WODA

1. Właściwości optyczne wody Ogólne informacje o wodzie WODA

2. Ogólne informacje o wodzie: • Co to jest woda? • Właściwości wody • Trzy stany skupienia wody • Znaczenie anomalnej rozszerzalności temperaturowej wody • Problem I • Problem II • Obieg wody w przyrodzie • Znaczenie innych właściwości termodynamicznych wody • Problem I • Problem II GŁ. MENU

3. Co to jest woda ? Woda, czyli tlenek wodoru (wg obecnej nomenklatury IUPAC - oksydan) to związek chemiczny o wzorze H2O. Woda jest niezbędna do życia. Woda jest na Ziemi bardzo rozpowszechniona. Występuje głównie w oceanach, które pokrywają 70.8% jej powierzchni, ale także w rzekach, jeziorach i w postaci stałej w lodowcach. Część wody znajduje się pod powierzchnią ziemi lub w atmosferze (chmury, para wodna). W symbolice mitologicznej i religijnej woda jest przeciwstawiana, jako jeden z żywiołów, ogniowi i ziemi. Symbolizuje życie, płodność i czystość (choć bywa także ukazywana jako siła zła, zwłaszcza w przeciwstawieniu wody czystej i brudnej). MENU

4. Właściwości wody • Bezbarwna ciecz, bez smaku i zapachu • Związek chemiczny tlenu i wodoru: 2H2+ O2 --> 2 H2O • Gęstość: 1000 (w temp. +4°C) • Temperatura krzepnięcia: 0°C • Temperatura wrzenia: +100°C • Ciepło krzepnięcia: 335 000 J/kg • Ciepło parowania: 2 258 000 J/kg • Ciepło właściwe: 4 190 J/(kg*K) MENU

5. Trzy stany skupienia wody • Stan stały – lód lub śnieg: Lód lub śnieg występują poniżej 0o C tzw. temp. topnienia. W przyrodzie występują w zimie lub cały czas na obu biegunach. Mają właściwości jak każde ciało stałe tzn. mają określony kształt, trudno zmienić ich objętość. • Stan ciekły – woda: Woda występuje pomiędzy temp.0o C i 100o C. Jest ona najważniejszym składnikiem kuli ziemskiej. Nie ma określonego kształtu nie jest ściśliwa. • Stan gazowy – para wodna: Para występuje w każdej temperaturze. Im większa powierzchnia swobodna tym woda szybciej paruje. Para wodna tworzy się przez parowanie i powyżej 100o C czyli temp. wrzenia oraz przez sublimację czyli zamianę lodu w parę. MENU

6. Anomalna rozszerzalność temperaturowa wody Wszystkie substancje wraz ze wzrostem temperatury zwiększają swą objętość, a wraz ze spadkiem temperatury zmniejszają ją. Z wodą jest nieco inaczej. Zmniejsza swą objętość wraz ze spadkiem temperatury, ale tylko do 40°C. Poniżej tej temperatury woda z powrotem zwiększa swoją objętość. Możemy to zauważyć, jeśli butelkę z wodą wystawimy na noc podczas mrozu. Kiedy rano zabierzemy butelkę, zobaczymy, że powiększyła się. MENU

7. Problem 1 Wyobraźmy sobie następującą sytuacje: Lód ma gęstość większą niż woda, np 2000 kg/m3 , przychodzi zima. Rozważmy co wówczas by się działo. W wyniku ujemnej temperatury otoczenia powierzchnia jezior, mórz i oceanów zamarzałaby, czyli naukowo mówiąc doszłoby do krzepnięcia wody w lód. Powstały lód miałby gęstość większą niż woda. Zastanówmy się co by się wówczas stało. Zgodnie z warunkami pływania ciał: Ciało tonie w cieczy, gdy jego gęstość jest większa od gęstości cieczy. Naszym ciałem jest lód, a cieczą woda. Zatem lód opadłby na dno zbiornika wodnego i na powierzchni zostałaby woda. Jakie to ma znaczenie czy lód tonie w wodzie czy nie? Otóż woda która zostałaby na powierzchni zbiornika [lód opadł na dno] również uległaby procesowi krzepnięcia i cała sytuacja powtórzyłaby się kilkakrotnie. Doprowadziłoby to do zamarznięcia całego zbiornika wodnego. O ile np. pingwiny mogą opuścić wodę i przeżyć na powierzchni lodu, o tyle ryby tego nie mogą uczynić. Zatem gdyby lód miał większą gęstość niż woda, to doprowadziłoby to do wyginięcia wielu organizmów żywych i zachwiania łańcucha pokarmowego!!!! MENU

8. Problem 2 Wyobraźmy sobie taką sytuację: Lód ma gęstość mniejszą niż woda [czyli odpowiednią], natomiast woda jak wszystkie inne ciecze zwiększałaby swoją objętość wraz ze wzrostem temperatury. Gęstość wody wówczas malałaby wraz z wzrostem temperatury. Oznacza to, że na dnie zbiornika temperatura wody byłaby najniższa, a zaraz pod lodem najwyższa. Wiemy, że ciała dążą do wyrównania temperatur. Zatem ciepła woda i lód dążyłyby do tego, aby wyrównać swoje temperatury [do 0°C]. Ta zimna woda opadła by na dno i tak w kółko. Po pewnym czasie w całym zbiorniku wodnym panowałaby niska temperatura wody. Organizmy żywe nie przetrwałby tego!!! Na szczęście woda o temperaturze +4°C ma największą gęstość, więc opada na dno zbiornika wodnego!!! To umożliwia roślinom i rybom przetrwanie mroźnej zimy!!! MENU

9. Obieg wody w przyrodzie MENU

10. Znaczenie innych właściwości termodynamicznych wody MENU

11. Problem 1 Rozważmy znaną nam sytuacje: W lipcu panują bardzo wysokie temperatury, wyższe niż w sierpniu, a jednak to w sierpniu woda jest cieplejsza i chętniej wybieramy się nad morze lub jezioro. Wiemy, że ciepło właściwe wody wynosi: W porównaniu z wieloma innymi substancjami, np. cyna, platyna, złoto czy rtęć, jest to bardzo dużo. Oznacza to, że do ogrzania jednostkowej masy wody o 1 K lub o 1 °C potrzebna jest duża ilość ciepła liczbowo równa iloczynowi ciepła właściwego, masy i przyrostu temperatury. Woda wolniej się ogrzewa i wolniej stygnie niż większość innych substancji. Ma to ogromne znaczenie w klimacie morskim, gdzie występują małe amplitudy temperatur w ciągu roku oraz w ciągu dnia!!! MENU

12. Problem 2 Wyobraźmy sobie następującą sytuację: Wiemy, że ciepło parowania wody wynosi: Wyobraźmy sobie sytuację w której wynosiłoby ono: Wiemy, że woda krąży w przyrodzie. Paruje, skrapla się i spada na ziemie w postaci opadów. Gdyby ciepło parowania wody było bardzo małe, to wówczas woda szybko by parowała, ponieważ dostarczenie małej ilości ciepła zabiera niewiele czasu. Niewiele czasu upłynęłoby również podczas skraplania pary wodnej do wody. Zatem gdyby woda miała małe ciepło parowania [i skraplania], to można by się spodziewać, że na Ziemi prawie cały czas padałby deszcze. Jak to dobrze, że woda powoli paruje i skrapla się. MENU

13. Właściwości optyczne wody: • Tęcza: • Co to jest? • Jak powstaje? • Co to jest załamanie światła? • Co to jest współczynnik załamania? • Doświadczenie: • Opis • Tabela • Analiza błędów pomiaru • Wnioski i spostrzeżenia GŁ. MENU

14. Jest to zjawisko optyczne, łuk na niebie składający się z siedmiu kolorów spektrum ( widma optycznego) w postaci wstęg. Powstaje na skutek załamania się, odbicia i rozszczepienia promieni słonecznych w kroplach deszczu lub mgły. Prędkość światła przy przechodzeniu prze określony ośrodek zależy od długości fali światła, czyli od jego częstotliwości, jest to tzw. zjawisko dyspersji światła. Powstała tęcza, wynika bezpośrednio z różnicy współczynników załamania dla poszczególnych barw składowych. Najmniejszy współczynnik załamania ma barwa czerwona, i dlatego też jej kąta załamania jest najmniejszy. Natomiast najbardziej odchyla się od początkowego kierunku padania barwa fioletowa, gdyż w wyniku dyspersji, współczynnik załamania dla tej barwy jest największy. W ten sposób światło białe ulega rozszczepieniu na jego poszczególne składowe. Pryzmaty są używane w ten sposób do analizy świateł złożonych, a także do wydzielania światła monochromatycznego - jedna barwa o określonej częstotliwości. TĘCZA MENU

15. Jak powstaje tęcza? Tęcza powstaje w wyniku dyspersji (rozszczepienia światła) oraz przez załamanie i odbicie światła przez niemal kuliste krople wody. Dyspersja, refrakcja (załamanie), odbicie i inne efekty rozpraszania światła zależą od różnic w kącie załamania światła o różnej długości fali przy przejściu z powietrza do wody i z wody do powietrza. Najczęściej obserwowana jest tęcza główna, lecz mogą pojawić się także tęcze wtórne i następne. MENU

16. Co to jest załamanie światła. Załamanie różni się zdecydowanie od odbicia, ponieważ w jego wyniku światło zmienia ośrodek w jakim się rozchodzi. Wraz ze zmianą ośrodka dochodzi najczęściej do zmiany kierunku rozchodzenia się światła. Załamanie światła powoduje szereg ciekawych efektów - m.in. złudzenie "złamania" łyżeczki od herbaty umieszczonej w szklance, nieprawidłowej lokalizacji dna jeziora, gdy patrzymy na nie z brzegu. Załamanie światła jest wykorzystywane do budowy soczewek stosowanych w okularach, obiektywach aparatów, lunetach i innych przyrządach optycznych. MENU

17. Co to jest współczynnik załamania światła? Jest to wielkość charakteryzująca zjawisko fizyczna załamania fali elektromagnetycznej, zwykle światła, występujący w prawie Snelliusa. Współczynnik załamania pozwala określić kierunek biegu promieni załamanych. Współczynnik zależy od materiałów, a dla danych materiałów także od długość fali. Dla materiałów dwójłomnych zależy też od kąta padania i polaryzacji światła, określa się wówczas współczynnik dla składowej normalnej i anormalnej. Współczynnik załamania zależy od gęstości ośrodków, im większy współczynnik załamania tym większe zanieczyszczenie wody MENU

18. Doświadczenie! MENU

19. Opis doświadczenia: • Zlewkę wypełnij do połowy wodą. • Zlewkę oklej paskiem papieru, w którym wytnij szczelinę szerokości 2 mm. • Na kartce papieru narysuj okrąg o promieniu równym promieniowi zlewki oraz zaznacz środek okręgu. • Wypełnij zlewkę do połowy wodą i ustaw na kartce papieru. • Szczelinę oświetl lampką tak, aby promienie wpadające przechodziły przez środek podstawy zlewki. • Zaznacz na kartce położenie punktów O i A. • Obróć zlewkę wokół jej pionowej osi tak, aby światło padało na szczelinę pod kątem różnym od zera. • Na przeciwległej ściance szklanki powstał obraz szczeliny złożony z dwóch pasków. Zaznacz na kartce położenie punktów B i C. • Odłóż zlewkę i zmierz długości odcinków AB i AC. Wyniki zanotuj w tabeli. • Wykonaj doświadczenie – dla wody destylowanej, a potem dla wody pobranej z rzeki. • Wykonaj dokumentację fotograficzną doświadczenia. MENU

20. O C B A kąt AOC – kąt padania kąt AOB – kąt załamania kąt OCA = kąt OBA kąty proste (oparte na średnicy okręgu) OA – prosta padania (normalna) O - środek szczeliny n- współczynnik załamania światła Wartość współczynnika załamania światła obliczysz ze wzoru: n MENU

21. MENU

22. Analiza błędów pomiaru: • Niedokładne przyrządy do pomiaru • Oko ludzkie jest złudne – niedokładny odczyt • Różne osoby – rożny kąt patrzenia na robione pomiary • Niewielkie różnice pomiarowe • Przyrządy np. ołówek (grubość rysika) • Błąd w rysunku • Pomyłka w liczeniu MENU

23. Wnioski i spostrzeżenia: • Najbardziej zanieczyszczoną próbką okazała się woda z kranu z Raby Wyżnej górnej– jej załamanie światła jest większe o 0,7 mm od wody destylowanej • Kolejną bardzo zanieczyszczoną próbką jest woda z Kosiczna – jej załamanie światła jest większe o 0,63 mm od wody destylowanej • Woda z kranu z Raby Wyżnej środkowej jest bardziej zanieczyszczona – jej załamanie światła jest większe o 0,6 mm od wody destylowanej • Woda ze strumyka leśnego jest średnio zanieczyszczona– jej załamanie światła jest większe o 0,18 mm od wody destylowanej • Woda z kranu z Rokicin Podhalańskich jest czysta – jej załamanie światła jest większe o 0,017 mm od wody destylowanej, co mieści się w granicach niepewności pomiaru • Zanieczyszczenia w wodzie zawarte mogą pochodzić nie tylko od związków chemicznych szkodliwych. Woda zawiera mikroorganizmy, glony, co zwiększa jej gęstość, a co za tym idzie współczynnik załamania się zmienia. Woda ze studni głębinowej zawiera natomiast dużo pierwiastków mineralnych, takich jak Ca, Mg. Dlatego próbka wody ze studni głębinowej wykazuje tak duże odstępstwa od współczynnika załamania wody w wodzie destylowanej. MENU

24. Źródła danych: www.gim1.rabawyzna.pl www.sciaga.pl www.woda.ovh.org www.foto.otwarty.pl www.bryk.pl www.optyczne.pl Oraz wyników opracowanych na zajęciach „Niezbadana moc kropli wody” realizowanych w ramach projektu „Niezbadana tajemnica kropli wody” Opracowała Monika Szewczyk