Опыты с водой диффузия

Физические эксперименты. Скорость диффузии в жидкости

Опыты по диффузии

Опыт описан в учебнике А.В.Перышкин «Физика 7 кл».: учебник для общеобразовательных учреждений/ А. В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2012.

Диффузия – явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого (определение из учебника).

Цель – установить от чего зависит скорость диффузии в жидкости.

Диффузия объясняется непрерывным движением молекул вещества, скорость движения зависит от температуры. Поэтому гипотеза– скорость протекания диффузии в жидкости зависит от температуры.

Оборудование: стакан с холодной и горячей водой, марганцовка, лопатка.

Техника безопасности: осторожно обращаться с горячей водой и стеклянной посудой.

Описание хода проведения и результатов опыта.

1. Взять два стакана с холодной и горячей водой.
2. С помощью лопатки насыпать марганцовку и пронаблюдать явление.

Наблюдая явление диффузии в стакане с холодной и горячей воды увидела, что процесс диффузии протекает быстрее в горячей воде, чем в холодной. Гипотеза подтвердилась.

Обзор применения рассматриваемого явления на практике: зависимость скорости протекания диффузии от температуры используется во многих технологических процессах: заваривание чая или кофе, засолка, варка варенья, окрашивание тканей, стирка вещей.

На явлении диффузии основан процесс металлизации – покрытия поверхности изделия слоем металла или сплава для сообщения ей физических, химических и механических свойств. Применяется для защиты изделий от коррозии, износа, в декоративных целях. Так, для повышения твердости и жаростойкости стальных деталей применяют цементацию. 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. Также она используется при выплавке многих металлов, например, стали.

Обзор наблюдений рассматриваемого явления в природе: питание растений, насыщение воды кислородом, однородный состав атмосферы, физиологические процессы в организме человека (дыхание и пищеварение).

Наличие интересных фактов о рассматриваемом явлении:

• Первое количественное описание процессов диффузии было дано немецким физиологом А. Фиком в 1855 году.
• В 1638 г. посол Василий Старков привёз в подарок царю Михаилу Фёдоровичу от монгольского Алтын– хана 4 пуда сушёных листьев. Это растение очень понравилось москвичам, и они его с удовольствием до сих пор употребляют. Это был чай, процесс заваривания – диффузия.
• Диффузия встречается не только в жизни, быту, но и в сказках, пословицах, поговорках.

– Старая ассирийская сказка «Царь Зимаар»: «Был у царя умный советник Аяз, которого он очень уважал. Как обычно бывает в таких случаях, у Аяза были враги, которые его оклеветали перед царем, и тот, послушав их, заключил его в тюрьму. Когда к Аязу пришла жена, он велел ей поймать большого муравья, привязать к его лапке крепкую нитку длиной сорок метров, к свободному концу её привязать верёвку такой же длину и пустить муравья по наружной стене тюрьмы в указанном месте. Как сказал Аяз, так жена и сделала. Сам же Аяз накрошил на окно камеры сахара и муравей по запаху сахара добрался до камеры, где сидел Аяз». Именно это явление спасло Аяза и помогло муравью найти камеру.

– Пословицы и поговорки, которые можно объяснить только благодаря знанию явления диффузии.

1. Ложка дёгтя в бочке мёда.
2. Нарезанный лук пахнет и жжёт глаза сильнее
3. Овощной лавке вывеска не нужна.

Опыты по силе трения

Опыт описан в учебнике А.В.Перышкин «Физика 7 кл».: учебник для общеобразовательных учреждений/ А. В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2012.

При соприкосновении одного тела с другим возникает взаимодействие, препятствующее их относительному движению, которое называется трением. А силу, характеризующую это взаимодействие, называют силой трения. (из учебника)

Существуют три вида трения: трение покоя, трение скольжения, трение качения.

В УМК Перышкина А.В. исследуется только зависимость силы трения от веса тела, мы добавили эксперименты, о которых говорится косвенно (зависимость от площади поверхности, от рода трущихся поверхностей).

Цель – выяснить, от чего зависит сила трения скольжения.

Оборудование: деревянный брусок, динамометр, набор грузов, наждачная бумага, направляющая рейка.

Выдвижение гипотезы. Сила трения зависит от площади соприкосновения поверхности, от веса тела, от рода соприкасающихся поверхностей.

Описание и соблюдение техники безопасности в ходе проведения экспериментального исследования: быть аккуратным с оорудованием.

Описание хода проведения и результатов опыта:

1. Положить деревянный брусок на направляющую рейку.
2. Прикрепить к бруску динамометр и тянуть его равномерно. Динамометр будет показывать силу тяги, равную силе трения. Записать результат.

1. Повернуть брусок на другую грань и измерить показания динамометра.

Вывод: сила трения скольжения не зависит от площади соприкосновения тел.

1. Измерить силу трения скольжения с одни грузом и двумя грузами.

Вывод: чем больше сила, прижимающая тело к поверхности (вес тела), тем больше возникающая при этом сила трения.

1. Измерить силу трения скольжения с одним грузом по наждачной бумаге.

F_тр = 0, 6 Н (по наждачной бумаге)

Вывод: сила трения зависит от рода соприкасающихся поверхностей (шероховатости поверхности)

Обзор применения рассматриваемого явления на практике: без трения покоя ни люди, ни животные не могли бы ходить по земле, так как при ходьбе происходит отталкивание ногами от земли. Во время гололедицы трение между подошвой обуви и землёй мало, отталкиваться от земли очень трудно и ноги скользят. Для увеличения силы трения между подошвой обуви и льдом, тротуары посыпают песком. Трение обеспечивает скрепление различных материалов, деталей инструментов, различных устройств, сооружений. За счет трения между нитями не расползаются ткани, удерживаются на рукоятках молотки, топоры, лопаты и другие инструменты. Болты с гайками, гвозди, шурупы, клинья, скрепляют части конструкций силой трения. Трение помогает человеку удерживать предметы в руках. Без трения смычка о струны была бы невозможна игра на скрипке или виолончели.

Обзор наблюдений рассматриваемого явления в природе: у многих растений и животных имеются различные органы, служащие для хватания (усики растений, хобот слона, цепкие хвосты лазающих животных). Все они имеют шероховатую поверхность для увеличения силы трения.

Среди живых организмов распространены приспособления (шерсть, щетина, чешуйки, шипы, расположенные наклонно к поверхности), благодаря которым трение получается малым при движении в одном направлении и большим – при движении в противоположном направлении. На этом принципе основано движение дождевого червя. Щетинки, направленные назад, свободно пропускают тело червя вперед, но тормозят обратное движение. При удлинении тела головная часть продвигается вперед, а хвостовая остается на месте, при сокращении головная часть задерживается, а хвостовая подтягивается к ней.

Значительное трение существенно для рабочих поверхностей органов движения. Необходимым условием перемещения является надежное сцепление между движущимся телом и опорой. Сцепление достигается либо заостреньями на конечностях, либо мелкими неровностями, например, щетинками, чешуйками, бугорками. Необходимо значительное трение и для хватательных органов. Интересна их форма: это либо щипцы, захватывающие предмет с двух сторон, либо тяжи, огибающие его. В руке сочетается действие щипцов и полный охват со всех сторон; мягкая кожа ладони хорошо сцепляется с шероховатостями предметов, которые надо удержать.

Наличие интересных фактов о рассматриваемом явлении:

• Леонардо да Винчи (1519 год) первый сформулировал законы трения. Он утверждал, что сила трения, возникающая при контакте тела с поверхностью другого тела, пропорциональна нагрузке (силе прижатия), направлена против направления движения и не зависит от площади контакта. Модель Леонардо была переоткрыта через 180 лет Г. Амонтоном и получила окончательную формулировку в работах Ш.О. Кулона (1781). Амонтон и Кулон ввели понятие коэффициента трения как отношения силы трения к нагрузке, придав ему значение физической константы, полностью определяющей силу трения для любой пары контактирующих материалов.
• Природа силы трения – электромагнитная. Это означает, что причиной её возникновения являются силы взаимодействия между частицами, из которых состоит вещество. Второй причиной возникновения силы трения является шероховатость поверхности. Выступающие части поверхностей задевают друг за друга и препятствуют движению тела. Именно поэтому для движения по гладким (полированным) поверхностям требуется прикладывать меньшую силу, чем для движения по шероховатым.
• Пословицы и поговорки: (собранные учениками).

1. Не подмажешь – не поедешь;
2. Пошло дело как по маслу;
3. Угря в руках не удержишь;
4. Коси коса пока роса;роса долой, и мы домой;
5. Баба с воза -кобыле легче;

• Самый низкий коэффициент трения для твёрдого тела (0,02) имеет тефлон. У каждого современного человека есть на кухне кастрюли и сковородки с антипригарным тефлоновым покрытием.

Опыты по теплопроводности

Опыт описан в учебнике А.В.Перышкин «Физика 8 кл».: учебник для общеобразовательных учреждений/ А. В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2012.

Теплопроводность – явление передачи внутренней энергии ото одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте. (из учебника)

Все металлы имеют разное строение, поэтому они должны передавать тепло по-разному.

Выдвижение гипотезы. Теплопроводность у разных металлов должна быть различной.

Цель – пронаблюдать теплопроводность металлов.

Оборудование: стержни алюминиевый и латунный, пластилин, иголки, свечка, спички, два штатива.

Описание и соблюдение техники безопасности в ходе проведения экспериментального исследования: соблюдать технику безопасности при работе с свечкой.

Описание хода проведения и результатов опыта:

1. Прикрепить с помощью пластилина иголки на стрежнях.
2. Закрепить стержни на штативе.
3. Зажечь свечку и нагревать стержни.
4. Пронаблюдать за иголками на стержне.

Наблюдения показали, что иголки от алюминиевого стержня стали отпадать быстрее, чем от латунного.

Вывод: теплопроводность у различных металлов неодинаковая.

Обзор применения рассматриваемого явления на практике: Часто во время тепловой обработки продукта необходимо поддерживать высокую температуру, поэтому на кухне используют металлы, так их теплопроводность и прочность выше, чем у других материалов. Для горячего чая, чтобы не обжечься, выбирая между металлической или фарфоровой чашки нужно выбрать фарфоровую.

Из металла делают кастрюли, сковородки, противни, и другую посуду. Хороший пример использования материалов с высокой теплопроводностью на кухне — плита. Например, конфорки электроплиты сделаны из металла, чтобы обеспечить хорошую передачу тепла от раскаленной спирали нагревательного элемента к кастрюле или сковородке.

Люди используют материалы с низкой теплопроводностью между руками и посудой, чтобы не обжечься. Ручки многих кастрюль сделаны из пластмасс, а противни вынимают из духовки прихватками из ткани или пластмассы с низкой теплопроводностью. Медь имеет хорошую теплопроводность и ее используют в паяльниках.

Обзор наблюдений рассматриваемого явления в природе:снег предохраняет озимые от вымерзания; воздух, лёд, снег, жир являются плохими проводниками тепла– это спасает жизнь многим животным, обитающим в лесах и водных средах (тетерев зимой спит, зарывшись головой в снег). Зимой водоёмы покрываются льдом, который препятствует дальнейшему их промерзанию, выживают многие представители водной фауны.

Наличие интересных фактов о рассматриваемом явлении:

• Жан Батист Жозеф Фурье ввел понятие «теплопроводность».
• Большие трудности строителям зданий доставляет просадка фундамента особенно в регионах с вечной мерзлотой. Дома часто дают трещины из-за подтаивания грунта под ними Фундамент передает почве какое-то количество теплоты. Поэтому здания начали строить на сваях. В этом случае тепло передается только теплопроводностью от фундамента свае и далее от сваи грунту. Из чего же надо делать сваи? Оказывается, сваи, выполненные из прочного твердого материала внутри должны быть заполнены керосином. Летом свая проводит тепло сверху вниз плохо, т.к. жидкость обладает низкой теплопроводностью. Зимой свая за счет конвекции жидкости внутри неё, наоборот, будет способствовать дополнительному охлаждению грунта.Такой проект реально разработан и испытан!
• Итальянские ученые изобрели рубашку, позволяющую поддерживать постоянную температуру тела. Ученые обещают, что летом в ней не будет жарко, а зимой – холодно, поскольку она сшита из специальных материалов. Подобные материалы уже используются при космических полетах.
• В старых пулеметах «Максим» нагревание воды предохраняло оружие от расплавления.
• Явление, о котором рассказано ниже демонстрирует свойство металлов хорошо проводить тепло.

Если изготовить сетку из проволоки, обеспечив хорошее соединение металла в местах перекрещивания проволоки, и поместить ее над газовой горелкой, то можно при включенном вентиле поджечь газ над сеткой, в то время как под сеткой он гореть не будет. А если зажечь газ под сеткой, то наверх через сетку огонь « не просочится»!

В те времена, когда еще не было электрических шахтерских лампочек, пользовались лампой Дэви.

Это была свеча, «посаженная» в металлическую клетку. И даже, если шахта наполнялась легковоспламеняющимися газами, лампа Дэви была безопасна и не вызывала взрыва – пламя не выходило за пределы лампы, благодаря металлической сетке.

Источник

Диффузия в жидкости: условия процесса, примеры. Опыты с жидкостями

Начнем с того, что жидкость является промежуточным агрегатным состоянием. При критической точке кипения она схожа с газами, а при низких температурах проявляются характеристики, аналогичные твердому телу. У жидкости нет идеальной модели, что существенно усложняет описание ее равновесных термодинамических свойств, температуры замерзания, вязкости, диффузии, теплопроводности, поверхностного натяжения, энтропии, энтальпии.

Определение

Что такое диффузия? Это растекание, распространение, передвижение частиц среды, которое приводит к переносу вещества, установлению равновесных концентраций. При отсутствии внешних воздействий данный процесс определяется тепловым движением частичек. В этом случае процесс диффузии связан с концентрацией прямо пропорциональной зависимостью. Диффузионный поток будет меняться аналогично градиенту концентраций.

Разновидности

Если диффузия в жидкости протекает при изменении температур, ее называют термодиффузией, в электрическом поле – электродиффузией.

Процесс движения частиц больших размеров в жидкости либо газе происходит под законам броуновского движения.

Особенности протекания

Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах протекает с разной скоростью. Из-за отличий в характере теплового движения частиц в различных средах, максимальную скорость процесс имеет в газах, а минимальный показатель — в твердых телах.

Траекторией движения частицы является ломаная линия, поскольку периодически меняется направление и скорость. Из-за неупорядоченности движения наблюдается постепенное удаление частицы от первоначального положения. Смещение ее по прямой линии значительно короче того пути, который совершается по ломаной траектории.

Закон Фика

Диффузия в жидкости подчиняется двум законам Фика:

• плотность диффузионного потока прямо пропорциональна концентрации с коэффициентом диффузии;
• скорость изменения плотности потока диффузии прямо пропорциональна скорости изменения концентрации и имеет обратное направление.

Диффузия в жидкости характеризуется скачками молекул из одного равновесного положения в другое. Каждый такой скачок наблюдается в случае сообщения энергии молекуле в объеме, достаточном для разрыва связи с другими частицами. Средняя величина скачка не превышает расстояния между молекулами.

Рассуждая над тем, что такое диффузия в жидкости, отметим, что процесс зависит от температуры. При ее повышении происходит «разрыхление» структуры жидкости, в результате чего наблюдается резкое увеличение количества перескоков за единицу времени.

Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах имеет некоторые отличительные характеристики. Например, в твердых телах механизм связан с перемещением атомов внутри кристаллической решетки.

Особенности явления

Диффузия в жидкости представляет практический интерес благодаря тому, что он сопровождается выравниванием концентрации вещества в изначально неоднородной среде. С участков, имеющих большую концентрацию, частиц уходит значительно больше.

Эксперименты

Опыты с жидкостями показали, что диффузия имеет особое значение в химической кинетике. Во время протекания химического процесса на поверхности реагирующих веществ или катализатора данный процесс способствует определению скорости отвода продуктов реакции и добавлению исходных реагентов.

Чем объясняется диффузия в жидкостях? Молекулы растворителя способны проникать через полупрозрачные мембраны, в результате чего возникает осмотическое давление. Это явление нашло применение в химических и физических методах разделения веществ.

Биологические системы

В этом случае модели диффузии можно рассматривать на примере поступления в легкие кислорода воздуха, всасывания из кишечника в кровь продуктов пищеварения, поглощения корневыми волосками минеральных элементов. Диффузия ионов происходит во время генерирования мышечными и нервными клетками биоэлектрических импульсов.

Физическим фактором, который влияет на избирательность накопления в клетках организма определенных элементов, является разная скорость проникновения ионов через мембраны клеток. Этот процесс можно выразить законом Фика, заменив величину коэффициента диффузии показателем проницаемости мембраны, а вместо градиента концентрации использовать разность значений с обеих сторон мембраны. При диффузионном проникновении воды и газов в клетку меняются осмотические показатели давления вне и внутри клетки.

Анализируя, от чего зависит диффузия, отметим, что выделяют несколько видов этого процесса. Простая форма связана со свободным переносом ионов и молекул в сторону градиента их электрохимического потенциала. Например, подобный вариант подходит для тех веществ, у которых молекулы имеют незначительные размеры, например, метиловый спирт, вода.

Ограниченный вариант предполагает слабый перенос вещества. Например, в клетку не способны проникать даже небольшие по размерам частицы.

Страницы истории

Диффузия была открыта во время расцвета древнегреческой культуры. Демокрит и Анаксогор были убеждены в том, что любое вещество состоит из атомов. Разнообразие веществ, распространенных в природе, они объясняли соединениями между собой отдельных атомов. Они допускали, что эти частицы могут смешиваться, образуя новые вещества. Среди основателей молекулярно-кинетической теории, которая объяснила механизм протекания диффузии, особую роль сыграл Михаил Ломоносов. Им было дано определение молекуле, атому, объяснен механизм растворения.

Эксперименты

Опыт с сахаром позволяет понять все особенности диффузии. Если в холодный чай положить кусок сахара, постепенно на дне чашки образуется густой сироп. Он виден невооруженным глазом. Через некоторое время сироп равномерно распределится по всему объему жидкости и перестанет быть виден. Данный процесс протекает самопроизвольно и не предполагает перемешивания компонентов раствора. Аналогично происходит распространение по всему объему комнаты аромата духов.

Приведенные опыты свидетельствуют о том, что диффузия является самопроизвольным процессом проникновения молекул одного вещества в другое. Распространение вещества происходит во все стороны, несмотря на наличие силы тяжести. Подобный процесс является прямым подтверждением постоянного движения молекул вещества.

Так, в приведенном выше примере, осуществляется диффузия молекул сахара и воды, которая сопровождается равномерным распределением молекул органического вещества по всему объему жидкости.

Эксперименты позволяют обнаруживать диффузию не только в жидкостях, но и в газообразных веществах. Например, можно установить на весах емкость с парами эфира. Постепенно чашки придут в равновесие, затем стакан с эфиром окажется тяжелее. В чем причина подобного явления?

С течением времени молекулы эфира смешиваются с частицами воздуха, и в комнате начинает ощущаться специфический запах. В курсе физики средней школы рассматривается эксперимент, в котором учитель растворяет крупинку марганцовки (перманганата калия) в воде. Сначала видна четкая траектория движения крупинки, но постепенно весь раствор приобретает равномерный оттенок. На основе проведенного эксперимента педагог объясняет особенности диффузии.

Чтобы выявить факторы, которые влияют на скорость протекания процесса в жидкостях, можно воспользоваться водой разной температуры. В горячей жидкости процесс взаимного перемешивания молекул наблюдается гораздо быстрее, следовательно, существуют прямая зависимость между значением температуры и скоростью протекания диффузии.

Заключение

Опыты, проводимые с газами, жидкостями и твердыми веществами, позволяют сформулировать законы физики, установить зависимость между отдельными величинами.

Именно в результате экспериментов был установлен механизм взаимного проникновения частиц одного вещества в другое, доказана хаотичность их движения. Опытным путем было выявлено, что быстрее всего происходит диффузия в газообразных веществах. Данный процесс имеет огромное значение для живой природы, используется в науке и технике.

Благодаря этому явлению поддерживается однородный состав земной атмосферы. В противном случае наблюдалось бы расслоение тропосферы на отдельные газообразные вещества, и тяжелый углекислый газ, непригодный для дыхания, находился бы ближе всего к поверхности нашей планеты. К чему бы это привело? Живая природа просто перестала бы существовать.

Велика роль диффузии и в растительном мире. Пышную крону деревьев можно объяснить диффузионным обменом через поверхность листьев. В результате осуществляется не только дыхание, но и питание дерева. В настоящее время в сельском хозяйстве применяется внекорневая подкормка кустарников и деревьев, предполагающая опрыскивание кроны специальными химическими составами.

Именно при диффузии растение из почвы получает питательные вещества. Физиологические процессы, протекающие в живых организмах, также связаны с данным явлением. Например, солевой баланс невозможен без диффузии. Огромное значение подобные процессы играют в снабжении озер и рек кислородом. Газ попадает в глубь водоема именно путем диффузии. Если бы такой процесс отсутствовал, жизнь внутри водоема перестала бы существовать.

Прием лекарственных препаратов, позволяющих человеку защищать себя от возбудителей разных заболеваний и улучшать самочувствие, также основывается на диффузии. Это явление применяется при сварке металлов, получении сахарного сока их свекловичной стружки, приготовлении кондитерских изделий. Сложно найти такую отрасль современной промышленности, где бы не применялась диффузия.

Источник