поставив стакан с водой в тарелку с горячей водой, процесс произошел гораздо быстрее, чем в первом случае
 

        Вывод:  проведя опыт, я обнаружила, что диффузия наблюдается в жидкостях и с увеличением температуры скорость данного процесса увеличивается.

Опыт № 2 Наблюдение явления диффузии в газах.

Цель: наблюдение диффузии в газах.
Приборы и материалы: флакон духов с пульверизатором, воздух.
Описание опыта и полученные результаты:
а) разбрызгала духи;
б) распространения запаха по всей комнате.
 
  Вывод: проведя опыт, я обнаружила, что диффузия наблюдается в газах.

Опыт № 3 Наблюдение явления диффузии в твердых телах.

Цель: наблюдение диффузии в твердых телах.
Приборы и материалы: картофель, раствор краски, пипетка.
Описание опыта и полученные результаты:
а) разрезала картофелину, капнула краской  на одну половинку картофелины б) наблюдала, как пятно расплывается по поверхности
                                
Вывод: в ходе данного опыта   пронаблюдала диффузию в твердых телах, заметила, что этот процесс протекает в твердых телах намного медленнее, чем в газах и жидкостях.

                                          Заключение.
Диффузия – это временный процесс. Продолжительность диффузии зависит от рода вещества. И от температуры: чем выше температура, тем быстрее протекает диффузия. Диффузия протекает во всех трех агрегатных состояниях вещества. В газах диффузия протекает быстрее, чем в жидкостях, а в жидкостях быстрее, чем в твердых телах.

Мы в своей работе исследовали диффузию в жидкостях и газах. Не рассмотрели лишь диффузию в твердом теле, т.к. для диффузии в твердом теле потребуется много времени.

 В ходе данной   работы можно сделать вывод о том, что диффузия играет   огромную роль в растительном мире, в пищеварении и дыхании человека. Это явление имеет широкое применение в медицине, в технике, в быту. Например в домашних процессах при засолке овощей, стирке вещей (линька), распространение различных ароматов из кухни.

Но, не всегда диффузия благо для человека. Дымовые трубы предприятий выбрасывают в атмосферу углекислый газ, оксиды азота и серы. 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. Приходится бороться с отрицательным проявлением этого явления, но положительных факторов намного больше и поэтому мы говорим об огромном значении диффузии.

Изучая диффузию, мы пришли к выводу, что она присутствует во всех сферах жизнедеятельности человека, без этого явления жизнь на Земле была бы невозможна.

Список использованных источников информации.                     

1. Перышкин А.В. Физика. 7 кл. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2017.
 2.Кошкин И.И, Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. - М.: Наука, 1980.
3. Яворский Б.М, Детлаф А.А Справочник по физике. - М.: Наука, 1985.
4.  Википедия (Свободная энциклопедия)

5.Интернет – ресурсы