Dane informacyjne NAZWA SZKOŁY: ID grupy: Kompetencja: Zespół Szkół Ponadgimnazjalnych nr 1 w Krotoszynie VIII Liceum Ogólnokształcące w Poznaniu ID grupy: 97_66_mf_gl 97_94_mf_g2 Kompetencja: Matematyczno-fizyczna Temat projektowy: Początkiem wszechrzeczy jest woda Semestr/rok szkolny: 2011/2012

Początkiem wszechrzeczy jest woda

Właściwości fizyczne wody Temperatura topnienia pod ciśnieniem 1atm: 0 °C   = 273,152519 K Temperatura wrzenia pod ciśnieniem 1 atm: 99,97 °C = 373,12 K Punkt potrójny 0,01 °C = 273,16 K, 611,657 Pa Gęstość w temperaturze 3,98 °C: 1 kg/l  Temperatura krytyczna : 647,096 K (ok. 374 °C) ciśnienie krytyczne : 22,064 Mpa ciepło właściwe : 4187 J/(kg·K) = 1 kcal/(kg·K) ciepło parowania: 2257 kJ/kg ciepło topnienia: 333,7 kJ/kg masa cząsteczkowa: 18,01524 Da względna przenikalność elektryczna w stałym polu elektrycznym: 87,9 (0 °C), 78,4 (25 °C), 55,6 (100 °C) barwa (woda chemicznie czysta: bezbarwna; w warstwach wielometrowych niebieska) mętność/ilość zawiesin w wodzie (woda chemicznie czysta: klarowna) zapach (woda chemicznie czysta: bezwonna) konduktywność, σ, lub rezystywność, ρ (dla dobrej jakości wody destylowanej lub demineralizowanej ρ > 18 MΩm) twardość (woda chemicznie czysta: 0) -twardość ogólna -twardość węglanowa (przemijająca) -twardość niewęglanowa (trwała) odczyn (woda chemicznie czysta: pH 7,0) -utlenialność wody (woda chemicznie czysta: 0) 

Stan skupienia wody Woda występuje najczęściej w postaci cieczy, jednak może być ona również ciałem stałym (lód lub śnieg), a także gazem (para wodna).Prawie wszystkie substancje mogą przechodzić z jednego stanu skupienia w inny. Stan gazowy - na skutek bardzo małych oddziaływań międzycząsteczkowych cząsteczki gazu mogą swobodnie się przemieszczać. Dzięki temu będą zajmowały całą dostępną im objętość. Na skutek dużych odległości między cząsteczkami gazów gaz charakteryzuje się dużą ściśliwością. Ciecz - jest najbardziej powszechnym stanem skupienia wody. Oddziaływania między cząsteczkami wody są słabsze wprawdzie od tych w ciele stałym, ale silniejsze niż w gazie. Dlatego ciecz nie będzie zmieniała swojej objętości, ale może zmieniać kształt przyjmując kształt naczynia. Ciało stałe - ten stan skupienia charakteryzuje się bardzo silnymi oddziaływaniami między cząsteczkami. Jest to przyczyną faktu, że ciała stałe zachowują swój kształt i nie są ściśliwe. W przypadku lodu wodnego atomy wodoru tworzą wiązania wodorowe z atomami tlenu cząsteczek położonych obok. I również pary elektronów atomu tlenu z tej samej cząsteczki tworzą wiązania wodorowe z atomami wodoru cząsteczek sąsiadujących. W takiej sieci atomów każdy atom wodoru otoczony jest przez dwa atomy tlenu, a każdy atom tlenu otaczają 4 atomy wodoru. Między poszczególnymi warstwami w kryształach lodu obecne są wolne przestrzenie, które powodują, że lód ma gęstość mniejszą niż woda. Stan ciekły Stan gazowy Ciało stałe

Obieg wody w przyrodzie Woda stanowi aż 6,6% masy całej Ziemi i jednym z najbardziej rozpowszechnionych związków chemicznych. Zajmuje ona dwie trzecie powierzchni Ziemi. Występuje ona w trzech stanach skupienia i może te stany zmieniać w zależności od warunków. Źródła wody na Ziemi: w oceanach - 97,24% w lodowcach, górach lodowych i wiecznych zmarzlinach - 2,14% woda gruntowa – 0,61% w jeziorach – 0,009% w morzach wewnątrz lądowych – 0,008% w postaci pary wodnej – 0,005% w rzekach – 0,0001% Około 1% wody znajdującej się na Ziemi pozostaje w ciągłym ruchu. Proces ten nazywamy obiegiem wody w przyrodzie. Proces ten obejmuje tak mały procent ponieważ parowanie przebiega powoli gdyż woda ma bardzo duże ciepło parowania Cześć wody pochodzącej z opadów atmosferycznych oraz z topnienia śniegów i lodowców spływa z gór do strumieni, rzek, jezior, mórz i oceanów. Reszta wody najpierw wsiąka w ziemię, a potem krąży w postaci wody podziemnej pobieranej przez korzenie roślin lub zasila strumienie i rzeki Woda ogrzewana przez Słońce paruje z oceanów, jezior, rzek i powierzchni Ziemi. Para wznosi się do atmosfery, gdzie ochładza się i ulega kondensacji czyli skrapla się, tworząc drobne kropelki wody i kryształki lodu, z których powstają chmury. Zawarta w chmurach woda wraca na Ziemię w formie deszczu, gradu i trafia najczęściej z powrotem do oceanów. Tylko jedna dziesiąta część opadów atmosferycznych dostaje się na lądy do potoków, rzek i zwykle spływa z powrotem do mórz, po czym ponownie paruje kontynuując cykl. Ostatnio obieg wody został zakłócony przez człowieka. Wycinanie lasów, monokultura rolnictwa, niewłaściwe i nadmierne zabiegi rolnicze, urbanizacja, eksploatacja surowców i zanieczyszczenie powietrza powoduje zwiększenie spływu powierzchniowego. Następuje obniżenie wód gruntowych, co zmniejsza zasoby wód podziemnych.   

Bilans wody Bilans wodny dla obszarów naturalnych, poza miejskich, można wyrazić następującym wzorem: P = E + R + S gdzie: P - opady atmosferyczne, jedyne źródło wody dostarczanej do ekosystemu E - ewapotranspiracja, czyli parowanie wody z podłoża oraz oddychanie roślin R - odpływ, czyli woda, która zostaje odprowadzona z danego terenu; dzielimy go na odpływ powierzchniowy (czyli woda, która spływa po powierzchni ziemi np. do rzek) i podziemny (czyli woda, która wsiąka w podłoże a następnie przemieszcza się w warstwach skalnych np. do poziomów wodonośnych, źródeł czy rzek) S - woda gruntowa (tzw. retencja, czyli jakby magazynowanie wody w ekosystemie); zauważ, że pokrywa śnieżna jest także formą retencji wody Bilans wodny obszarów zurbanizowanych składa się z tych samych elemetów co bilans wodny terenów poza miejskich, ale wzajemne proporcje poszczególnych elementów są znacząco inne. Opady są zwykle wyższe niż poza miastem, ewapotranspiracja jest znacznie niższa,odpływ powierzchniowy jest znacznie większy (zaś podziemny jest bardzo niewielki) i retencja jest znacznie niższa. Zmiany prezentuje rysunek 2. Są one także objaśnione w tekście poniżej. Zauważ, że grubość strzałek na rysunkach 1 i 2 oznacza zmianę danego elementu.

El Nino El Niño – anomalia pogodowa, powstająca gdy pasaty wiejące nad równikiem zmieniają swój kierunek lub po prostu zanikają. Imieniem El Niño (po hiszpańsku chłopiec, dzieciątko) peruwiańscy rybacy nazwali silne wiatry i prądy morskie, które zauważyli w okresie świąt Bożego Narodzenia, a które mają duży wpływ na połowy ryb. Nazwa ta odnosi się do Dzieciątka Jezus. Opis zjawiska:  Razem z wiatrami zmienia się układ prądów oceanicznych, a tym samym temperatury wód w określonych miejscach. Wiatry, które poprzednio pchały powstałe nad Pacyfikiem chmury burzowe w kierunku Australii i Indonezji, teraz spychają je na kontynent południowo- amerykański, powodując tym samym intensywne opady w Andach. Co prawda w tym okresie w Andach zaczyna się pora deszczowa, lecz opady wywołane przez efekt El Niño są katastrofalnie duże, powodują powodzie oraz spływanie lawin błota. Dodatkowo podnosi się temperatura powietrza, co powoduje topnienie wiecznych śniegów i zanikanie lodowców (jeżeli proces nie ulegnie zahamowaniu większość lodowców na terenie Peru i Boliwii do końca wieku zaniknie) zapewniających dopływ wody do rzek w ciągu całego roku. W zmienionym układzie ciepłe i suche powietrze znajduje się nad Australią, powodując tam susze większe niż zwykle. Wpływ na pogodę:  El Niño, choć obserwowany głównie na Pacyfiku, ma wpływ na całą Ziemię, ponieważ masy ciepłej i zimnej wody krążą po całym wszechoceanie. Jeśli ich kierunek zmieni się w jednym miejscu, zmienia się on wszędzie. To samo dotyczy wiatrów. W Polsce El Niño objawia się w postaci szczególnie wysokich opadów latem, natomiast np. w krajach śródziemnomorskich występują wtedy bardzo wysokie temperatury. 

Znaczenie wody dla człowieka Życie na Ziemi rozwinęło się w wodzie i zawsze będzie od niej zależne. Aby zrozumieć, jak jest ważna, wystarczy uświadomić sobie, że woda stanowi około 70 % naszego organizmu. Warzywa, owoce, mięso – to w główniej mierze woda. Bez wody nie ma żywności, a bez żywności nie ma ludzi. Dla prawidłowego funkcjonowania organizmu osoba dorosła potrzebuje dziennie około 2-2,5 litra wody odpowiedniej jakości. Wykorzystywana jest w każdej czynności m. in.: – nawilża wdychane powietrze i bierze udział w procesach oddychania, – reguluje temperaturę ciała, – umożliwia transport substancji odżywczych i ich przyswajanie oraz przemianę pożywienia w energię, – chroni narządy i amortyzuje stawy, – usuwa zbędne produkty przemiany materii i rozcieńcza trucizny Każdego dnia zużywamy znaczne ilości wody na higienę osobistą, toaletę, przygotowanie posiłków i inne cele. Ponadto codziennie korzystamy z wielu produktów, wytworzonych przez przemysł, bez których nasze życie byłoby bardzo utrudnione lub wręcz niemożliwe. Głównymi konsumentami wody w Polsce są: energetyka cieplna, przemysł hutniczy, metalurgiczny, chemiczny, spożywczy i drewno- papierniczy Rabunkowo pobieramy wodę, wykorzystujemy ją we wszystkich dziedzinach naszego życia a następnie oddajemy ją środowisku, niestety bardzo często zanieczyszczoną. Działalność człowieka sprawia, że przepływ wody w środowisku jest zakłócony, a to właśnie prawidłowy obieg wody w przyrodzie oraz jej jakość mają decydujący wpływ na nasze zdrowie, przyrodę i klimat.

Pochodzenie wody Pierwsza - Hipoteza geotermalna, opiera się na fakcie obecności wody w magmie. Jej obecność wynosi ok. 1-8%. Para wodna w gorącej magmie w temperaturze poniżej wartości krytycznej ulega skropleniu tworząc roztwory hydrotermalne. Kiedy wulkan jest aktywny woda zostaje uwolniona do atmosfery lub hydrosfery. Wody, które powstały z krzepnięcia magmy, nazywamy wodami juwenilnymi. Druga - Hipoteza solarna mówi, że wiatr słoneczny niesie za sobą jądra (atomy) wodoru, które wchodzą w reakcję z tlenem, który sublimuje w średnio szary obłok. Trzecia hipoteza (najpopularniejsza wśród naukowców) zakłada, że przyniosły ją lodowe komety i asteroidy uderzające w Ziemię w czasach jej młodości, blisko 4 miliardy lat temu. Wcześniej Ziemia miała być sucha i bardzo gorąca. Teorię tę zdaje się potwierdzać obserwowana w wodzie morskiej proporcja izotopów wodoru, podobna do tej, jaką obserwuje się w bogatych w wodę asteroidach. Czwarta - japońscy naukowcy z Tokyo Institute of Technology twierdzą, że powstanie wody miało miejsce na ziemi. Ich zdaniem, woda mogła powstać bezpośrednio na Ziemi, przez reakcję bogatej w wodór atmosfery z tlenkami obecnymi w skorupie ziemskiej. Istnienie gęstej wodorowej atmosfery wokół młodej Ziemi potwierdza analiza późniejszych zmian kształtu orbity naszej planety. Duży udział deuteru, ciężkiego izotopu wodoru w wodzie morskiej, da się wytłumaczyć długotrwałymi procesami chemicznymi, a także stopniowym uwalnianiem się lżejszego wodoru poza atmosferę Niezależni eksperci uznają, że nowa hipoteza zasługuje na dokładniejsze zbadanie, nie wykluczają też, że woda mogła się pojawić na Ziemi na dwa sposoby równocześnie.

Budowa wody Gdy dokonamy rzutu cząsteczki wody na płaszczyznę, to wówczas wygląda, jak trójkąt równoramienny. Atomy wodoru są w dwóch narożach trójkąta, a atom tlenu w pozostałym trzecim. Długość boku omawianego trójkąta równoramiennego ma wartość: 1,013x10-10m (dotyczy wiązania H-O) i 1,63x10-10m (dotyczy odległości między wodorami). Kąt pomiędzy wiązaniami H-O 1040,45’ (1,82 rad). W projekcji trójwymiarowej cząsteczka wody jest tetraedrem. Atom tlenu ulokowany jest w środku, zaś atomy wodoru oraz wolna para elektronowa w wierzchołkach. Cząsteczka wody posiada charakter polarny i jest dipolem. Pomiędzy wodorem i tlenem ma miejsce znaczna różnica elektroujemności, dlatego wiązanie H-O jest wiązaniem spolaryzowanym. Moment dipolowy ma wartość 1,84D. Według teorii rezonansu kwantowo-mechanicznego, opracowanej przez Paulinga, rzeczywiste wiązania występujące w cząsteczce wody to wypadkowa 4 możliwych struktur rezonansowych: - struktura z wiązaniami czysto kowalencyjnymi (procentowy udział wynosi 37); - struktura z wiązaniami jonowymi pomiędzy anionem tlenu i kationami wodoru i (procentowy udział wynosi 15); -struktura z wiązaniami kowalencyjno – jonowymi (procentowy udział wiązania H-O wynosi 24- wiązanie jonowe, zaś procentowy udział wiązania drugiego- kowalencyjnego także wynosi 24).  Atom tlenu posiada 2 wolne pary elektronowe. Dzięki temu cząsteczka wody jest w stanie tworzyć 4 wiązania wodorowe. Wolne pary elektronowe tworzą 2 wiązania. 2 wiązania wodorowe powstają także przez oddziaływanie dwóch atomów wodoru z dowolnymi wolnymi parami elektronowymi. Ostatni typ wiązań odpowiada za struktury zwane asocjatami oraz za powstanie kryształów lodu. Te wiązania wodorowe są odpowiedzialne za łączenie się cząsteczek wody w asocjaty i za powstawanie struktury lodu.   Cząsteczka wody ma możliwość wykonywania rozmaitych ruchów. Wyróżniamy następujące ruchy cząsteczek wody: - ruch translacyjny (przemieszczanie się); - ruch rotacyjny (obracanie się wokół własnej osi); - ruch oscylacyjny (drgania wiązań H-O).

Promieniowanie cieplne(termiczne) Promieniowanie cieplne, promieniowanie termiczne, strumień energii fal elektromagnetycznych emitowanych przez ciało znajdujące się w temperaturze większej od zera bezwzględnego. W zależności od temperatury ciała w promieniowaniu cieplnym dominować może promieniowanie o różnej długości fal. Podstawowe własności emisji i absorpcji promieniowania cieplnego przez ciała opisują prawa promieniowaniKirchhoffa. Zależność całkowitego natężenia promieniowania cieplnego od temperatury ciała opisuje prawo Stefana-Boltzmanna. Rozkład długości fal promieniowania cieplnego (dla ciała doskonale czarnego w danej temperaturze) opisuje prawo promieniowania Plancka. Długość fali odpowiadająca maksimum natężenia promieniowania cieplnego opisuje prawo Wiena.

Ciało doskonale czarne Ciało doskonale czarne- pojęcie stosowane w fizyce dla określenia ciała pochłaniającego całkowicie padające na nie promieniowanie elektromagnetyczne, niezależnie od temperatury tego ciała, kąta padania i widma padającego promieniowania. Współczynnik pochłaniania dla takiego ciała jest równy jedności dla dowolnej długości fali.Ciało doskonale czarne nie istnieje w rzeczywistości, ale dobrym jego modelem jest duża wnęka z niewielkim otworem, pokryta od wewnątrz czarną substancją (np. sadzą). Powierzchnia otworu zachowuje się niemal jak ciało doskonale czarne – promieniowanie wpadające do wnęki odbija się wielokrotnie od jej ścian i jest niemal całkowicie pochłaniane, natomiast parametry promieniowania wychodzącego z jej wnętrza zależą tylko od temperatury wewnątrz wnęki.

Prawo Stefana- Boltzmanna Prawo Stefana-Boltzmanna - opisuje całkowitą moc wypromieniowywaną przez ciało doskonale czarne w danej temperaturze. Zostało opracowane w 1879 przez Jožefa Stefana i Ludwiga Boltzmanna Gdzie: Φ - strumień energii wypromieniowywany w kierunku prostopadłym do powierzchni ciała [W / m2] σ - stała Stefana-Boltzmanna T – temperatura w skali Kelvina Wprowadzenie: Prawo Stefana-Boltzmanna można wyprowadzić korzystając z rozkładu Bosego-Einsteina dla fotonów zamkniętych w pudełku o objętości V. Średnia energia fotonów w danej temperaturze T wynosi: ω - częstotliwość fotonów ρ(ω) - gęstość stanów dla fotonów - stała Diraca KB - stała Boltzmanna

Prawo Wiena Prawo Wiena – prawo opisujące promieniowanie elektromagnetyczne emitowane przez ciało doskonale czarne Ze wzrostem temperatury widmo promieniowania ciała doskonale czarnego przesuwa się w stronę fal krótszych, zgodnie ze wzorem: gdzie: – długość fali o maksymalnej mocy promieniowania mierzona w metrach – temperatura ciała doskonale czarnego mierzona w kelwinach, – stała Wiena Prawo Wiena jest wnioskiem z rozkładu Plancka promieniowania ciała doskonale czarnego. Znajduje ono zastosowanie przy badaniu temperatur gwiazd , przy przybliżeniu, że promieniują one jak ciało doskonale czarne .

Prawo promieniowania Plancka Plancka prawo promieniowania, prawo opisujące emisję światła przez ciało doskonale czarne znajdujące się w danej temperaturze. Zgodnie z nim emisja (i absorpcja) światła odbywa się w porcjach (kwantach) o energii hν, gdzie h - stała Plancka, ν – częstotliwość fali światła, a zależność zdolności emisyjnej ε od częstotliwości fali ν i temperatury T wyrażona jest wzorem (tzw. wzór Plancka): Gdzie: c - prędkość światła, k - stała Boltzmanna. Prawo promieniowania Plancka jest szczególnym przypadkiem rozkładu Bosego-Einsteina  

Prawo Kirchhoffa gdzie: Prawo promieniowania temperaturowego - określone w 1859 roku przez Gustawa Roberta Kirchhoffa mówiące, że w ustalonej temperaturze stosunek zdolności emisyjnej ciała do jego zdolności absorpcyjnej jest uniwersalną funkcją, taką samą dla wszystkich ciał. Ze względów historycznych funkcję tę nazywa się funkcją Kirchhoffa gdzie: E(ν,T) - zdolność emisyjna ciała w dziedzinie częstości, A(ν,T) - zdolność absorpcyjna ciała w dziedzinie częstości, ε(ν,T) - uniwersalna funkcja Kirchoffa. Z definicji ciała doskonale czarnego, dla którego zdolność absorpcyjna jest dla każdej częstości i w każdej temperaturze jest równa jedności wynika, że funkcja Kirchoffa jest zdolnością emisyjną ciała doskonale czarnego.

Czas na zadania! Zadania1: Zgodnie z I zasadą termodynamiki energię wewnętrzną ciała można zmienić przez dostarczenie ciepła lub wykonanie pracy. Z wysokości 10 m spada na Ziemię miedziana kula o masie 2 kg. O ile wzrosła temperatura kuli w wyniku upadku? Zakładamy, że cała energii kuli została zużyta na wzrost jej energii wewnętrznej. Ciepło właściwe miedzi wynosi 385J/kg*K.   Dane: h=10m m=2kg c= 385 J/kg*K ΔT=? Rozwiązanie: ΔEp = ΔQ mgh = mc ΔT ΔT = gh / c ΔT = 0,26K Odp: Temperatura kuli w wyniku upadku wzrosła o 0,26 K.

b) Z jakiej wysokości należy zrzucić bryłę lodu o temperaturze-10 C i masie 1 kg, aby w wyniku upadku uległa całkowitemu stopnieniu? Ciepło topnienia lodu wynosi 3,3(5)*105 J/kg*K.  Dane:   ΔT=100C m=1kg cw=2100 J/kg*K ct=3,35*105 J/kg h=? Rozwiązanie: mgh = mcw ΔT + mct h = (cw ΔT + ct) /g h = 35,6km Odp: Należy zrzucić bryłę lodu z wysokości 35,6km, aby uległa całkowitemu stopieniu.

Zadanie 2: W= 4200*0,25(100-20) [J] Oblicz jak długo powinno trwać zagotowanie szklanki wody (0,25 l) o temperaturze początkowej 20oC za pomocą grzałki o mocy 200W. Ciepło właściwe to c=4200 J/ kg*C W= 1050*80 W= 84000J P= W/t /*t Pt= W /P t= W/P [s]  Dane: t= 84000/200 V= 0,25l/m=0,25kg t=420 s T1 = 20oC T2 = 100oC C =4200 J/kg*oC 60x = 420 P= 200W X = 420/60 t=? X = 7 min   Rozwiązanie: Odp: Zagotowanie wody powinno trwac 7min. Q = cm(T2-T1) W=Q W= cm(T2-T1)

Zadanie 3 W pewnych naczyniach o pojemności V1=3dm3 znajduje się gaz pod ciśnieniem p1=2atm. W drugim naczyniu o pojemności V2=4dm3 jest gaz pod ciśnieniem p2=1atm. Temperatury gazu w obu naczyniach są jednakowe. Jakie będzie ciśnienie gazu gdy naczynia połączymy ze sobą? Zakładamy, że przy mieszaniu się gazów temperatura się nie zmieniła. Dodajemy stronami równania dotyczące stanu początkowego N1 RT + n2 RT= p1 V1 + p2 V2 (n1 + n2)RT= p1 V1 + p2 V2 Wynik podstawiamy do równania stanu końcowego Dane: P1 V1 P2 V2 p(V1 + V2)= p1 V1 + p2 V2 T T V1= 3dm3 p1 V1= n1 RT p2V2= n2 RT V2= 4dm3 Odp: Ciśnienie gazu po połączeniu naczyń wynosi 1,43atm. P1 = 2dm P2= 1dm p T V1+V2 p=?   p(V1+V2)= (n1+n2) RT