Dane INFORMACYJNE (do uzupełnienia) Nazwa szkoły: ZESPÓŁ SZKÓŁ CHEMICZNYCH ID grupy: 97/39_MF_G2 Opiekun: ANNA NOWAK Kompetencja: Matematyczno - fizyczna Temat projektowy: WODA Semestr/rok szkolny: 4 2011/2012

Woda w stanie ciekłym

Woda w stanie stałym

Woda w stanie gazowym

Woda: Definicja Woda- związek chemiczny o wzorze H2O, występujący w warunkach standardowych w stanie ciekłym. W stanie gazowym wodę określa się mianem pary wodnej, a w stałym stanie skupienia– lodem. Słowo woda jako nazwa związku chemicznego może się odnosić do każdego stanu skupienia. Woda jest bardzo dobrym rozpuszczalnikiem dla substancji polarnych. Większość występującej w przyrodzie wody jest "słona" (około 97,38%), tzn. zawiera dużo rozpuszczonych soli, głównie chlorku sodu. W naturalnej wodzie rozpuszczone są gazy atmosferyczne, z których w największym stężeniu znajduje się dwutlenek węgla. Woda naturalna w wielu przypadkach przed zastosowaniem musi zostać uzdatniona. Proces uzdatniania wody dotyczy zarówno wody pitnej jak i przemysłowej.

Znaczenie wody dla organizmów żywych Woda jest jednym z najważniejszych i najbardziej rozpowszechnionych związków chemicznych na kuli ziemskiej. Znajduje się w stałym obiegu w przyrodzie, stanowi jedną z geosfer (hydrosferę), zajmuje ponad 2/3 powierzchni Ziemi, woda znajduje się również w skałach skorupy ziemskiej (wody glebowe) oraz w postaci pary wodnej w atmosferze.  Jednak woda występująca w przyrodzie nie jest wodą czystą, ponieważ są w niej rozpuszczone nieznaczne ilości gazów i ciał stałych, na które składają się kationy wapnia, sodu, magnezu i potasu oraz aniony węglanowe, chlorkowe i siarczanowe. Spośród występujących w przyrodzie wyróżnia się następujące typy wody: 

Typy wody: • woda destylowana - woda chemicznie prawie czysta zawierająca minimalne ilości domieszek;  • twarda woda - zawiera rozpuszczone wodorowęglany oraz siarczany wapnia i magnezu;  • wody mineralne - wody te mają największe zastosowanie w lecznictwie i jako konsumpcyjne; • woda morska - zawiera średnio 3 - 4 % soli, do picia nadaje się jedynie po przedestylowaniu; • woda glebowa - jest ona bardzo ważna zarówno dla człowieka, jak i dla utrzymania równowagi w przyrodzie. 

Zawartość oraz znaczenie wody Zawartość wody w organizmach żywych waha się w bardzo szerokich granicach od 10 – 12 % w nasionach, do 99 % w ciałach jamochłonów czy glonów. Różnice te są uwarunkowane: trybem życia, środowiskiem życia, stopniem rozwoju ewolucyjnego, wiekiem i czynnikami zewnętrznymi. Niezależnie od tego woda jest niezbędna do życia wszystkich organizmów ponieważ:

• stanowi uniwersalny rozpuszczalnik; • jest nośnikiem i transporterem wielu substancji (np.pokarmowych, hormonów, gazów oddechowych); • jest substratem lub produktem wszystkich reakcji biochemicznych; • ze względu na dużą pojemność cieplną jest dobrym nośnikiem ciepła; • umożliwia zachodzenie wielu procesów biologicznych, np. zapłodnienia.

Tęcza zjawisko optyczne i meteorologiczne występujące w postaci charakterystycznego wielobarwnego łuku, widocznego, gdy Słońce oświetla krople wody w ziemskiej atmosferze. Tęcza powstaje w wyniku rozszczepieniaświatła załamującego się i odbijającego się wewnątrz kropli wody (np. deszczu) o kształcie zbliżonym do kulistego. Rozszczepienie światła jest wynikiem zjawiska dyspersji, powodującego różnice w kącie załamania światła o różnej długości fali przy przejściu z powietrza do wody i z wody do powietrza.

Wodna gospodarka organizmu jest to zespół procesów fizjologicznych i mechanizmów fizyko - chemicznych kontrolujących bilans wodny (ilość wody pobieranej i wydalanej przez organizm) oraz regulujących wykorzystanie wody dla utrzymania czynności narządów, tkanek i komórek. Utrzymuje ona w organizmie ilości wody konieczne w danych warunkach do najkorzystniejszego przebiegu przemiany materii i energii. Woda jest niezbędna do życia jako rozpuszczalnik wszelkiego rodzaju substancji w organizmie oraz środowisko procesów przemiany materii. Występuje w ustroju w postaci związanej ze strukturą komórki oraz jako woda wolna, swobodnie krążąca po organizmie w płynach ustrojowych pozakomórkowych.

Wodna gospodarka organizmu zwierzęcego Obejmuje ona pobieranie wody, jej wytwarzanie, transport, użytkowanie i wydalanie. Wodna gospodarka organizmu zwierzęcego zależy głównie od środowiska, w jakim organizm żyje. Zwierzęta lądowe są narażone na utratę wody. Muszą pobierać ją z otoczenia i chronić się przed jej utratą. U dorosłego człowieka woda stanowi około 60 % masy ciała i znajduje się zarówno w komórkach, jak i poza nimi.

Wodna gospodarka organizmów roślinnych Obejmuje ona pobieranie wody całą powierzchnią (u roślin niższych, zwłaszcza wodnych) lub przez włośniki (u roślin wyższych); rozprowadzanie jej w roślinie elementami naczyniowymi oraz wydalanie - u roślin lądowych przez liście w postaci pary wodnej lub rzadziej przez wypacanie w stanie płynnym; u roślin wodnych natomiast głównie przez całą powierzchnię. Jeżeli ilość wody pobranej jest mniejsza od ilości wody wydalonej (ujemny bilans wodny rośliny) roślina więdnie, a w końcu usycha. U roślin zielonych woda jest nie tylko nośnikiem substancji odżywczych w postaci związków chemicznych, lecz także substratem w reakcji fotosyntezy zachodzącej w świetle.

Właściwości fizyczne wody Temperatura topnienia pod ciśnieniem 1 atm0°C = 273,15 K Temperatura wrzenia pod ciśnieniem 1 atm100°C = 373,15 K Gęstość w temperaturze 4°C1 kg/l Temperatura krytyczna 374°C = 647,15 K Ciśnienie krytyczne 220,6 atm = 22,35 MPa

Woda w Układzie Słonecznym

Mars Planetą, z którą od zawsze wiązano największe nadzieje na znalezienie życia był i jest w dalszym ciągu Mars. Wiadomo, że na biegunach Marsa występują znaczne ilości wodnego lodu. Na biegunie południowym jest on często przykryty zmrożonym dwutlenkiem węgla (suchym lodem). Woda znajduje się również pod powierzchnią planety.  Dla przykładu, 2 lutego 2005 r. sonda Mars Express sfotografowała lodowe jezioro na Czerwonej Planecie. Zamarznięta woda jest uwięziona w niewielkim, nie posiadającym nazwy kraterze uderzeniowym, który znajduje się na równinie Vastatis Borealis na północnych szerokościach Marsa. Współrzędne krateru to 70,5° szerokości północnej i 103° długości wschodniej. Krater jest szeroki na 35 kmi głęboki na 2 km (licząc od krawędzi). Lodowe jezioro utrzymuje się przez cały rok, gdyż temperatury i ciśnienie nie pozwalają na jego wyparowanie do atmosfery. Jezioro nie może być zbudowane z zamrożonego dwutlenku węgla, albowiem o tej porze roku (późne marsjańskie lato) wyparował on już z okolicy.

Księżyce Jowisza:Europa Europa, drugi w kolejności księżyc z grupy odkrytych przez Galileusza, nosi przydomek planeta lodu. Ten najmniejszy z czterech wielkich księżyców Jowisza jest nieco mniejszy od naszego Księżyca. Księżyc Europa jest pokryty gładką warstwą lodu dobrze odbijającą światło. Wśród ciał Układu Słonecznego Europa ma największą zdolność odbijania promieni słonecznych. W niektórych miejscach powierzchnia Europy przypomina spękane pola lodowe w okolicach podbiegunowych na Ziemi. Spękania lodowej powierzchni świadczą o istnieniu na Europie aktywności geologicznej, która powoduje pękanie i przemieszczanie płyt lodowych. Na powierzchni udało się znaleźć tylko trzy kratery. Brak kraterów uderzeniowych również upewnia nas o młodym wieku powierzchni księżyca.

Tytan  Innym przykładem, tym razem śladowej obecności wody jest największy księżyc Saturna — Tytan. Jeszcze na długo przed słynnym już lądowaniem próbnika na powierzchni Tytana obserwatorium podczerwone ISO (Infrared Space Observatory) Europejskiej Agencji Kosmicznej dokonało detekcji stwierdzającej obecność molekuł H2O w atmosferze tego właśnie księżyca.

Prawo Pascala jeżeli na płyn (ciecz lub gaz) w zbiorniku zamkniętym wywierane jest ciśnienie zewnętrzne, to (pomijając ciśnienie hydrostatyczne) ciśnienie wewnątrz zbiornika jest wszędzie jednakowe i równe ciśnieniu zewnętrznemu. Prawo to zostało sformułowane w połowie XVII w. przez Blaise'a Pascala, jest prawdziwe wówczas, gdy można pominąć siły grawitacji i inne siły masowe oraz ciśnienia wywołane przepływem płynu. Prawo to wynika z tego, że cząsteczki płynu mogą poruszać się w dowolnym kierunku, wywieranie nacisku z jednej strony zmienia ruch cząstek we wszystkich kierunkach. Wersja uproszczona: Ciśnienie zewnętrzne wywierane na ciecz lub gaz znajdujące się w naczyniu zamkniętym rozchodzi się jednakowo we wszystkich kierunkach. W literaturze angielskiej za prawo Pascala uważa się prawo rozszerzone o wpływ grawitacji: Ciśnienie w płynie na tym samym poziomie jest jednakowe. Różnicę ciśnień między dwiema wysokościami opisuje wzór:

gdzie ρ (ro) to gęstość płynu, g - przyspieszenie ziemskie, a h1, h2 to wysokości. Intuicyjna interpretacja tej prawidłowości to: ciśnienie na danej głębokości wywołuje ciężar słupa płynu o jednostkowym przekroju, który jest nad danym punktem.

Powierzchnia falowa. Zjawiska falowe Falą nazywamy zaburzenie rozchodzące się w ośrodku. Z ruchem zaburzenia związany jest transport energii. Zaburzenie rozchodzi się w ośrodku z określoną prędkością. Różne fale związane są z różnymi zaburzeniami. Dla fal na wodzie zaburzenie to drgania cząsteczek wody i związane z tymi drganiami zmiany wychylenia (x) cząsteczek wody.

Fala, która rozchodzi się (propaguje) po powierzchni wody to fala kolista Fala, której cząsteczki powierzchni falowej tworzą okręgi, to fala kOlista. To jest fala, która rozchodzi się w przestrzeni dwuwymiarowej.

Fala stojąca Filmy pokazują zjawisko, które nazywamy falą stojącą. Jedna fala jest generowana w sznurku. Druga fala rozchodzi się w wodzie, która wypełnia basen w laboratorium

Fale stojące to przypadek interferencji (nakładania się) fal, które rozchodzą się w przeciwnych kierunkach. Wtedy w pewnych punktach (W) ośrodka nie ma drgań. Takie punkty to węzły (węzeł) fali stojącej. Inne punkty (S)ośrodka wykonują drgania o największej amplitudzie. Te punkty znajdują się w miejscach, które nazywamy strzałką (strzałka) fali stojącej. Układy, w których powstają fale stojące to rezonatory. Długość rezonatora jest równa całkowitej wielokrotności połowy długości fali 

Ciśnienie hydrostatyczne ciśnienie, wynikające z ciężaru cieczy znajdującej się w polu grawitacyjnym. Analogiczne ciśnienie w gazie określane jest mianem ciśnienia aerostatycznego. Ciśnienie hydrostatyczne nie zależy od wielkości i kształtu zbiornika, a zależy wyłącznie od głębokości. Ciśnienie określa wzór:

p– gęstość cieczy – w układzie SI w kg/m³ Gdzie: p– gęstość cieczy – w układzie SI w kg/m³ g– przyspieszenie ziemskie (grawitacyjne) – w układzie SI w m/s² h– głębokość zanurzenia w cieczy (od poziomu zerowego) – w układzie SI w metrach (m). Całkowite ciśnienie panujące w cieczy jest sumą ciśnienia hydrostatycznego i ciśnienia zewnętrznego. W przypadku zbiorników otwartych ciśnienie zewnętrzne jest ciśnieniem atmosferycznym.

Grawitacja w przypadku obu rodzajów ciśnień – hydrostatycznego i aerostatycznego – wywołuje zmianę ciśnienia w zależności od głębokości – im niżej tym większe ciśnienie. Jest ono skutkiem nacisku (ciężaru) ze strony słupa płynu położonego nad danym punktem – im wyższy słup, typ większy nacisk. Np. na Ziemi ciśnienie w wodzie (ciśnienie hydrostatyczne) zwiększa się co 10 m o jedną atmosferę techniczną. Ciśnienie powietrza na poziomie morza jest równe atmosferze fizycznej, jest ona w przybliżeniu równa atmosferze technicznej. Wynika stąd, że ciężar słupa powietrza nad powierzchnią ziemi jest w przybliżeniu równy ciężarowi słupa wody o wysokości 10 m (10 ton wody na metr kwadratowy).

Jeżeli uwzględni się zarówno ciśnienie zewnętrzne, jak i ciśnienie hydrostatyczne, wówczas całkowite ciśnienie w płynie wyraża wzór: gdzie: Po – zewnętrzne ciśnienie wywierane na ciecz na poziomie uznanym za zerowy (h = 0). Dla zbiorników otwartych jest to ciśnienie atmosferyczne na powierzchni cieczy (w warunkach normalnych 1013 hPa).

Prawo Archimedesa  podstawowe prawo hydro- i aerostatyki określające siłę wyporu. Nazwa prawa wywodzi się od jego odkrywcy Archimedesa z Syrakuz. Wersja współczesna: Na ciało zanurzone w płynie (cieczy, gazie lub plazmie) działa pionowa, skierowana ku górze siła wyporu. Wartość siły jest równa ciężarowi wypartego płynu. Siła ta jest wypadkową wszystkich sił parcia płynu na ciało. Stara wersja prawa: Ciało zanurzone w cieczy lub gazie traci pozornie na ciężarze tyle, ile waży ciecz lub gaz wyparty przez to ciało. Legenda głosi, że król Syrakuz zwrócił się do Archimedesa, aby ten zbadał, czy korona, którą wykonał dla Hierona II pewien syrakuzański złotnik, zawiera tylko złoto, czy jest to jedynie pozłacane srebro. Archimedes długo nad tym rozmyślał, aż wreszcie pewnego razu w czasie kąpieli w wannie poczuł jak w miarę zanurzania się w wodzie ciężar jego ciała się zmniejsza. Oszołomiony swoim odkryciem, wyskoczył z wanny i z okrzykiem Eureka! (Heureka, gr. ηὕρηκα – "znalazłem") nago wybiegł na ulicę i udał się do króla. Po otrzymaniu odpowiedniej wartości dla ciężaru właściwego korony Archimedes porównał ją z ciężarem właściwym czystego złota – okazało się, że korona nie była z niego wykonana.

Paradoks hydrostatyczny  paradoks związany z mechaniką płynów, polegający na tym, że ciśnienie na dnie naczynia nie zależy wprost od ciężaru cieczy zawartej w naczyniu, a zależy od wysokości słupa cieczy nad dnem. Natomiast parcie cieczy na dno naczynia zależy od pola powierzchni dna, wysokości słupa cieczy i ciężaru właściwego cieczy. Wynika z tego, że parcie cieczy na dno w naczyniach o różnych kształtach będzie takie samo, jeżeli pole powierzchni dna każdego z tych naczyń i wysokość słupa cieczy w tych naczyniach będą równe. Fakt ten, stwierdzony po raz pierwszy przez holenderskiego uczonego Simona Stevina w XVI w., wydawał się wówczas paradoksalny, dlatego i dziś często nazywany jest paradoksem. Nazywany bywa także paradoksem Pascala, ponieważ Blaise Pascal w roku 1648 spopularyzował go demonstrując publicznie rozsadzenie beczki przy pomocy niewielkiej ilości wody (zobacz ilustrację). Doświadczenie to ilustrowało równocześnie prawo odkryte przez Pascala i nazwane jego imieniem.

Parcie cieczy na dno tych naczyń jest jednakowe

Napięcie powierzchniowe  zjawisko fizyczne występujące na styku powierzchni cieczy z ciałem stałym, gazowym lub inną cieczą, dzięki któremu powierzchnia ta zachowuje się jak sprężysta błona. Napięciem powierzchniowym nazywa się również wielkość fizyczną ujmującą to zjawisko ilościowo: jest to energia przypadajaca na jednostkę powierzchni, lub praca potrzebna do rozciągnięcia powierzchni o tę jednostkę. Przyczyną istnienia napięcia powierzchniowego są siły przyciągania pomiędzy molekułami cieczy. Napięcie powierzchniowe na granicy dwóch faz termodynamicznych (np. dwóch niemieszających się ze sobą cieczy) nazywane jest równieżnapięciem międzyfazowym. Wysokie napięcie powierzchniowe na granicy faz A i B oznacza, że siły spójności (kohezji) wewnątrz faz A-A i B-B są większe niż siły przylegania (adhezji) na granicy faz A-B.

Obserwowalne efekty Siły napięcia powierzchniowego wpływają na kształt swobodnej (niestykającej się ze ściankami naczynia) powierzchni cieczy, przy czym na ogół współistnieją przy tym z innymi siłami. Współistnienie sił napięcia powierzchniowego, sił przylegania oraz grawitacji prowadzi do powstawania menisku: powierzchnia cieczy w sąsiedztwie ścianki zbiornika ulega zakrzywieniu. W dużych zbiornikach menisk stanowi zaledwie niewielką część powierzchni cieczy, jednak w przypadku cienkich rurek, nazywanych kapilarami, może prowadzić do podniesienia się lub obniżenia słupa cieczy na znaczną (znacznie większą od średnicy kapilary) wysokość (zob. zjawiska kapilarne). Te same siły warunkują również kształt wiszącej kropli cieczy, kropli oleju na powierzchni wody, a także kształty cienkich błon cieczy w pianach lub bańkach mydlanych. Współistnienie sił napięcia powierzchniowego, grawitacji i sił aerodynamicznych nadaje kształt spadającym w powietrzu kroplom deszczu. Pod nieobecność dodatkowych sił (np. w warunkach nieważkości), nieruchoma kropla cieczy (niezależnie od wielkości) przybrałaby kształt kuli, gdyż spośród wszychtkich możliwych brył charakteryzuje się on najmniejszym możliwym stosunkiem powierzchni bocznej do objętości.

Napięcie powierzchniowe nadaje kształt przepływającej wodzie

Napięcie powierzchniowe utrzymuje na powierzchni kwiat

...i monetę...

...i owady

Fizyczny opis zjawiska Miarą napięcia powierzchniowego jest praca, jaką trzeba wykonać, by utworzyć jednostkową powierzchnię cieczy, co można wyrazić wzorem:   (jednostką w SI J/m2). gdzie: γ (używa się też oznaczenia σ) – napięcie powierzchniowe, ΔW – praca potrzebna do utworzenia powierzchni ΔS, ΔS – pole powierzchni.

Wzór na poprzednim slajdzie jest równoważny:   (jednostką w SI N/m = J/m2). gdzie: F – siła napięcia powierzchniowego działająca równolegle do powierzchni cieczy, dążąca do zmniejszenia powierzchni cieczy, l – długość odcinka na którym działa siła. Wzór ten odpowiada definicji napięcia powierzchniowego: Napięciem powierzchniowym γ nazywa się siłę styczną do powierzchni cieczy, działającą na jednostkę długości obrzeża powierzchni cieczy.

W termodynamice napięcie międzyfazowe definiuje wzór: gdzie G to entalpia swobodna zwana energią Gibbsa, a S wielkość powierzchni.