Исследовательская работа по физике на тему "Диффузия в жизни человека. Процесс диффузии в жидкостях"

Объект исследования: диффузия в жизни человека.

Предмет исследования: процесс диффузии в жидкостях.

Цель исследования: рассмотреть роль диффузии в природе и жизнедеятельности человека, доказать общую значимость этого явления.

Задачи исследования: выяснить, как отличается время протекания диффузии в жидкостях с разными температурами, при смешивании разных жидкостях и как виду себя газы в жидкостях. Провести дальнейший анализ результатов.

Методы исследования: изучение, обобщение, практика, анализ.

Введение

Строение материи - одна из главных проблем науки, а основой современной физики является атомно-молекулярное учение. В настоящее время доказательства положений молекулярно-кинетической теории настолько многочисленны и убедительны, что существование молекул признано как установленный факт.

Из большого числа научных положений и опытных фактов, относящихся к молекулярно-кинетической теории, наибольший интерес у меня вызвало явление диффузии с которым ныс познакомили в 7 классе на уроках физики.

Каждое утро, выпивая кружку чая, мы не догадываемся, что наблюдаем явление диффузии. Но далеко не все размышляли над вопросом что такое диффузия и какова ее роль в жизни человека. Роль, которую играет диффузия в окружающем нас мире трудно переоценить. Она встречается повсюду.

Актуальность работы состоит в том, что изучение влияния диффузии на жизнедеятельность растений, животных и человека расширит спектр наших знаний о живой природе, продемонстрирует тесную связь физики, биологии, экологии, медицины.

Объект исследования: явление диффузии.

Предмет исследования: влияние явления диффузии на процессы, протекающие в природе, и связанные с жизнедеятельностью человека.

Цель: рассмотреть роль диффузии в природе и жизнедеятельности человека, доказать общую значимость этого явления.

Диффузия и ее закономерности

Диффузия - процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, приводящий к самопроизвольному равномерному перемешиванию веществ по всему объему

Первое систематическое экспериментальное исследование диффузии было выполнено Томасом Грэмом (рис. 1). Он изучал диффузию в газах, и это явление (Закон Грэма) было описано им в 1831–1833 гг. Первое количественное описание процессов диффузии было дано немецким физиологом А. Фиком (рис. 2) в 1855 году.

Ученые Томас Грэм (слева) и Адольф Фик

Диффузия объясняется так. Сначала между двумя телами четко видна граница раздела двух сред. Затем, вследствие своего движения, отдельные частицы веществ, находящихся около границы, обмениваются местами. Граница между веществами расплывается. Проникнув между частицами другого вещества, частицы первого начинают обмениваться местами с частицами второго, находящимися во все более глубоких слоях.

Граница раздела веществ становится еще более расплывчатой. Благодаря непрерывному и беспорядочному движению частиц этот процесс приводит в конце концов к тому, что раствор в сосуде становится однородным. Явление диффузии мы наблюдаем каждый день: наливаем ли заварку чая в кипяток, приготавливаем ли красящий раствор. И даже когда сгорает что-то на плите, а запах чувствуется по всему дому, мы вновь сталкиваемся с явлением диффузии.

Так как частицы движутся и в газах, и в жидкостях, и в твердых телах, то во всех этих веществах возможна диффузия. Однако скорость протекания данного явления для них различна. Распространение запаха объясняется движением молекул. Промежутки между частицами в воздухе довольно большие, частицы двигаются хаотично, поэтому диффузия газообразных веществ происходит достаточно быстро.

Влияние диффузии на жизнедеятельность живых организмов

Положительное влияние:

Большую роль диффузионные процессы играют в снабжении кислородом природных водоемов и аквариумов. Кислород попадает в более глубокие слои воды за счет диффузии через их свободную поверхность. Именно по этой причине нельзя перекрывать ее. Так, например, листья, покрывающие эту самую поверхность, могут совсем перекрыть доступ кислорода к воде и привести к гибели ее обитателей.

Так же диффузия играет не менее важную роль в растительном мире. Например, большое развитие листовой кроны деревьев объясняется так: диффузионный обмен сквозь поверхность листьев выполняет не только функцию дыхания, но частично и питания. Сейчас довольно широко практикуется внекорневая подкормка плодовых деревьев путем опрыскивания их кроны. Благодаря диффузии растение получает минеральные вещества и воду из почвы.

Также этот процесс показывает один из механизмов второго закона термодинамики, который объясняет стремление всего живого в более устойчивое состояние. Этот процесс сыграл важную работу в возникновении и дальнейшем развитии планеты. Естественно, без данного явления не было бы и животного мира. Диффузия влияет не только на физиологические процессы. Акулы, например, чувствуют запах крови на расстоянии нескольких километров. Бабочки всегда находят дорогу к красивому цветку, а пчелы, обнаружив сладкий объект, штурмуют его своим роем.

Стоит ли говорить, что диффузия играет огромную роль в поглощении неорганических веществ из воздуха и почвы растениями, которые участвуют в фотосинтезе для образования органических веществ. А из этого следует, что диффузия лежит в основе обмена веществ между растениями и окружающей средой.

Отрицательное влияние:

К сожалению, развитие человеческой цивилизации оказывает негативное влияние на природу и процессы, которые протекают в ней. Диффузия играет большую роль в загрязнении водоемов. Загрязнение рек, морей и океанов приводит к тому, что в них исчезает жизнь. Температура воды повышается и при этом снижается содержание кислорода, что плохо сказывается на водных организмах.

Вследствие явления диффузии воздух загрязняется отходами разных фабрик, выхлопными газами, и из-за этого вредные отходы жизнедеятельности человека проникают в почву, воду, а затем оказывают вредное влияние на жизнь животных и растений.

Влияние диффузии на жизнь человека

На диффузии основаны многие процессы, которые происходят в организме человека. Одним из процессов является дыхание. Защита организма с помощью лекарств тоже является диффузией. Она широко используется во многих сферах деятельности человека. На этом явлении основана диффузионная сварка металлов.

Пример диффузионной сварки: прижать друг к другу золотой диск и свинцовый цилиндр, а после поместить их на 10 дней в печь, где поддерживалась температура 200°С. После того как печь откроют, разъединить диск и цилиндр будет невозможно. За счет диффузии свинец и золото приросли друг к другу. Сегодня такая технология соединения деталей носит название диффузионной сварки. Впервые такая сварка была сделана Робертс-Аустеном.

Уильям Робертс-Остен (1843-1902) английский металлург

Таким образом, мы видим, что скорость протекания этого процесса также зависит не только от агрегатного состояния вещества, его плотности, но и от температуры. Протекание диффузии от температуры обусловлено увеличением скорости движения молекул. Человек теперь может использовать свойства диффузии даже в целях обеспечения собственной безопасности.

Природный газ, который мы используем дома, не имеет запаха. При утечке заметить его невозможно, поэтому на распределительных станциях газ смешивают с особым веществом, обладающим резким, неприятным запахом, который легко ощущается человеком.

Экспериментальная часть

Опыт 1.

В один стакан я положил пакетик с чаем. В первом случае стакан (рисунок 4, 5, 6) наполнен теплой водой, имеющую температуру меньше 30 градусов.

Стакан с теплой водой

Во втором (рисунок 7, 8, 9) - горячей, температура которой 90 градусов. Наблюдения фиксировал с помощью камеры телефона с интервалом 10 минут, в течение 30 мин.

Стакан с горячей водой

Опыт 2.

Сначала в стакан я налил газировку "Кока-кола зеро" после чего налил туда молока.

Кока-кола с молоком

Опыт 3.

Я сжал пластиковую бутылку с "Кока колой" после чего закрыл ее и потряс.

Бутылка с колой после тряски

Вывод экспериментальной части

Опыт 1. Я увидели на экспериментальном опыте что скорость протекания диффузии зависит от температуры: чем выше температура вещества, тем быстрее происходит диффузия.

Опыт 2. Я увидел, что жидкости смешиваются, еще и пенка образовалась. Но на этом опыте что-то пошло нет так потому что жидкость должна была стать более прозрачной, а на дне должен был образоваться осадок, но наверно это связана с малым количеством жидкости.

Опыт 3. После того как я потряс бутылку она стала в свою первоначальную форму и стала еще более плотной, это связано с тем, что в бутылке образовалось много газов от напитка, и оно заполнило пространство в ней.

Заключение

Я увидел, как велико значение диффузии, а существование всех живых организмов было бы просто невозможно, если бы в природе не существовало этого явления. Природа широко использует возможности, заложенные в процессе диффузионного проникновения, оно играет важнейшую роль в поглощении и передвижении питательных веществ и насыщении организма растения кислородом.

Такое же значение диффузия имеет и для животных и человека. Таким образом, диффузия играет очень большую роль в процессах жизнедеятельности человека, животных и растений. Но, к сожалению, люди в результате своей деятельности часто оказывают негативное влияние на естественные процессы в природе.

Изучая диффузию, ее роль и факторы, влияющие на ее протекание в природе, я пришел к выводу, что надо сильнее привлекать внимание общественности к важности изучения процессов, происходящих в окружающей среде.