Program Operacyjny Kapitał Ludzki 2007-2013 CZŁOWIEK – NAJLEPSZA INWESTYCJA

1. Projekt „AS KOMPETENCJI”jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach środkówEuropejskiego Funduszu Społecznego Program Operacyjny Kapitał Ludzki 2007-2013CZŁOWIEK – NAJLEPSZA INWESTYCJA

3. Nazwa szkoły: Zespół Szkół Technicznych w Ostrowie Wielkopolskim ID grupy: 97/83_mf_g1 Kompetencja: mat-fiz Temat projektowy: Początkiem wszechrzeczy jest woda. Semestr/rok szkolny: IV/2010_2011

4. Krótkie przedstawienie tematyki projektu: z pamiętnika e-kroniki... …As Kompetencji towarzyszy nam na każdym kroku… Będąc na nocnych spotkaniach z nauką we Wrocławiu Bql (Bartek) zafascynowany serwerownią chłodzoną wodą, wpadł na pomysł by się temu zjawisku przyjrzeć z bliska…, a może bliżej?.... Czy Bqlowi uda się zrobić wodne chłodzenie swojego kompa? Cel projektu

6. WODA

7. WODA Budowa i właściwości fizyczne molekuły wody Budowa cząsteczki wody jest bardzo prosta, a jednocześnie pod wieloma względami doskonała.

8. WODA Budowa i właściwości fizyczne molekuły wody • Cząsteczka wody składa się z jednego atomu tlenu i dwóch atomów wodoru. Kąt miedzy atomami wodoru wynosi prawie 1050, oznacza to, że charakteryzuje się ona niezerowym momentem dipolowym. Dzieje się tak, ponieważ ładunek ujemny, który znajduje się na atomie tlenu nie pokrywa się ze środkiem ciężkości ładunków dodatnich, które są na atomach wodoru. • Następstwa dużego momentu dipolowego cząsteczki wody: • duża przenikalność dielektryczną, • silne wiązania między atomami, • wysoka temperatura wrzenia, • wysoka temperatura topnienia.

9. WODA Budowa i właściwości fizyczne molekuły wody Nazwa systematyczna: oksydan Wzór sumaryczny: Temperatura topnienia: 00C h2O Masa molowa: Wygląd: bezbarwna ciecz Temperatura wrzenia: 1000C 18,02 g/mol Ciepło właściwe: 4187 J/(kg K) Gęstość ciecz: 0,9998 g/cm3 (00C) Temperatura krytyczna: 3740C Gęstość ciało stałe: 0,9167 g/cm3 (00C) Masa cząsteczkowa: 18,01524 u Ciepło parowania: 2257 kJ/kg Punkt potrójny: 0,010C=273,16 K 611,657 Pa Ciepło topnienia: 333,7 kJ/kg

10. Obieg wody w przyrodzie Woda jako niezbędny warunek istnienia życia jest spotykana w każdej postaci i w każdym miejscu na Ziemi…

11. Bilans wodny Bilans wodny – zestawienie obiegu wody w przyrodzie na poszczególnych obszarach (np. dorzecze, zlewisko itd.), z rozróżnieniem na przychody i rozchody (odpływy). Mierzy się go, biorąc pod uwagę ilość opadów na danym terenie, odpływ powierzchniowy i podziemny z danego terenu, parowanie. Do obliczania bilansu wodnego stosuje się "Równanie bilansu wodnego Pencka-Oppokowa" gdzie: P - opady; H - odpływ (podziemny, powierzchniowy); E - parowanie; ΔR - zmiana retencji (retencja powierzchniowa, podziemna) Równanie to wyznacza się dla określonego obszaru (zlewni, dorzecza) dla roku hydrologicznego. Na podstawie: Wikipedia.pl

12. Stany skupienia i procesy przejścia między stanami W naturalnym środowisku woda może występować w trzech stanach skupienia:

13. Termika wód a globalne zmiany klimatyczne 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 • ciało stałe 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. 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.

14. Stany skupienia i procesy przejścia między stanami Dzięki zmianom ciśnienia i temperatury możliwe jest przechodzenie wody z jednego stanu do drugiego: Możliwe są następujące przejścia fazowe: - krzepnięcie - przejście z cieczy w lód, - topnienie - z lodu do cieczy, - parowanie - przemiana cieczy w parę wodną, - skraplanie - przemiana pary wodnej w ciecz, - sublimacja - przejście od lodu do pary wodnej, - resublimacja - przejście pary wodnej w lód.

15. Stany skupienia i procesy przejścia między stanami Na uwagę zasługuje jeszcze pewna ciekawa własność wody. Mianowicie ciecz ta jest jedną z bardzo nielicznych substancji, które krzepnąc zwiększają swoja objętość. Dzieje się tak na skutek tworzenia wiązań wodorowych. Powodują one powstanie dosyć luźnej struktury. Między poszczególnym warstwami tworzą się wolne przestrzenie, stąd mniejsza gęstość lodu od gęstości wody.

16. Stany skupienia i procesy przejścia między stanami Punkt potrójny – stan, w jakim dana substancja może istnieć w trzech stanach skupienia równocześnie w równowadze termodynamicznej. Punkt ten określony jest przez temperaturę i ciśnienie punktu potrójnego. Na diagramie fazowym, ukazującym zależności ciśnienia od temperatury stanów równowagi faz, jest to punkt przecięcia krzywych równowagi fazowej substancji odpowiadający stanowi równowagi trwałej trzech stanów skupienia (ciało stałe, ciecz, gaz).

17. Stany skupienia i procesy przejścia między stanami Diagram fazowy wody ma nietypowy przebieg. Zgodnie z równaniem Clausiusa ciepło przemiany fazowej można wyrazić wzorem: gdzie: T – temperatura, ΔV – zmiana objętości podczas przemiany fazowej. dp/dT – pochodna ciśnienia po temperaturze, jest szybkością zmiany ciśnienia przy zmianie temperatury dla danego przejścia fazowego. Wielkość ta odpowiada nachyleniu krzywej rozdziału faz, dokładniej jest równa tangensowi kąta nachylenia prostej stycznej do krzywej w danym punkcie. Dla krzywej rozdziału faz ciecz-ciało stałe wielkość ta ma zwykle wartość dodatnią (krzywa jest rosnąca). Jeżeli temperatura rośnie, substancja topnieje i pobiera ciepło (L > 0). Przy dodatniej wartości dp/dT oznacza to, że również ΔV musi być dodatnie, czyli wzrasta objętość cieczy w stosunku do fazy stałej. W przypadku wody jest odwrotnie. Krzywa p(t), czyli dp/dT < 0, zatem objętość podczas topnienia maleje.

18. Stany skupienia i procesy przejścia między stanami Punkt potrójny jest wielkością charakterystyczną dla danej substancji, podawany jest w opisach substancji. Punkty potrójne niektórych substancji są używane jako wzorce skali temperatur. Niektóre substancje nie mają punktu potrójnego, ponieważ nie występują we wszystkich trzech stanach skupienia.

19. Wykorzystanie systemu obserwacji satelitarnych do oceny termiki wód na Ziemi • Dzięki satelitom można badać następujące wielkości opisujące oceany: • - temperatury powierzchni morza (satelita AVHRR/Tiros N/NOAA od 1979 roku), • - zasięg i koncentrację lodu morskiego (SMMR/Nimbus 7, SSM/I/DMSP od roku 1979), • - prędkości wiatru przywodnego (SSM/I/DMSP od roku 1992), • parametrów geoidy (TOPEX/Posejdon, Jason 1 od roku 1992), • - kierunku i prędkości wiatru przywodnego (QuikScat od roku 2003). http://www.kosmos.gov.pl/ekatalog/materialy/Ekosystemy_morskie.pdf

20. Wykorzystanie systemu obserwacji satelitarnych do oceny termiki wód na Ziemi Źródłem danych w przypadku parametrów możliwych do określenia na podstawie analizy barwy morza są radiometry czułe na promieniowanie elektromagnetyczne w przedziale długości fal określanym jako promieniowanie widzialne. Analizie poddawana jest ta część promieniowania słonecznego, która przeniknęła do morza i została w nim rozproszona w kierunku czujnika na pokładzie satelity. Do wielkości, które można otrzymać w ten sposób należą: Koncentracja chlorofil Koncentracja tzw. substancji żółtych Koncentracja zawiesin Dyfuzyjny współczynnik osłabiania oświetleni http://www.kosmos.gov.pl/ekatalog/materialy/Ekosystemy_morskie.pdf

21. Wykorzystanie systemu obserwacji satelitarnych do oceny termiki wód na Ziemi Koncentracja chlorofil jest to podstawowy parametr, wyznaczany na podstawie analizy stosunku radiacji (luminancji energetycznej) w świetle niebieskim (pasmo absorpcji chlorofilu) do jej wartości w świetle zielonym (w tym zakresie koncentracja chlorofilu nie ma znaczenia dla wielkości sygnału). Koncentracja tzw. substancji żółtych (rozpuszczone w wodzie związki organiczne powstałe na skutek rozkładu materii organicznej) określanych akronimem CDOM (chromophoricdissolvedorganicmatter). Na podstawie analizy widma przede wszystkim w jego krótkofalowej (niebieskiej) części można otrzymać semi-analityczne algorytmy pozwalające na ilościową charakterystykę CDOM w morzu. Znane są też rozwiązania z wykorzystaniem sieci neuronowych. http://www.kosmos.gov.pl/ekatalog/materialy/Ekosystemy_morskie.pdf

22. Wykorzystanie systemu obserwacji satelitarnych do oceny termiki wód na Ziemi Koncentracja zawiesin całkowita masa substancji zawieszonych w wodzie morskiej określana na podstawie wielkości radiacji rozproszonej w wodzie w kierunku czujnika na satelicie. Bardzo słabo zależna od długości fali promieniowania. Parametr ten jest dobrym wskaźnikiem kierunku i zasięgu rozpływu wód lądowych w morzu i ogólnie stopnia zanieczyszczenia wody. Dyfuzyjny współczynnik osłabiania oświetleni wskaźnik właściwości optycznej wody morskiej związanej ze stopniem jej zmętnienia. Jego znajomość umożliwia ocenę skuteczności przenikania światła słonecznego w głąb morza. Najczęściej określany na podstawie wielkości radiacji rejestrowanej w dwóch kanałach spektralnych (np. 490 i 555 nm). http://www.kosmos.gov.pl/ekatalog/materialy/Ekosystemy_morskie.pdf

23. Wykorzystanie systemu obserwacji satelitarnych do oceny termiki wód na Ziemi Zdjęcie wykonane przez satelitę programu MODIS prezentuje bajeczny fitoplantkon w Morzu Barentsa http://www.tvnmeteo.pl/informacje/archiwum/2011-08-22/to-nie-obraz-to-kwitnace-morze,1562,1,0.html

24. Wykorzystanie systemu obserwacji satelitarnych do oceny termiki wód na Ziemi Morze Czarne http://www.bulgaria24.org/foto/78,morze_czarne_z_satelity.htm

25. Wykorzystanie systemu obserwacji satelitarnych do oceny termiki wód na Ziemi Obraz termiczny fragmentu południowego Bałtyku sporządzony na podstawie radiometru AVHRR zarejestrowany z satelity NOAA 7, 7.06.1982 roku o godz. 13:32 czasu uniwersalnego. http://archiwum.wiz.pl/1997/97091900.asp

26. Znaczenie wody dla człowieka Woda to drugi obok tlenu element przyrody warunkujący istnienie życia. Zapewnia ona nie tylko życie ludziom, zwierzętom, czy roślinom, ale także umożliwia ich rozwój. To od niej są zależne wszystkie procesy zarówno w organizmie istot żywych jak i poza nimi. O wadze wody dla życia człowieka przesądza chociażby fakt, że organizm człowieka zawiera jej około 65 %. Poziom ten zależy oczywiście od wieku i płci. Jest niezbędna w podtrzymywaniu wszystkich procesów biologicznych w organizmie człowieka Woda w organizmie człowieka…

27. Znaczenie wody dla człowieka Zasoby wodne na Ziemi są olbrzymie, ale…. ….istnieją rejony gdzie jej brakuje…

28. Znaczenie wody dla człowieka SUSZA W AFRYCE

30. Zad. 1 Do wody o temperaturze 30˚C i masie 1kg wrzucono kostkę lodu o masie 0,5kg i temperaturze -10˚C. Wyznacz temperaturę końcową układu. Odp. Lód nie rozpuści się całkowicie w wodzie, a temperatura końcowa układu ustali się na poziomie 0˚C.

31. Zad. 2 Ile ciepła należy dodać do 5kg wody o temperaturze 100˚C aby zamienić wodę w parę? Odp. Należy dodać do układu 11,28MJ ciepła.

32. Zad. 3 Ile energii cieplnej pobiera 0,5kg lodu o temperaturze 0˚C w czasie topnienia? Odp. Energia cieplna lodu wynosi 167500 J.

33. Zad. 4 Do stopienia pewnej masy lodu o temperaturze 0˚C zużyto 850kJ energii. Ile wynosiła masa lodu? Odp. Masa lodu wynosiła ok. 2,54kg.

34. Zad. 5 Ile kostek lodu o masie 10g każda i temperaturze -7˚C trzeba wrzucić do 0,5l Coca-Coli o temperaturze 25˚C, aby jej temperatura osiągnęła 10˚C? Ciepło właściwe Coca-Coli jest równe ciepłu właściwemu wody i gęstość Coca-Coli jest równa gęstości wody. Odp. Trzeba wrzucić 8 kostek lodu.

35. Zad. 6 Jaką ilość energii cieplnej trzeba dostarczyć wodzie o masie 0,5kg i temperaturze 20˚C aby ją zagotować? Odp. Należy dostarczyć 167600 J energii cieplnej.

36. Zad. 7 Kowal wrzucił gorącą siekierę o masie 0,7kg do wody o temperaturze 20˚C i masie 10kg w celu jej zahartowania. Jaka była temperatura początkowa siekiery, jeśli temperatura wody i siekiery ustaliła się na poziomie 60˚C? Odp. Temperatura początkowa siekiery wynosiła ok. 5393˚C.

37. Zad. 8 Para wodna o temperaturze 100˚C i masie 500g skrapla się i zamienia w wodę o tej samej temperaturze. Ile wynosi ciepło oddane przez parę wodną w procesie skraplania? Odp. Ciepło oddane przez parę wodną wynosi 167500 J.

38. Zad. 9 Wyznacz ilość ciepła potrzebnego do zamiany 2kg lodu o temperaturze -10˚C w parę wodną o temperaturze 100˚C. Odp. Całkowita energia wynosi 6072kJ.

40. Cel: wyznaczenie wartości ciepła właściwego wody. Przyrządy i materiały: czajnik elektryczny termometr woda stoper Doświadczenie nr 1

41. Szczegółowy przebieg działań: Do czajnika wlewamy litr wody, czekamy pół godziny na wyrównanie temperatury wody z temperaturą sali. Stwierdzamy, że temperatura początkowa wody wynosi: T1 = 24°C. Odczytujemy, ile mocy posiada czajnik P = 2000 W. Uruchamiamy czajnik i mierzymy czas potrzebny na zagotowanie wody. Czas t wyniósł 648 s (10:48 min). Następnie przechodzimy do obliczeń. Najpierw wyliczamy pracę prądu elektrycznego z wzoru: Doświadczenie nr 1

42. Nadszedł czas na obliczenie ciepła właściwego. Aby to zrobić, należy przekształcić wzór na ciepło pobrane przez wodę: Przyjmując, że praca prądu elektrycznego bez strat zostaje zamieniona na ciepło pobrane przez wodę (W = Q) obliczamy ciepło właściwe: WNIOSEK: Ciepło właściwe wody wynosi ok. 3713 J/kg*K. Doświadczenie nr 1

43. chłodzenie

44. Woda – chłodziwem do PeCeta CHŁODZENIE WODĄ • System chłodzenia wodnego, niezależnie od miejsca zastosowania składa się zawsze z pięciu podstawowych elementów: • bloków chłodzących - wymienników ciepła, w których przepływająca woda ogrzewa się od elementów, odbierając od nich tym samym ciepło; zwykle mają postać żłobkowanych kształtek lub zestawu cienkich rurek, wykonanych z metali dobrze przewodzących ciepło i posiadających dużą powierzchnię wymiany, przez które cyrkuluje woda, • chłodnicy - która również jest wymiennikiem ciepła, zbudowanym z kształtek lub rurek, w której dochodzi do oddawania ciepła z wody do otoczenia; chłodnice są często zaopatrywane w wentylatory, które zwiększają intensywność wymiany ciepła przez wymuszanie ruchu powietrza, • pompy - która wymusza kontrolowany obieg wody w całym układzie - pompy te miewają różną konstrukcję zależną od zastosowania i potrzebnej wydajności pracy, • zbiornika wyrównującego z zaworami - automatycznie uzupełniającego niedobory wody, które powstają na skutek nieszczelności i parowania, • układu rur - które łączą z sobą pompę, bloki chłodzące, chłodnicę, zbiornik wyrównawczy i ewentualnie elementy dodatkowe takie jak wskaźniki przepływu, ciepła, ciśnienia i temperatury.

45. Woda – chłodziwem do PeCeta Dobrym sposobem chłodzenia komputera jest układ chłodzący cieczą. Układ chłodzenia cieczą odprowadza ciepło wytwarzane przez poszczególne podzespoły komputera do radiatora, który zlokalizowany jest na zewnętrznej ścianie obudowy i przekazuje je do otoczenia. Woda charakteryzuje się o wiele większą pojemnością cieplną niż powietrze, dzięki czemu stosuje się znacznie mniejszą prędkość przepływu w obrębie układu chłodzenia, co przekłada się na cichą pracę. Skuteczność chłodzenia cieczą jest wyższa, niż w systemach chłodzenia powietrzem. Urządzenia chłodnicze tego typu mają zamknięty obieg wymiany ciepła, z tego powodu radiatory wewnątrz obudowy nie ulegają zanieczyszczeniu, zaś wydajność chłodzenia pozostaje niezmienna przez długi czas.

46. Woda – chłodziwem do PeCeta W wodnym chłodzeniu woda pełni funkcje przekaźnika odprowadzającego ciepło. Typowy zestaw wykorzystujący wodę składa się z kilku podstawowych części, mianowicie bloku wodnego, pompy i chłodnicy. Do tego należy dodać parę pomniejszych elementów jak układ rur, zbiornik wyrównawczy (rezerwuar), czy też ewentualne wskaźniki przepływu wody, lub temperatury. Istnieją układy w całości montowane we wnętrzu komputera, jak i takie w których część elementów, należy umieścić na zewnątrz. Typowy zestaw chłodzenia wodnego montowanego w całości wewnątrz komputera.

47. Woda – chłodziwem do PeCeta Woda zostaje ogrzana w bloku wodnym umiejscowionym np. na procesorze, przepływa do chłodnicy gdzie zostaje ostudzona i dzięki pompce krąży w ten sposób w układzie. Do obniżania temperatury wody stosuje się także chłodziarki freonowe (FWC - Freon WaterCooling). Zastosowanie ich pozwala na schłodzenie cieczy w układzie poniżej temperatury otoczenia. Uzyskuje się w ten sposób niezwykle efektywny układ chłodzący, jednak powstaje problem ze skraplaniem się pary wodnej oraz osadzaniem szronu, więc doskonała izolacja układu staje się tu nieodzownym elementem. …a Bartek nadal buduje swój WaterCooling

48. LITERATURA 1. http://www.fizyka.osw.pl 2. http://www.eszkola.pl 3. http://www.iwiedza.net 4. http://www.fizyka.net 5. http://www.portalwiedzy.onet.pl 6. http://science.hq.nasa.gov/missions/satellite_47.htm 7. http://www.bsh.de 8. http://www.csc.noaa.gov/crs/definitions/SST.html 9. http://www.wmo.ch 10. http://or.water.usgs.gov 11. http://www.io-warnemuende.de

49. Projekt „AS KOMPETENCJI”jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach środkówEuropejskiego Funduszu Społecznego Program Operacyjny Kapitał Ludzki 2007-2013CZŁOWIEK – NAJLEPSZA INWESTYCJA