Ciecz – jeden ze stanów skupienia materii Zespół Szkół nr 1 im. Komisji Edukacji Narodowej w Szczecinku ID grupy: 97/8_MF_G2 Opiekun: Dorota Dorożyńska Kompetencja: Matematyczno- fizyczna Ciecz – jeden ze stanów skupienia materii Semestr/rok szkolny: IV/2011/2012

Cele projektu Wybierając temat projektowy „Ciecz – jeden ze stanów skupienia materii” kierowaliśmy się chęcią poszerzenia wiadomości z zakresu właściwości cieczy. Projekt pozwolił nam rozwinać umiejętności pracy w grupie, planowania, gromadzenia i analizowania wyników doświadczeń w celu wysnucia wniosków. Poprzez realizację projektu uczyliśmy się dobierać metodę badawczą do postawionego problemu, tak aby móc sprawdzić teorię poprzez odpowiednie doświadczenia praktyczne z użyciem właściwego sprzętu.

Spis treści Ciecze w przyrodzie Przemiany fazowe Woda Ciecz nienewtonowska Ciężka woda Hydrosfera Ciśnienie

Spis treści Napięcie powierzchniowe Prawo Pascala Dyfuzja Siła wyporu Woda źródłem energii Pomiar objętości za pomocą wody Flotacja

Ciecze wystepujące naturalnie w przyrodzie Ropa naftowa (olej skalny, czarne złoto) – ciekła kopalina, złożona z mieszaniny naturalnych węglowodorów gazowych, ciekłych i stałych (bituminów), z niewielkimi domieszkami azotu, tlenu, siarki i zanieczyszczeń. Ma podstawowe znaczenie dla gospodarki światowej jako surowiec przemysłu chemicznego, a przede wszystkim jako jeden z najważniejszych surowców energetycznych. Źródło: Internet.

Ciecze wystepujące naturalnie w przyrodzie Lawa – ciekły produkt działalności wulkanicznej, składający się głównie ze stopionych tlenków krzemu, żelaza, sodu, potasu, wapnia i innych metali. Ma podobny skład jak magma, z której stopienia powstaje, ale jest zubożona o składniki lotne. Źródło: Internet.

Nauki zajmujące się cieczami Hydromechanika - nauka o prawach, którym podlega ciecz w spoczynku i w ruchu Hydraulika jest zbiorem formuł doświadczalnych, opisujących ważne dla praktyki technicznej zjawiska ruchu cieczy. Hydrostatyka— dział mechaniki płynów zajmujący się badaniem cieczy w stanie spoczynku. Hydrodynamika - zajmuje się badaniem ruchu cieczy Reologia – dziedzina nauki zajmującą się badaniami nad lepkością cieczy.

ciecz Ciecz – stan skupienia materii – pośredni między ciałem stałym a gazem, w którym ciało fizyczne trudno zmienia objętość, a łatwo zmienia kształt. Wskutek tego ciecz przyjmuje kształt naczynia, w którym się znajduje, ale w przeciwieństwie do gazu nie rozszerza się, aby wypełnić je całe. Powierzchnia styku cieczy z gazem lub próżnią nazywa się powierzchnią swobodną cieczy. Źródło: Internet

ciecze Źródło: Własne Ciecz przyjmuje kształt naczynia w którym się znajduje.

Przemiany fazowe cieczy Źródło: własne

Woda w ujęciu filozofów Woda, oprócz tego, że jest podstawą życia na Ziemi, jest także motywem i symbolem literackim. Świat powstał z wody. Nie tylko w Biblii "Duch Boży unosił się nad wodami". Również w mitologii egipskiej i hinduskiej pierwsze bóstwa były bóstwami wody, a świat wynurzył się z mgły lub morza. W mitologii greckiej przyjmowano, że Okeanos - wielka rzeka opływająca cały świat - oraz uosobiony wieczny Czas i Chaos tworzyły stan pierwotny. Współczesna nauka również przychyla się do hipotezy, że życie na Ziemi miało swój początek w wodzie. Najsłynniejszą na świecie "żywą wodą" jest woda z Lourdes - dowód na to, że wiara czyni cuda. Woda w literaturze i filozofii przyrody często symbolizuje czas, przemijanie, odchodzenie w niepamięć.

Woda w kulturze Według polskich tradycji ludowych bolące miejsca leczyło się w Wielki Piątek, stając nad rzeką płynącą z południa ze słowami: Witam cię wodo rejna , co omywasz kamienie i krzemienie, obmyjże i mnie grzeszne stworzenie. Na Śląsku uważano, iż woda czerpana przed wschodem słońca w Wielki Piątek leczy choroby oczu, usuwa piegi, czyni płeć piękną i powoduje porost włosów. Idąc po nią, nie należy się oglądać za siebie i nic mówić. Wodę czczą kultury azjatyckie, zwłaszcza hinduska. W tradycji wedyjskiej każda kropla objawia wartość absolutną. Wodo, ty jesteś źródłem każdej rzeczy i wszelkiego istnienia! – mówi jeden z tekstów Bhawiśjottarapurany. Rzeki są jednym z najważniejszych symboli kultowych hinduizmu, w którym woda stanowi źródło boskości, bo oczyszcza i karmi. Większość cieków i zbiorników wodnych ma właściwości nadprzyrodzone związane z konkretnymi bóstwami.

Święta rzeka ganges Hindusi wierzą, że woda zmywa grzechy całego świata

woda Woda składa się z atomów tlenu i wodoru. Atom tlenu ma pewien ładunek ujemny, a atomy wodoru odpowiadający mu ładunek dodatni. Ujemny ładunek atomu tlenu przyciąga dodatnio naładowane atomy wodoru sąsiedniej cząsteczki i pomiędzy nimi powstaje tak zwane wiązanie wodorowe. Mówimy, że cząstka wody jest polarna, czyli tworzy dipol. Ciekawostka: Gęstość lodu jest mniejsza od gęstości wody i lód pływa po wodzie. Jest to odmienne zachowanie od większości substancji. Prawie wszystkie ciecze, krzepnąc, zmniejszają swoją objętość, więc powstające z nich ciała stałe mają większą gęstość i wtedy toną. Źródło: Internet

WOda W temperaturze 0°C liczba zerwanych wiązań jest tak duża, że lód zamienia się w wodę. W temperaturze 4° całkowicie rozpadają się wiązania wodorowe co powoduje wzrost gęstości. Taka woda opada na dno - głębokie zbiorniki wody mają temperaturą zbliżoną do +4°C. Latem na dole zbiornika panuje najniższa temperatura, natomiast zimą na dnie woda ma zawsze temperaturę +4°C, co pozwala rybom przeżyć.

Rozkład temperatury zbiornika wodnego Latem Zimą Źródło: Internet

WOda Woda ma bardzo duże ciepło właściwe. zimą woda "oddaje" ciepło, a latem ciepło "pobiera". Dużą wartość ma również ciepło topnienia wody.Dzięki temu wiosną śnieg topi się powoli, co zapobiega powodziom. Jesienią natomiast zjawisko zamarzania wody w zbiornikach wody zachodzi powoli. Proces parowania zachodzi powoli, mogą więc istnieć odkryte zbiorniki wodne. Ze względu na to częstotliwość opadów atmosferycznych jest niewielka.

Obieg wody w przyrodzie Woda zajmuje dwie trzecie powierzchni Ziemi. Występuje ona w trzech stanach skupienia i może te stany zmieniać w zależności od warunków. Około 1% wody znajdującej się na Ziemi pozostaje w ciągłym ruchu. Woda ogrzewana przez Słońce paruje. Para wznosi się do atmosfery, gdzie ochładza się 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 do oceanów. Następnie ponownie paruje.

Obieg wody w przyrodzie Źródło: Internet

Ciecz przegrzana Ciecz przegrzana – ciało istniejące w stanie ciekłym powyżej temperatury wrzenia. Zazwyczaj ciecze wrą w jednej, określonej temperaturze przy stałym ciśnieniu. Proces wrzenia wymaga jednak odpowiednich warunków – m.in. możliwości ulatniania się powstającego z cieczy gazu, ponadto nie występuje jednocześnie w całej objętości cieczy i wymaga zainicjowania oraz czasu. Stosuje się ją w komorach pęcherzykowych do analizy torów cząstek elementarnych. Cząstka taka stanowi zarodnik wrzenia, dzięki czemu ślad ruchu cząstki (w postaci pęcherzyków pary) może być obserwowany i rejestrowany.

Ciecz przechłodzona Ciecz przechłodzona - ciało istniejące w stanie ciekłym poniżej temperatury krzepnięcia. "Typowa" ciecz powinna teoretycznie przejść w ciało krystaliczne w temperaturze krzepnięcia. Krystalizacja jest jednak procesem wymagającym odpowiednich warunków i przeważnie musi być ona w jakiś sposób zainicjowana. Ponadto proces ten nie przebiega zwykle natychmiastowo, tylko wymaga czasu. Wszystko to umożliwia uzyskanie cieczy przechłodzonej. Przykładem takiej substancji może być tiosiarczan sodu, który jest wykorzystywany przy produkcji ogrzewaczy dłoni. Ciecz przechłodzona jest z termodynamicznego punktu widzenia stanem metastabilnym, tzn. dla małych zaburzeń stabilnym, ale dla większych niestabilnym. Aby doprowadzić do jej zestalenia, wystarczy zwykle zainicjować w dowolny sposób proces krystalizacji

Ciecz nienewtonowska Ciecz nienewtonowska nazywana czasami również płynem nienewtonowskim, to niesamowita substancja, która w zależności od siły z jaką na nią działamy zachowuje się albo jak ciecz, albo ciało stałe. Mieszanina wody i mąki ziemniaczanej lub kukurydzianej pod wpływem siły, zamienia się w twarde ciasto. Newton założył, że wszystkie ciecze mają te same właściwości. Założenie było błędne, bowiem dotyczy tylko cieczy klasycznych. Ciecz nienewtonowska, jeśli używać wobec niej siły, energii kinetycznej, nabiera właściwości ciała stałego.

Ciecz nienewtonowska Źródło: Własne

Ciecz nienewtonowska Jeśliby wypełnić tą cieczą basen, można by było po nim przebiec albo energicznie przemaszerować. Dzięki cieczom nienewtonowskim stworzono m.in. uniwersalne kamizelki ochronne. Są one tworzone z włókien kevlarowych przeplatających się -jak w zwykłym ubraniu. Robi się z nich małe rurki i wypełnia cieczą nienewtonowską, mającą właściwości żelu z krzemionki, który reaguje na uderzenie. Źródło: Internet

Ciężka woda Ciężka woda, HDO lub D2O – woda, w której znaczącą część atomów wodoru stanowi izotop 2H, czyli deuter, którego jądro zbudowane jest z protonu i neutronu (podczas gdy jądro protu (1H) w zwykłej wodzie zawiera jedynie proton. Metodą oddzielenia "ciężkiej wody" jest powolna elektroliza. Wykorzystuje się tu fakt, że deuter nie bierze w niej udziału. Podczas tego procesu wodór i tlen uchodzą z elektrod, natomiast tlenek deuteru pozostaje w naczyniu. Z elektrolizy 100 000 litrów wody uzyskuje się około 1 litr "ciężkiej wody", co sprawia, że jej otrzymanie jest kosztowne.

Ciężka woda Własności chemiczne wody ciężkiej są niemal takie same jak zwykłej wody, z wyjątkiem jej zdolności do tworzenia wiązań wodorowych (tworzy silniejsze wiązania) i polaryzacji wiązań tlen-wodór(deuter), co skutkuje m.in. nieco wyższym pH. Woda ciężka znacząco różni się natomiast od zwykłej wody pod względem fizycznym. Ma o kilka stopni wyższą temperaturę wszystkich przemian fazowych, większą gęstość, inny moment dipolowy, inne przewodnictwo elektryczne i pojemność cieplną.

Jako moderatorów w reaktorach jądrowych używa się grafitu, zwykłej wody, ciężkiej wody, berylu. Źródło: Internet

Ciężka woda Ciężka woda stosowana współcześnie w przemyśle zawiera zwykle od 95 do 99% tlenku deuteru w stosunku do tlenku wodoru. Jest ona stosowana jako moderator w reaktorach atomowych. Oprócz tego woda deuterowana jest stosowana w chemii, jako jeden z rozpuszczalników stosowykorzystywanyc wanych w analitycznej technice NMR oraz jako tanie źródło deuteru, przy badaniu mechanizmów reakcji, poprzez znakowanie izotopowe i obserwację tzw. efektu izotopowego. Kanada jest największym na świecie producentem ciężkiej wody, która jest wykorzystywana jako moderator w reaktorach atomowych typu CANDU.

hydrosfera Hydrosfera jest wodną powłoką Ziemi przenikającą atmosferę i skorupę ziemską. Obejmuje wody występujące w przyrodzie w postaci gazowej, ciekłej i stałej. Hydrosferę stanowią: oceany, morza, jeziora, rzeki, bagna, pokrywa śnieżna, lodowce, lód gruntowy (trwała marzłoć), wody podziemne oraz para wodna występująca w atmosferze (w troposferze) i skorupie ziemskiej. Hydrosfera pokrywa 70,8% powierzchni Ziemi w postaci wód otwartych i 2,5% powierzchni w postaci lodowców. Cechuje ją stałość zapasów wodnych (ok. 1,3 mld km3). Gromadzi ona głównie wody słone. Hydrosfera jest tą sferą biosfery, w której powstało życie. Źródło: Internet

Aspekty fizyczne - ciśnienie Ciśnienie – wielkość skalarna określana jako wartość siły działającej prostopadle do powierzchni podzielona przed powierzchnię na jaką ona działa. Ciśnienie nie zależy od kształtu naczynia, a jedynie od wysokości słupa cieczy. WAŻNE: Strumień jest tym silniejszy, im niżej znajduje się dziurka, z której wypływa woda. Źródło: własne

Prawo pascala Przyłożone z zewnątrz ciśnienie w płynach rozchodzi się jednakowo we wszystkich kierunkach i działa prostopadle do ścian naczynia zawierającego ten płyn. Źródło: własne.

zadanie Wyobraź sobie podnośnik hydrauliczny zbudowany według zasady przedstawionej na rysunku. Pole powierzchni mniejszego tłoka wynosi 100cm2, a większego — 900cm2. Największa siła, jaką można przyłożyć, ma wartość 250N. Jaką masę ciała można podnieść za pomocą takiej siły? Źródło: Internet

zadanie Słup wody o wysokości 1m umieszczony zostaje na Ziemi i Księżycu. Znaleźć przybliżony stosunek ciśnień hydrostatycznych słupów wody na Ziemi i na Księżycu. Źródło: Internet

Na Księżycu ciśnienie hydrostatyczne jest 6 razy mniejsze niż na Ziemi.

Napięcie powierzchniowe   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. Przyczyną istnienia napięcia powierzchniowego są siły przyciągania pomiędzy molekułami cieczy. Efektem napięcia powierzchniowego jest np. utrudnione zanurzanie w cieczy ciał nie podatnych na zwilżanie tą cieczą (znika ono w momencie całkowitego zanurzenia takiego ciała). Innym zjawiskiem związanym z napięciem powierzchniowym jest podnoszenie się (np. woda) lub opadanie (np. rtęć) cieczy w wąskich rurkach, tzw. kapilarach Źródło: własne

Dzięki napięciu powierzchniowemu niektóre zwierzęta posiadają zdolność poruszania się po tafli zbiornika wodnego. Źródło: Internet

menisk Menisk -jest to powierzchnia rozdzielająca od siebie dwie fazy płynne – gaz i ciecz lub dwie, niemieszające się z sobą ciecze. wklęsły - występuje gdy siły oddziaływania między cząsteczkami cieczy i ścianek są większe od sił oddziaływania między cząsteczkami cieczy wypukły - występuje gdy siły oddziaływania między cząsteczkami cieczy i ścianek są mniejsze od sił oddziaływania między cząsteczkami cieczy Źródło: Internet

Gęstość cieczy Gęstość (masa właściwa) – jest to stosunek masy pewnej ilości substancji do zajmowanej przez nią objętości. Gęstość większości substancji jest zależna od panujących warunków, w szczególności od temperatury i ciśnienia Gęstość ciał stałych i ciekłych można wyznaczyć przez ważenie próbek o znanej objętości. Przy wyznaczaniu gęstości cieczy stosuje się również areometry. Areometry wypełnione cieczą o znanej gęstości mogą służyć do wyznaczania gęstości innych cieczy. Źródło: Własne

Dyfuzja w cieczach: Samorzutne mieszanie się cieczy Dyfuzja w cieczach: Samorzutne mieszanie się cieczy. Przykładem jest samorzutne mieszanie się esencji herbaty z wodą. Dyfuzja zachodzi najszybciej w gazach , a najwolniej w ciałach stałych. Dyfuzja jest dowodem na ziarnistą budowę materii. Dyfuzja zachodzi szybciej w wyższej temperaturze np. im cieplejsza woda, tym szybciej esencja się ,,rozpuści„. Po wlaniu barwnika do wody szybkość jego rozchodzenia się zależy od temperatury. Źródło: Własne

Dyfuzja w różnej temperaturze Zimna Ciepła Źródło: Własne

Woda jako rozpuszczalnik Woda jest najpowszechniej występującym rozpuszczalnikiem. Różne substancje rozpuszczają się w różnym stopniu. Wysokiej rozpuszczalności ciał stałych sprzyja wysoka temperatura oraz mechaniczne mieszanie. Pomimo to nie wszystkie ciała można rozpuścić tworząc ich roztwór wodny. Przekonaliśmy się o tym wykonując odpowiednie doświadczenie, przy użyciu różnych substancji i wody w stałej temperaturze.

Przeprowadzanie doświadczenia Źródło: Własne

Wyniki doświadczenia Kawa kakao cukier mąka ziemniaczana ryż sól

Siła wyporu Turysta czytający gazetę leżąc na tafli Morza Martwego. Źródło: Internet

Prawo archimedesa Na ciało zanurzone w cieczy działa siła wyporu równa co do wartości ciężarowi wypartej cieczy. Archimedes z Syrakuz (287-212 p.n.e.) wybitny grecki fizyk i matematyk

Siła wyporu Dlaczego niektóre ciała pływają, a inne nie? Zjawiska te wiążą się z siłą wyporu, działającą na wszystkie ciała zanurzone w cieczy.

Schemat prezentujacy siły oddziaływujące na ciało znajdujące się w wodzie.

Pływanie ciał – nasze doświadczenia Źródło: własne.

Pływanie ciał – nasze doświadczenia Źródło: własne.

Pływanie ciał – nasze doświadczenia Źródło: własne.

Żaglowiec w porcie w Sztokholmie. Źródło: własne

Pływające jajko Wodny roztwór soli kuchennej Czysta woda Źródło: własne

Pęcherz pławny Wiemy już dlaczego statki pływaja, a jak to jest z rybami? Większość ryb posiada narząd którym może reglować głębokość pływania, jest to pęcherz pławny. Jest to wewnętrzny narząd hydrostatyczny, służący do modyfikacji ciężaru właściwego u ryb. Tworzy się on w rozwoju embrionalnym jako uwypuklenie przełyku. Pęcherz pławny modyfikuje ciężar tylko w wodzie, nabierając mieszaniny lżejszych od tlenu gazów. Pęcherz pławny z przełykiem łączy się za pomocą specjalnego przewodu powietrznego. Źródło: Internet.

zadanie Jakiej siły należy użyć, aby korek o ciężarze Q = 2 N całkowicie zanurzyć w wodzie? Gęstość korka 200 kg/m3, wody 1000 kg/m3 a przyspieszenie ziemskie g = 10 m/s2

Woda jako źródło energii Woda jest jednym z alternatywnych źródeł energii. Wykorzystując siłę jej spadku można wytwarzać prąd elektryczny. Na całym świecie buduje się zapory służące spiętrzaniu wody tak aby wykorzystać przenoszoną przez nią energię. Elektrownia wodna na Jeziorze Solińskim. Źródło: własne.

Elektrownia szczytowo – pompowa w Żydowie Źródło: Internet.

Pomiar objętości za pomocą wody 700cm3 – 610cm3 = 90cm3 Źródło: własne.

Flotacja Zjawisko to zachodzi, gdy gęstość cząsteczek jest sztucznie zmniejszana aby pozwolić im na unoszenie się na powierzchni wody. Opiera się to na zdolności cząsteczek danego ciała stałego lub cieczy do łączenia się z pęcherzykami gazu w celu wytworzenia połączenia cząsteczka - gaz o gęstości mniejszej niż ciecz. Wykonaliśmy to doświadczenie samodzielnie. Do wysokiej szklanki wlalismy wodę gazowaną, a nastepnie wrzucilismy winogrona.

Źródło: własne

źródła http://www.khanacademy.org/ http://wikipedia.org http://fizykon.org http://ftj.agh.edu.pl ZBIÓR ZADAŃ Z FIZYKI T.1 & T.2 J. JĘDRZEJEWSKI W. KRUCZEK A. KUJAWSKI Wydawnictwa Naukowo-Techniczne Warszawa 2000 Fizyka dla przyrodników J.W. Kane PWN Warszawa 1973 Zadania z fizyki S.U. Gonczarenko Wydawnictwo Naukowo-Techniczne Warszawa 1973 Zdjęcia własne wykonane przez Paulinę Klusaczyk

Doświadczenia przygotowały i wykonały: Justyna Gaworska, Ania Wardakowska, Agnieszka Pawlak, Kamila Tokarz Aspekty teoretyczne opracowali: Stanisław Stecenko, Natalia Szylak, Piotr Osip, Paulina Zastocka, Zdjęcia wykonała: Paulina Klusaczyk Prezentację multimedialną sporządził: Mateusz Bednarski