ćwiczenia 2 - Augustowscy

advertisement
Woda
Obieg wody w przyrodzie
Pochodzenie wody
• Podczas formowania Ziemi, przed 5 miliardami lat,
panowała atmosfera gazowa oraz wysokie
temperatury. Z połączenia dwóch pierwiastków –
wodoru i tlenu – utworzyła się para wodna. Niskie
temperatury w zewnętrznych warstwach atmosfery
powodowały skraplanie pary, a w rezultacie opady
chłodzące powierzchnię stygnącej skorupy ziemskiej.
Padające deszcze wypełniały zagłębienia terenu, aż
pokryły ¾ powierzchni Ziemi, tworząc praocean
• Tlen był w naszej atmosferze … skąd zatem wodór ?
• Dotarł do Ziemi razem z wiatrem słonecznym.
• Jest to hipoteza solarna
• Hipoteza geochemiczna
• Opiera się na fakcie obecności wody w magmie.
• Szacuje się, że może jej być do 8% (często podaje
się, że jest jej między 1 a 8%).
• Para wodna w gorącej magmie w temperaturze
poniżej wartości krytycznej (+374,65°C) ulega
skropleniu, tworzy roztwory hydrotermalne, krążące
systemem spękań skalnych.
• W trakcie aktywności wulkanicznej woda zostaje
uwolniona do atmosfery lub / oraz hydrosfery.
• Wody, które powstały z krzepnięcia magmy,
nazywamy wodami juwenilnymi.
Znaczenie kulturowe
• Kultura europejska
• Cztery żywioły: powietrze,
woda, ogień, ziemia
• Tradycja chińska
• Pięć żywiołów: woda, ogień,
metal, drewno, ziemia
• Tradycja japońska:
• Pięć żywiołów: woda, ogień,
powietrze, ziemia, piorun
• Tradycja celtycka
• Trzy żywioły: ziemia, ogień, sztorm
• Mitologia grecka
http://www.rycerze.pun.pl/
http://kuferek.blox.pl
http://www.goldenline.pl
http://www.zywioly.filmy.szczecin.pl/
http://all-about-fantasy.blogspot.com
http://herbo.pl/tag/lete
Rodzaje wody
powierzchniowa
gruntowa
adhezyjna
podskórna opadowa
wodociągowa
pitna
błonkowata
UŻYTKOWA
SUROWA
głębinowa
źródlana
przemysłowa
słona
słodka
WODA
ŚCIEKI
destylowana
Bajkiewicz-Grabowska E., Mikulski Z., 2005, Hydrologia ogólna, s.28
Woda kapilarna (włoskowata)
• Jest to woda, która przemieszcza się w
próżniach skalnych.
• Jej występowanie w porach i szczelinach jest
wywołane napięciem powierzchniowym wody i
przyleganiem do powierzchni skalnych
• Przyleganie zachodzi dzięki występowaniu sił
międzycząsteczkowych
• Wysokość wzniosu jest uzależniona od średnicy
porów i szczelin, w których znajduje się woda
• Im granulometryczność gruntu jest mniejsza tym
wysokość podniesienia jest większa
Skutki działania podsiąkania kapilarnego
• Podnoszenie terenu (np. pagórki mrozowe, palsa)
http://ougseurope.org
• Tworzenie się gleb strukturalnych i poligonalnych
Bilans wodny globu ziemskiego
Bajkiewicz-Grabowska E., Mikulski Z., 2005, Hydrologia ogólna, s.20
Podstawowe zadania
• Zmierzona na mapie w skali 1:25000 długość rzeki
wynosi 50 cm. Ujście znajduje się na wysokości 650 m
n.p.m. Wiedząc, że spadek wyrównany rzeki wynosi
10‰ oblicz wysokość n.p.m. źródła.
• 1:25000
• 1 cm : 25 000 cm
• 1 cm : 250 m
• 50 cm x 250 m = 12500 m = 12,5 km
• 100 m – 10‰ (1%)
• 1000 m =
1km – 10 m
• 12500 m =
12,5 km – x
• X = 125 m
• 650 m + 125 m = 775 m (n.p.m.)
• Oblicz średni opad [mm] i objetość opadu [m3]
wiedząc, że między izohietami 500 i 600 mm znajduje
się 16 km2, między izohietami 600 i 700 mm – 64 km2,
a między izohietami 700 i 800 mm – 40 km2.
• Część I – średni opad
• Między izohietami 500 i 600 można przyjąć że średni
opad wynosi 550 m
wielkość opadu w
obrębie
poszczególnych izohiet
procent
śr. opad pow. [km2] pow.
550
16
0,13
73,3
650
64
0,53
346,67
750
40
0,33
250
suma
pow.
120
Suma = 670 mm
• Część II – Objętość opadu
Śr. opad
[m]
Objętość
[m3]
śr. opad
pow. [km2]
550
16
16000000
0,55
8800000
650
64
64000000
0,65
41600000
750
40
40000000
0,75
30000000
suma
pow.
120
pow. [m2]
80 400 000 m3
http://www.unep.org
Jak przeciwdziałać niedoborowi wody ?
http://www.architekt.bedzin.pl
DIME Hydrophobic Materials z ZEA oraz
Helmut Schulze z Niemiec
• Opracowali hydrofobowy piasek
• 10-cio centymetrową warstwę piasku należy
umieścić pod warstwą gleby
• Piasek hydrofobowy działa jak folia,
uniemożliwiając przesiąkanie wody w głąb
gruntu
• Zdaniem autorów rolnicy muszą podlewać pola
5-6 razy dziennie. Dzięki piaskowi można
ograniczyć podlewanie do 1 razu na dzień
• Skład substancji nie jest znany, jednak uzyskał
certyfikat bezpieczeństwa ekologicznego
niemieckiej Federalnej Agencji Ochrony
Środowiska
Zamiana wody słonej na słodką
• Obecnie w Instytucie Technologii w
Massachusetts trwają prace nad ukończeniem
budowy takiego urządzenia
• W pewnych określonych warunkach fizycznych i
chemicznych, w wyniku działania pola
elektrycznego cząstki (wśród których jest sól i
organizmy) ulegają odseparowaniu
• Pod wpływem działania prądu elektrycznego
wynaleźli sposób na zamianę wody słonej w
słodką
• Urządzenie działa, lecz wymaga jeszcze wielu
poprawek technicznych. Na dzień dzisiejszy
nowa technologia nie może być wykorzystana.
GE Water & Process Technologies
• Obecnie na świecie jest blisko 2000 zakładów otrzymujących
wodę pitną z wody morskiej
• Największa ich liczba jest na Bliskim Wschodzie (około 1700
zakładów)
• Wodę pitną uzyskuje się
na dwa sposoby
• Wielostopniowa
destylacja rzutowa
• Chłodna woda przepływa
przez kolumny destylacyjne
w których się ogrzewa
• Dopływa do grzejnika,
gdzie jest przegrzewana
pod dużym ciśnieniem
• Następnie przepływa dalej – do kolumny – w której panuje
niższe ciśnienie. Zaczyna wrzeć
• Para w górnej części kolumny (na chłodnicy) skrapla się i trafia
do odbieralnika
• Woda przepływa do kolejnej kolumny ciśnienia dalej spada i
proces się powtarza, aż woda przejdzie przez wszystkie
kolumny
• Wymaga dostarczenia bardzo dużej ilości energii
• Odwrotna osmoza
• Słona woda pod dużym ciśnieniem jest wtłaczana do rury
wyścielonej specjalną błoną
• Błona ta przepuszcza cząsteczki wody, jednak zatrzymuje
cząsteczki soli
• Woda bez soli zbiera się przy ścianie rury, skąd jest
przetłaczana do innego zbiornika.
• Często błona się zatyka i trzeba ją wymieniać przez co jest
bardzo kosztowna
• Dziennie na świecie odsala się najprawdopodobniej ok. 29 mld
litrów wody
Fale w przyrodzie - dźwięk
Fala
Sławomir Jemielity, http://skarga.edu.pl
• Fala porusza się do
przodu. Co dzieje się
z cząsteczkami ?
• Nie poruszają się
razem z falą.
Wykonują drganie i
pozostają na swoich
miejscach
• Ruch falowy nie
powoduje transportu
materii
• Powoduje zatem jakiś
inny ruch ?
• Np. gdy położymy
korek na wodzie. Co
się stanie ?
• Dopóki fala nie dotrze do korka będzie on w
bezruchu.
• Przechodząca fala powoduje drgania korka,
uzyskuje on energię kinetyczną, którą przyniosła
ze sobą fala i zaczyna się przemieszczać razem
z falą
• A – amplituda fali – maksymalne wychylenie od poziomu 0
• T – okres fali – czas na wykonanie jednego pełnego drgania
• ƒ – częstotliwość – liczba drgań fali wykonanych w ciągu
jednostki czasu (np. 1 sek)
• Wynika z tego, że częstotliwość to odwrotność okresu.
Mierzymy ją w hercach czyli odwrotnościach sekundy
• ƒ=1/T
• Jeśli okres drgań wynosi 0,1 sek. to częstotliwość wynosi 10 Hz
(czyli dziesięć drgań przypada na 1 sekundę)
• Każda fala porusza się z jakąś prędkością (V)
• λ – długość fali – odległość między sąsiednimi
grzbietami (lub dolinkami)
• Prędkość rozchodzenia się fali to droga / czas
• V=s/t
• Jaką drogę przebędzie fala po upływie jednego
okresu ?
• Fala przemieści się o jedną swoją długość
• V=λ/t
• Częstotliwość to ƒ
• ƒ=1/T
• V = λƒ
• Co się dzieje gdy nakładają się dwie fale o
jednakowej długości ?
• W miejscach spotkania
grzbietu z grzbietem
(lub dolina z doliną)
zachodzi
wzmocnienie fal
• Tam gdzie grzbiet
spotyka się z doliną następuje wygaszenie fal
• Zjawisko nakładania się fal to INTERFERENCJA
http://www.fizykakl2.yoyo.pl
http://www.fizykakl2.yoyo.pl
• Aby mogło dojść do maksymalnego
wzmocnienia fal musi wystąpić korelacja
ich faz (spójność faz)
• Spójność amplitudy
• Spójność częstotliwości
Rodzaje fal w przyrodzie
• Fale mechaniczne w skorupie ziemskiej, związane z
jej ruchami tektonicznymi - fale sejsmiczne. Pozwalają
przewidywać trzęsienia ziemi oraz wybuchy
wulkanów.
• Fale morskie i oceaniczne, powodowane przez wiatr i
zmiany ciśnienia mające miejsce nad zbiornikami
wodnymi oraz przez ruchy pływowe
• Promieniowanie Słońca, obejmujące głównie światło
widzialne, ultrafiolet, podczerwień i fale radiowe
• Promieniowanie kosmiczne, promieniowanie
elektromagnetyczne radioźródeł, gwiazd, pulsarów i
inne źródła kosmiczne.
• Fale dźwiękowe powstałe na skutek falowania wód,
wodospadów, uderzeń piorunów, trąb powietrznych;
odgłosy zwierząt i ludzka mowa.
Ultradźwięki
• Fale o częstotliwościach wyższych od 20kHz a mniejszych od
10GHz
• Zastosowanie ultradźwięków
• Telekomunikacja podwodna
• Do określenia odległości obiektów pływających od powierzchni,
głębokości i struktury dna morskiego, miejsca występowania
ławic ryb czy wraków statków
• Do badan mikrostruktury ciał stałych (dla określenia czy
zachodzą w nich zmiany pod wpływem np. obciążeń
mechanicznych, obróbki i działania temperatury)
• Wykrywanie wad opiera się na odbiciu fali na pęknięciach,
rozdwojeniach, jamach osadowych, rysach i pęcherzykach
powietrza, znajdujących się wewnątrz danego materiału
• Odbicie fali ultradźwiękowej następuje na skutek zmiany
współczynnika pochłaniania i akustycznych oporności falowych,
które są powodem ugięcia, odbicia i załamania fali. Do badań
mikrostruktury materiałów wykorzystuje się urządzenia zwane
defektoskopami ultradźwiękowymi
• Piszczałki i gwizdki ultradźwiękowe
• Ultrasonograf w medycynie (odbijanie ultradźwięków od tkanki,
kości czy mięśni zdrowych i chorych)
• Znalazły zastosowanie w terapii ultradźwiękowej, które
obejmuje działanie pobudzające krążenie, przeciwzapalne,
znieczulające i rozkurczowe. Działanie fali ultradźwiękowej na
tkanki ludzkie powoduje zmianę napięcia mechanicznego
tkanek na skutek ruchu drgającego (tzw. mikromasaże) oraz jej
ogrzanie wywołane pochłanianiem energii fali.
• Za pomocą ultradźwięków można leczyć: mięśniobóle,
stłuczenia i skręcenia, zapalenie stawów, odmrożenia i wiele
innych schorzeń. Za każdym razem bardzo ważne jest
określenie dawki fizycznej (pochłoniętej) dla danego
schorzenia. W związku z trudnościami z tym związanymi
terapeutyczne zastosowanie ultradźwięków jest ograniczone.
• W metalurgii - Wpływ ultradźwięków na właściwości
krzepnącego szkła i metali ma na celu odgazowanie
tworzącego się stopu, rozdrabnianie ziaren oraz tworzenie
stopów związków, które nie mieszają się w normalnych
warunkach. Ultradźwięki stosowane w procesie magnesowania
materiałów ferromagnetycznych powodują jego utrwalanie i
zmniejszanie pozostałości magnetycznej. Przyspieszają
również proces azotowania powierzchni podczas hartowania
stali. Za pomocą ultradźwięków można usuwać różnego
rodzaju zanieczyszczenia z małych elementów stosowanych w
przemyśle optycznym i precyzyjnym.
• Metoda erozji ultradźwiękowej opiera się na oddziaływaniu
drgań ultradźwiękowych z ośrodkiem erozyjnym, który działając
na obrabiany materiał powoduje odrywanie się od niego
maleńkich cząsteczek. Dzięki temu erozja ultradźwiękowa
umożliwia żłobienie zagłębień i wykonywanie otworów oraz
wycinanie dowolnych kształtów i profilów w takich materiałach
jak szkło, węglik wolframu i węglik tytanu
• W przemyśle spożywczym – ich zastosowanie sprowadza się
do uszlachetnienia artykułów spożywczych oraz upraszczania i
skracania procesów produkcyjnych. Należą do nich m.in.
ekstrakcja chmielu (do produkcji piwa) i kawy, sztuczne
starzenie win i likierów. Ultradźwięki umożliwiają skrócenie
czasu obróbki masy czekoladowej i kakaowej przy zachowaniu
aromatu, dzięki przyspieszeniu procesów utleniania i
depolimeryzacji. Oddziaływanie ultradźwięków na mleko
umożliwia jego sterylizację na zimno przy równoczesnej
homogenizacji.
• W przemyśle tekstylnym i papierniczym, wykorzystując fakt, że
za pomocą ultradźwięków można rozpylać ciecze, stosuje się
przetworniki ultradźwiękowe do suszenia taśmy papierowej i
farby drukarskiej. Fale ultradźwiękowe wykorzystujemy również
przy produkcji farb i lakierów, farbowaniu włókien tekstylnych
oraz praniu silnie zabrudzonych wysokogatunkowych tkanin
• W przemyśle chemicznych – do przyśpieszenia reakcji
chemicznych. Na skutek podwyższenia energii ruchu
cząsteczek, pod wpływem fal ultradźwiękowych występuje
zmiana międzycząsteczkowych sił wiążących oraz
podwyższona wymiana elektronów dla wielu reakcji
chemicznych. W związku z tym zaobserwowano przyspieszenie
reakcji utleniania, redukcji i kondensacji oraz polimeryzacji i
depolimeryzacji.
• W biologii i farmacji
Bakterie i wirusy poddane działaniu ultradźwięków o małym
natężeniu są pobudzane do rozmnażania. Przy dużych
natężeniach fali ultradźwiękowej następuje niszczenie
organizmów. W ten sposób, dobierając doświadczalnie
natężenie fali ultradźwiękowej udało się zniszczyć pałeczki duru
brzusznego, stofilokoki, streptokoki itp. oraz wirusy wścieklizny.
Przyczyną zniszczenia jest nie tylko fizyczne działanie
ultradźwięków (kawitacja), lecz również działanie chemiczne, tj.
depolimeryzacja łańcuchów białkowych.
• Przy nadźwiękowieniu nasion i roślin kiełkujących,
ultradźwiękami o małym i średnim natężeniu, w większości
przypadków zaobserwowano przyśpieszenie kiełkowania i
wzrostu. Oprócz tych zastosowań istnieje również możliwość
zabijania szkodliwych dla nasion grzybków pleśni i drożdży. W
przemyśle farmaceutycznym bakteriobójcze działanie
ultradźwięków znalazło zastosowanie do sterylizacji środków
farmaceutycznych. Dyspergujące działanie ultradźwięków
umożliwia tworzenie trwałych emulsji i kruszenia kryształów
różnych związków (np. penicyliny).
• W energetyce ultradźwięki stosujemy do nadźwiękowienia
wody w kotle energetycznym, co zapobiega tworzeniu się
kamienia kotłowego. Istniejące warstwy kamienia zostają
rozluźnione i rozbite, a strącone wapno może być usunięte
przez płukanie. Szeroko prowadzone badania wykazały, że
okresowo stosowane impulsy fal ultradźwiękowych o dobranych
odpowiednio częstościach skutecznie chronią kocioł przed
powstawaniem kamienia kotłowego.
Zadania
• Na jeziorze rozchodzi się fala z szybkością 3
m/s. Korek pływający po powierzchni jeziora
wykonuje jedno pełne drganie w czasie 2
sekund. Oblicz długość tej fali
• V = 3 m/s
• T=2s
• λ=?
• V=λ/T
• λ=VxT
• λ = 3 m/s x 2 s = 6 m
• Stojąca w wodzie łódka wykonuje drgania o
okresie T = 4s. Jaka jest szybkość rozchodzenia
się fal na wodzie, jeżeli odległość między
sąsiednimi grzbietami fal wynosi 8 m
• V=λ/T
• V=8m/4s
• V = 2 m/s
Obliczanie nakładania się fal
• W ośrodku liniowym, rozchodzące się z kilku źródeł
zaburzenia spotykają się w punkcie P
• Przy założeniu, że fale są spójne, mają zgodne fazy,
zaburzenie P opisywane jest przez wzór:
Download