СЕКЦИЯ 3. ХИМИЯ Комова Анастасия, 11 кл. БОУ г. Омск

СЕКЦИЯ 3. ХИМИЯ
Комова Анастасия, 11 кл. БОУ г. Омск «Гимназия № 117»
Руководители: Ресян Н. С., учитель биологии;
Царева И. Д. учитель химии БОУ г. Омск «Гимназия № 117»
ВОЗДЕЙСТВИЕ АЗС (АВТОЗАПРАВОЧНЫХ СТАНЦИЙ)
И КАЧЕСТВА ТОПЛИВА НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
Актуальность темы
В современных городах, где число автотранспорта с каждым годом только увеличивается, особо остро стоит проблема влияние автопарка на окружающую среду и население города. В связи с этим, я считаю свой научный проект
довольно актуальным. С ростом парка автомобилей, в городах необходимо развитие инфраструктуры сервисного обслуживания автотранспорта (АЗС, станции технического обслуживания, автомойки, гаражи, стоянки и т.д.).
Актуальной экологической проблемой является воздействие АЗС на почвогрунты и грунтовые воды, на воздух вокруг станции и прилегающей территории.
Загрязняющие вещества могут поступать в геологическую среду:
- в результате утечек из резервуаров, арматуры, трубопроводов;
- от проливов топлива во время заправки автомобилей;
- закачки резервуаров.
Загрязненная почва может стать источником поступления токсикантов в
организм человека по трофическим цепям:
почва - растения - продукты питания;
почва - грунтовые воды – человек;
почва - атмосферный воздух – человек;
что увеличивает риск возникновения экологически обусловленных заболеваний.
В то время как 230 имеющихся в наличии омских АЗС ежегодно выбрасывают в атмосферный воздух около 1 тыс. тонн нефтепродуктов: день - заправка автомобилей, ночь - заправка самой заправки, и бензиновое облако висит круглосуточно.
Проливы и утечки нефтепродуктов в процессе эксплуатации автомобильных заправочных станций являются значительным фактором загрязнения воздуха, почвы, водоемов. Доля АЗС в общей эмиссии загрязнения атмосферного
воздуха крупных городов составляет 8-10%.
356
Цель исследования:
Оценить воздействие АЗС (автозаправочных станций) и качество топлива
на окружающую среду и на человека.
Задачи исследования:
1. Изучить процессы загрязнения окружающей среды в зоне влияния автозаправочных станций.
2. Провести экспериментальные исследования по оценке уровня загрязнения почв в районах расположения АЗС с обоснованием методики исследований.
3. Провести исследование топлива и оценить зависимость его качества и
влияние на окружающую среду.
4. Исследование воздушной среды вокруг АЗС.
5. Разработать пути решения данной проблемы.
Теоретическая часть проекта.
1. Мировой уровень автомобилизации
В мире насчитывается около 600 млн автомобилей. Лидером по автомобилизации являются США, где на 1000 человек приходится 590 автомобилей.
В России за последние 5 лет парк автомобилей увеличился на 29%, и их
среднее количество на 1000 россиян достигло 80 (в крупных городах — свыше
200). Если сложившиеся тенденции автомобилизации городов сохранятся, это
может привести к резкому ухудшению состояния окружающей среды.
В Омске уровень автомобилизации выше, чем в среднем по стране.
В 2002 г. число легковых автомобилей составило 160 на тыс. жителей грузовых
26. Резкий рост грузовой автомобилизации в 2002 г. связан с приобретением в
личное пользование транспорта малой грузоподъемности. В связи с недостаточной дифференциацией транспортной сети города на главных магистралях
города преобладает смешанное движение, что снижает ее эффективность и
ухудшает состояние среды.
На данный момент в Омске находится около 230, а в России 22 289 станции АЗС, обслуживающих данный транспорт.
2. Воздействие качества топлива на окружающую среду
2.1 Общие сведения о бензине
Бензи́н — горючая смесь лёгких углеводородов с температурой кипения
от 33 до 205 °C (в зависимости от примесей).
Состав бензина зависит от состава нефти, из которой его получают.
Основными элементами нефти являются: углерод (82-87%); водород (1115%) и остальные элементы (кислород, азот, сера) (не более 10%). Составляющие нефть углеводороды принадлежат к различным рядам и отличаются друг
от друга по составу и строению. Природные нефти и продукты их перегонкибензины содержат парафиновые (метановые), циклические (насыщенные) и
357
ароматические углеводороды. По характеру преобладания той или иной группы
углеводородов нефти подразделяются на метановые, нафтеновые (циклические), ароматические. Возможны и смежные классы нефти.
Так как бензины, используемые на наших АЗС, получены из сибирских
нефтей, которые относятся к виду метановых, то я более подробно рассмотрю
их состав.
Метановые нефти содержат значительное количество растворенных газообразных углеводородов (С3 - С5) и достаточно высокое содержание соединений серы. Наряду с газообразными и жидкими углеводородами эти нефти содержат высококипящие (~ 300*С) вещества, которые в обычных условиях бывают твердыми (парафин, церезин, озокерит).
3. Воздействие бензина на компоненты жизни и здоровье человека.
3.1 Основные загрязнители планеты Земля
Европейский и социальный Совет при ООН выделил шесть основных загрязнителей, которые служат критериями для определения качества воздуха:
- оксид серы(IV);
- твердые частицы (сажа, пыль и т.д.);
- оксид углерода(II);
- окислители, образующиеся под действием солнечного света из автомобильных выхлопных газов и компонентов, входящих в состав атмосферы;
- оксиды азота;
- свинец.
В большинстве стран мира многие загрязнители образуются в результате
деятельности промышленности по переработке нефти или систем обогрева
нефтепродуктов. Около 60% от их общего числа приходится на автомобильный
транспорт. Эти шесть загрязнителей характеризуются как первичные, которые
под действием водяных паров, кислорода, света и других примесей образуют
вторичные загрязнители, такие как сульфаты, нитраты и органические соединения. Совместное присутствие в воздухе первичных и вторичных загрязнителей
создает так называемый смог. Первичные и вторичные загрязнители оказывают
действие не только на природу, но и на человека. Загрязнители в своем большинстве канцерогенны. Итак, одна из первопричин загрязнения воздушной среды – последствия использования нефтепродуктов и нефти.
3.2 Влияние бензина на живых существ.
Как мы рассмотрели ранее, вредные вещества могут попасть в организм
человека по трофическим цепям. Одной из них является попадание в организм
человека через почву. В почве возможно превращение нефти в более токсичные
соединения, которые могут в ней адсорбироваться и накапливаться. Что становится источником заболевания человека.
358
Нефтяное загрязнение почв изменяет свойства почв, очистка от нефти
очень сильно затруднена. Нефть попадает в почву при разведке и добыче нефти, при авариях на нефтепроводах, при авариях речных и морских нефтеналивных судов, утечках нефтепродуктов на нефтебазах, АЗС. Нефть обволакивает
почвенные частицы, почва не смачивается водой, частицы ее слипаются, гибнет
микрофлора, растения не получают должного питания. Нефть переходит в более окисленное состояние, затвердевает, и при высоких уровнях загрязнения
почва напоминает асфальтоподобную массу.
Меры борьбы при малых уровнях загрязнения: внесение удобрений,
стимулирующих развитие микрофлоры и растений, что способствует частичной
минерализации нефти. При крупных авариях нефть с почвенного покрова удаляется механическим способом.
Вторым возможным путем попадания нефтепродуктов в организм человека-это воздух. Острые отравления парами нефти вызывают повышение возбудимости центральной нервной системы, снижение кровяного давления и обоняния. Нефть содержит легколетучие вещества, вызывающие повышенную заболеваемость органов дыхания, функциональные изменения со стороны центральной нервной системы.
Нефть является природным жидким токсичным продуктом. Контакт с
нефтью вызывает сухость кожи, пигментацию или стойкую эритему, приводит
к образованию угрей, бородавок на открытых частях тела.
Практическая часть проекта
4. Технический анализ моторного топлива
4.1 Качественное определение серы в моторном топливе
В нефтепродуктах наряду с органическими соединениями серы могут
присутствовать сероводород, получающийся при термической обработке нефти,
и свободная сера. Соединения этого элемента обладают высокой корродирующей способностью, особенно при повышенных температурах. Наличие серы в
моторном топливе приводит к коррозионному разрушению карбюраторной
(инжекторной) и топливоподающей систем двигателей внутреннего сгорания.
Большую опасность для окружающей среды представляют газовые выбросы автомобилей, работающих на моторном топливе низкого качества. При
сгорании бензинов, содержащих серу, образуется сернистый газ, который служит причиной возникновения дождей, содержащих серную кислоту, сульфиты
и сульфаты аммония
(кислотных дождей).
Проба на медную пластинку.
Оборудование: медная пластинка длиной 40 мм, шириной 10 мм и толщиной 2 мм, шлифовальная шкурка, пробирка (20 мл) с корковой пробкой, водяная баня.
359
Реактивы: этанол, ацетон.
Методика выполнения: Зачистить медную пластинку шлифовальной
шкуркой, промыть этанолом, высушить и опустить в стеклянную пробирку, заполненную анализируемым бензином до высоты 60 мм. Пробирку плотно закрыть корковой пробкой и поместить в водяную баню, нагретую до 50*С (температура, наиболее соответствующая условиям применения бензина).
Через 3 часа извлечь пластинку, промыть ацетоном и внимательно рассмотреть. Если она покрылась налетом любого цвета или пятнами, топливо
считается некачественным. Каждый образец анализируют не менее двух раз.
4.2 Качественное определение воды в нефтепродуктах
Для определения влаги в бензинах использовалась проба Клиффорда.
Оборудование: делительная воронка.
Реактивы: перманганат калия (порошок), исследуемые образцы бензинов марки АИ-80 , АИ-92, АИ -96
Методика выполнения: 2-3 мл бензина встряхнуть в делительной воронке с порошком перманганата калия. При наличии в анализируемом веществе
влаги появляется быстро исчезающее слабо-розовое окрашивание.
4.3 Сравнение результатов технического анализа бензинов АИ-92 ,
АИ-95, АИ- 98 с ГОСТами
1 и 2 серии проб образцов бензинов (летних) - сентябрь, октябрь
Свойства
топлива
Бензин
АИ-92
исслед.
АИ-92
ГОСТ
2084-77
Бензин
АИ-95
исслед.
АИ-95
ГОСТ
2084-77
Бензин
АИ- 98
исслед.
АИ-98
ГОСТ
2084-77
Октановое
число
Содержание серы,
%
-
> 92
-
> 95
-
>98
в пределах
нормы
< 0,05
в пределах
нормы
< 0,05
в пределах
нормы
<0.05
3 серия проб образцов моторного топлива (зимнего) - декабрь
Свойства
топлива
АИ-92
исслед.
Содержание серы,
%
-
АИ-92
ГОСТ
2084-56
< 0,05
АИ-95
исслед.
в пределах
нормы
АИ-95
ГОСТ
2084-56
< 0,05
АИ-98
исслед.
в пределах
нормы
АИ-98
ГОСТ
2084-56
-
5. Определение качества воздуха на территории АЗС.
5.1 Микробиологическое исследование воздуха на АЗС
Приборы и материалы: микроскоп, покровные и предметные стекла,
бактериологические петли и пипетки, лупа, мерные стаканы (50, 100 мл), чашки
360
Петри, термостат, секундомер, фильтровальная бумага, лакмусовая бумага, батистовая салфетка, метиленовая синь, осиновый фуксин, иммерсионное масло,
бензин, агар-агар, бульонный кубик (куриный), вода.
Реактивы: карбонат натрия
Места проведения экспериментов: АЗС Топ Лайн, АЗС Газпромнефть,
АЗС Лукойл
Методика выполнения: Культивирование (выращивание) микробов, в
частности бактерий, проводится на питательных средах. На каждом АЗС я открывала чашку, оставляя ее в открытом положении на 10 минут. После этого я
плотно закрывала чашки и оставляла на сутки. На следующий день в чашках
Петри появились многочисленные пятнышки белого цвета.
Для расчета микробного числа воздуха я использовала следующую формулу, основанную на правиле Омелянского ( на поверхность 100см2 питательной среды в течении пяти минут оседает столько микроорганизмов, сколько их
содержится в 10л воздуха):
где Х – количество микробов в 1м3 воздуха; a – количество колоний в чашке;
t – время экспозиции, мин; 5 – время экспозиции, мин; 10 – объем воздуха, из
которого происходит оседание за 5 мин, л; 100 – площадь, на которую происходит оседание, см2; 1000 – искомый объем воздуха, л; s – площадь чашки, s = ×
(d/2) 2 , см2, где d – это диаметр чашки Петри, см.
Вывод: Данный метод показал, что воздух на территории АЗС сильно загрязнен парами нефти и выхлопных газов от автомобилей. Такая экологическая
ситуация запрещает человеку долго находиться на территории АЗС, так как это
может привести к заболеваниям дыхательной системы.
6. Состояние почвы на территории АЗС
Аварийные разливы нефти вызывают сильные и частично необратимые
повреждения природных комплексов. При дозах нефти 250 мг/кг почвы снижалась всхожесть контрольных семян примерно на 50 %, а при дозах 400 мг/кг полностью подавлялась. Легкие фракции нефти (бензиновая и дизельная) еще
более фитотоксичны: снижение всхожести контрольных семян на 50 % происходило при дозах нефти 150 и 90 мг/кг. Тяжелые фракции нефти (моторное
масло и гудрон) не оказывали фитотоксичного действия на тест-растения даже
при очень высоких дозах.
Загрязнение почвы нефтью приводило к необратимым изменениям микробиологических свойств почвы. При дозах до 300 мг/кг почва становилась основным трофическим субстратом для углеводород окисляющих микроорганиз361
мов. Другие виды микроорганизмов, растения и животные находились в угнетенном состоянии. Превышение этой дозы практически полностью подавляло
биологическую активность почвы.
6.1 Анализ почвы на прилежащей к АЗС территории
Применение биоэкологического принципа в оценке качества окружающей
среды предполагает установление связей между нагрузкой, изменениями природы и социально-экономическими последствиями. Следует установить границы между нормальными (фоновыми), критическими (или субкритическими) и
катастрофическими состояниями.
На современных АЗС, имеющих герметичное оборудование, вероятность
подземных утечек топлива минимизирована, однако количество проливов у топливораздаточных колонок и на площадке слива топлива остается высоким (до
100 г на 1т бензина и 50 г на 1 т диз. топлива). От проливов, движения автотранспорта и атмосферных выпадений фиксируется высокое загрязнение поверхностного стока. На ряде АЗС в г. Омске, поверхностный сток содержит:
нефтепродуктов - от 1,2 до 28,7 мг/л (ПДК - 0,05 мг/л), хлоридов -до 109мг/л,
сульфатов - до 17мг/л, свинца- до 0,005мг/л, меди - до 0,05мг/л, цинка - до
0,08мг/л.
Влияние загрязненного поверхностного стока на геологическую среду
особенно интенсивно, если отсутствует ливневая канализация и очистка стока.
В настоящее время не все АЗС имеют закрытые системы водоотведения и очистные сооружения. Но даже в тех случаях, когда такие системы имеются, с не
замощенных поверхностей, газонов и через трещины в дорожных покрытиях,
часть загрязненного стока попадет в почвогрунты (от 10 до 30% объема).
7.Пути решения проблем
7.1 Пути экологизации городского транспорта
Городской транспорт составляет большую часть автомобилей в Омске.
Автобусы, маршрутные такси круглосуточно курсируют по маршрутам и производят огромное количество выхлопных газов в день. Следовательно, экологизацию нужно начинать именно с городского транспорта.
Снижение отрицательного влияния автомобиля на окружающую среду —
важная задача городской экологии. Самый радикальный способ решения вопроса — сокращение количества автомобилей и замена их велосипедами, однако, как отмечалось, оно продолжает увеличиваться во всем мире. И потому пока наиболее реальной мерой уменьшение вреда от автомобиля является снижение затрат горючего путем совершенствования двигателей внутреннего сгорания. Ведутся работы по созданию двигателей автомобиля из керамики, что позволит повысить температуру сжигания горючего и уменьшить количество выхлопных газов. В Японии и ФРГ уже используются автомобили, оборудованные
362
специальными электронными устройствами, обеспечивающими более полное
сжигание топлива. В конечном итоге все это позволит снизить расход горючего
на 100 км пути примерно в 2 раза.
Экологизируется горючее: используются бензин без свинцовых добавок
и специальные добавки-катализаторы к жидкому топливу, что увеличивает
полноту его сгорания. Загрязнение атмосферы автомобилем уменьшается также
при замене бензина на сжиженный газ. Разрабатывают и новые виды топлива.
Водородный транспорт
Водородный транспорт — это различные транспортные средства, использующие в качестве топлива водород. Это могут быть транспортные средства как с двигателями внутреннего сгорания, с газотурбинными двигателями, так
и с водороднымитопливными элементами.
Водород может использоваться в качестве топлива в обычном двигателе
внутреннего сгорания. В этом случае снижается мощность двигателя до 82 %65 % в сравнении с бензиновым вариантом. Но если внести небольшие изменения в систему зажигания, мощность двигателя увеличивается до 117 % в сравнении с бензиновым вариантом, но тогда увеличится выход окислов азота из-за
более высокой температуры в камере сгорания и возрастает вероятность подгорания клапанов и поршней при длительной работе на большой мощности. Кроме того, водород при температурах и давлениях, которые создаются в двигателе, способен вступать в реакцию с конструкционными материалами двигателя и
смазкой, приводя к быстрому износу. Также водород очень летуч, из-за чего
при использовании обычной карбюраторной системы питания может проникать
в выпускной коллектор, где также воспламеняется из-за высокой температуры.
Традиционные поршневые ДВС плохо приспособлены к работе на водороде.
Обычно для работы на водороде используется роторный ДВС, так как в нёмвыпускной коллектор значительно удалён от впускного.
Электромобиль
Электромобиль — автомобиль, приводимый в движение одним или несколькими электродвигателями с питанием от автономного источника электроэнергии (аккумуляторов, топливных элементов и т. п.), а не двигателем внутреннего сгорания. Электромобиль следует отличать от автомобилей с двигателем внутреннего сгорания и электрической передачей, а также от троллейбусов
и трамваев
Сравнение с автомобилями, оснащенными ДВС
Здесь стоит учесть, что ДВС могут питаться не только углеродосодержащим топливом, но и водородом.
Преимущества
• Отсутствие вредных выхлопов в месте нахождения автомобиля.
363
Более высокая экологичность ввиду отсутствия необходимости применения нефтяного топлива, антифризов, моторных масел, а также фильтров для
этих жидкостей.
• Простота техобслуживания, большой межсервисный пробег, дешевизна
ТО и ТР.
• Низкая пожаро- и взрывоопасность при аварии.
• Простота конструкции (простота электродвигателя и трансмиссии; отсутствие необходимости в переключении передач ввиду высокой приспособляемости крутящего момента ТЭД к изменениям внешней нагрузки, низкой устойчивой частоты вращения вала электродвигателя, возможности его реверсирования) и управления, высокая надёжность и долговечность экипажной части
(до 20—25 лет) в сравнении с обычным автомобилем.
• ДВС является источником возникновения динамических нагрузок и
крутильных колебаний в трансмиссии автомобиля и источником вибраций, передающихся несущей конструкции автомобиля, на электромобиле ТЭД динамически уравновешен.
• Возможность подзарядки от бытовой электрической сети (розетки), но
такой способ в 5—10 раз дольше, чем от специального высоковольтного зарядного устройства.
• Автомобиль с электроприводом — единственный вариант применения
на легковом автотранспорте дешевой (по сравнению с нефтяным или водородным топливом) энергии, вырабатываемой АЭС, ГЭС и т. п.
• Массовое применение электромобилей смогло бы помочь в решении
проблемы «энергетического пика» за счёт подзарядки аккумуляторов в ночное
время.
• ТЭД имеют КПД до 90-95 % по сравнению с 22-42 % у ДВС.
• Меньший шум за счёт меньшего количества движимых частей и механических передач.
• Высокая плавность хода с широким интервалом изменения частоты
вращения вала двигателя.
• Возможность подзарядки аккумуляторов во время рекуперативного
торможения.
• Возможность торможения самим электродвигателем (режим электромагнитного тормоза) без использования механических тормозов — отсутствие
трения и, соответственно, износа тормозов.
• Простая возможность реализации полного привода и торможения путем применения схемы «мотор-колесо», что позволяет, помимо прочего, легко
реализовать систему поворота всех четырёх колес, вплоть до положения, перпендикулярного кузову электромобиля.
•
364
Недостатки
• Аккумуляторы за полтора века эволюции так и не достигли плотности
энергии и стоимости, сопоставимой с горючим топливом, однако и этого уже
достаточно, чтобы почти на равных конкурировать с автомобилями на бензине.
В ноябре 2005 года А123 System анонсировала новый высокомощный быстрозаряжающийся элемент питания, основанный на исследованиях, лицензированных MIT. Первая партия элементов была выпущена в 1-м квартале 2006 года и
использовалась для питания электроинструментов DeWalt и стартеров авиадвигателей. Идея нового аккумулятора заключается в активизации литиевоионного обмена между электродами. С помощью наночастиц удалось развить
обменную поверхность электродов и получить более интенсивный ионный поток. Чтобы исключить слишком сильное нагревание и возможный взрыв электродов, авторы разработки применили в катодах вместо лития/оксида кобальта
литий/фосфат железа. Новые батареи отличаются не только большой ёмкостью,
но и быстротой зарядки. Чтобы полностью зарядить их, требуется всего 30 минут.
• Проблемой является производство и утилизация аккумуляторов, которые часто содержат ядовитые компоненты (например,свинец или литий) и кислоты.
• Часть энергии аккумуляторов тратится на охлаждение или обогрев салона автомобиля, а также питание прочих бортовых энергопотребителей (например, свет иливоздушный компрессор). Но вряд ли это можно назвать существенным недостатком.
• Для массового применения электромобилей требуется создание соответствующей инфраструктуры для подзарядки аккумуляторов («автозарядные»
станции). Однако, когда-то и АЗС тоже не существовало.
• При массовой зарядке электромобилей от бытовой сети возрастают перегрузки электрических сетей «последней мили», что чревато снижением качества энергоснабжения и риском локальных аварий сети.
• Длительное время зарядки аккумуляторов по сравнению с заправкой
топливом. Однако, в отличие от АЗС, месторасположения зарядных станций не
имеют столь строгих ограничений и могут располагаться в более удобных местах, например, на парковках возле супермаркетов, и могут быть более распространены, чем автозаправочные станции.
• Малый пробег большинства электромобилей на одной зарядке. Литиевая батарея ёмкостью 24 кВт·ч позволяет электромобилю проехать около 160
км. Использование кондиционера, отопителя салона, загрузка электромобиля
пассажирами или грузом, движение с частым разгоном/торможением и скоростью более 90-100 км/ч уменьшают пробег до 80 км.
365
Высокая стоимость литиевых батарей, или высокий вес достаточно ёмких свинцовых батарей.
• Зависимость емкости аккумулятора от режима разряда. Емкость приблизительно обратно пропорциональна корню квадратному от разрядного тока.
Переход от секундных режимов разряда (стартер) к часовым увеличивает реальную емкость в десятки раз, поэтому этот недостаток несущественен.
• Мощность, вырабатываемая всеми современными электростанциями,
значительно меньше, чем мощность всех современных автомобилей. Вырабатываемой энергии не хватит на одновременную зарядку очень большого количества электромобилей. Однако следует учесть, что выработка бензина также
требует электричества (до 5 кВт·ч на литр), поэтому по мере уменьшения мирового потребления бензина мощности электростанций будут перераспределяться в сторону энергообеспечения электромобилей. Кроме того, у очень многих автомобилей мощность двигателя сильно завышена для того, чтобы обеспечить быстрый разгон - а электромобилю это не нужно.
• Для стран с холодным климатом очень остро стоит вопрос отопления
салона. Для эффективного отопления салона машины средних размеров нужно
около 2-3 кВт тепловой мощности, в то время как ёмкость батареи продающегося в России Mitsubishi i-MiEV составляет около 16 кВт·ч, и включенная печь
может существенно отразиться на его запасе хода. Однако существуют электромобили и с более ёмкими батареями, как в случае с Tesla Model S, включенной печки которой хватит на двое суток непрерывной работы.
Гибри́дный автомоби́ль
Гибри́дный автомоби́ль — автомобиль, использующий для привода ведущих колёс более одного источника энергии.
Современные автопроизводители часто прибегают к совместному использованию двигателя внутреннего сгорания иэлектродвигателя, что позволяет избежать работы ДВС в режиме малых нагрузок, а также реализовывать рекуперацию кинетической энергии, повышая топливную эффективность силовой установки. Другой распространённый вид гибридов — автомобили, в которых
ДВС совмещён с двигателями, работающими на сжатом воздухе.
Преимущества
1)Экономная эксплуатация
Основным движущим мотивом при разработке гибридных автомобилей
послужило стремление повысить их экономичность, по возможности не жертвуя при этом остальными эксплуатационными характеристиками — скоростью,
приёмистостью, пробегом на одной заправке и т. д. Экономия была достигнута,
в том числе:
• использованием двигателя внутреннего сгорания меньшей мощности и,
соответственно, объёма;
•
366
работой двигателя в оптимальном режиме (например работа по циклу
Миллера);
• его полной остановкой вместо работы на холостом ходу
• применением рекуперативного торможения с зарядкой аккумулятора
(что попутно снижает износ тормозных колодок).
Постоянный контроль за работой всех систем гибридного автомобиля на
их оптимальных режимах представляет собой весьма сложную задачу, решение
которой не представлялось возможным до появления бортовых компьютеров.
2) Экологическая чистота
Экологическая чистота гибридных автомобилей обусловлена, с одной
стороны, снижением расхода углеводородного топлива; дополнительно её повышает полное отключение двигателя внутреннего сгорания при остановке автомобиля — в частности, в пробках. С другой стороны, применение батарей
меньшей, чем вэлектромобилях, ёмкости — и, соответственно, размеров, —
снижает остроту проблемы утилизации использованных аккумуляторов.
3) Улучшенные ходовые характеристики
Двигатели для обычных автомобилей подбираются из расчёта пиковых
нагрузок, в результате чего их полная мощность используется сравнительно
редко, и является избыточной для значительной части времени их эксплуатации. В гибридных автомобилях в этом нет необходимости — в случае, когда тяговая нагрузка увеличивается, к энергии, вырабатываемой двигателем внутреннего сгорания мощности добавляется энергия, запасённая в батареях, — поэтому на них устанавливают двигатели меньшей мощности, которые при этом работают в наиболее благоприятном для себя режиме. Такое перераспределение
мощностей в некоторых моделях гибридных автомобилей осушествляется непосредственно в электрической передаче, а в других — в трансмиссии с прямой
передачей крутящего момента («гибридно-совместный привод»).
4) Увеличение дальности пробега
Исключение половины заездов на заправочные станции, и даже большего
количества таких заездов, при езде по городу, высвобождает у автовладельца
некоторое количество времени.
5) Сохранение и повторное использование
Устранён один из главных недостатков двигателя на углеродном топливе
— невозможность возврата энергии обратно в углеродное топливо. Инженеры
по транспорту давно пытались сохранить энергию движения при торможении,
чтобы её повторно использовать. Например, применялись специальные конструкции с большим маховиком. Но только электрическую и гидравлическую
энергию удаётся сохранить с минимальными потерями и достаточно дёшево.
качестве накопителя применяются аккумуляторы, гидроаккумуляторы и суперконденсаторы.
•
367
6) Обычная заправка топливом
У электромобилей пока есть один большой недостаток — необходимость
зарядки аккумулятора. Процесс долгий и требует некоторого специально оборудованного пункта зарядки. Таким образом, он становится непригодным для
длительных и дальних поездок. Но уже разработаны технологии, позволяющие
заряжать литий-ионные аккумуляторы с электродами из наноматериалов до 80
% ёмкости за 5—15 минут.
У гибридного автомобиля этот недостаток устранён. Заправка осуществляется по привычной схеме, обычным углеводородным топливом, тогда, когда
это необходимо, и дальнейшее движение можно немедленно продолжить.
В городском цикле эксплуатации гибридный автомобиль 80 % времени
работает в режиме электромобиля. В феврале 2006 года автолюбители из США
смогливзломать электронную систему управления Toyota Prius и научились
принудительно переключать автомобиль в режим электромобиля. Французская
компания PSA Peugeot Citroen к 2010 году начнет серийное производство гибридных версий Peugeot 307 и Citroen C4. В автомобилях предусмотрен режим
электромобиля на скоростях менее 50 км/ч. Водитель может по желанию включать режим электромобиля.
Недостатки
1) Высокая сложность
Гибридные автомобили имеют относительно больший вес, они сложнее и
дороже традиционных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Аккумуляторныебатареи имеют небольшой диапазон рабочих температур, подвержены саморазряду. Кроме того, они дороже в ремонте. Опыт США говорит,
что автомеханики берутся за ремонт гибридных автомобилей с большой неохотой. США пытаются решить проблему дороговизны налоговыми льготами.
Компания Porsche отказалась от попыток самостоятельного производства
гибридного автомобиля. Компания Mitsubishi изначально не пыталась создать
гибридный автомобиль, а сконцентрировала все свои усилия на разработке
электромобилей.
2) Отсутствие трансмиссий
Наиболее перспективные, механические, гибриды не могут на данном
этапе составить конкуренцию электрическим гибридам. Основной проблемой
является невозможность создания адаптивных трансмиссий, способных работать в широком диапазоне передаточных отношений (более 20).
3) Утилизация аккумуляторов
Хоть и в меньшей степени, чем электромобили, гибридные автомобили
подвержены проблеме утилизации аккумуляторов. Влияние выбрасываемых
аккумуляторов на окружающую среду, по-видимому, никто не исследовал.
368
В некоторых гибридных автомобилях аккумуляторы не предусмотрены (например, в ё-мобиле).
4) Подогрев салона
Высокий КПД определяет малую побочную генерацию бросового тепла.
В обычных автомобилях в зимнее время это тепло используют для обогрева салона. В гибридных автомобилях ДВС не глохнет, пока не нагреет салон до требуемой температуры, что, естественно, увеличивает расход топлива. В американских моделях Тойота Приус также используются электрические ТЭНы, которые питаются от высоковольтной батареи. Они не только обеспечивают тепло без излишней работы ДВС, но и позволяют нагревать салон сразу после холодного старта автомобиля, что позволяет всегда сохранять среднюю температуру в салоне.
5) Опасность для пешеходов
Согласно исследованию американского Института по оценке ущерба на,
гибриды представляют повышенную опасность для пешеходов по сравнению с
традиционными автомобилями из-за своей бесшумности при движении на электрической тяге. В частности, наезды гибридных автомобилей на пешеходов
происходят на 20 % чаще, а степень урона выше. Для предотвращения подобных случаев гибридные автомобили могут оснащаться генератором звукового
сигнала, при движении на небольших скоростях предупреждающим пешеходов
о приближении автомобиля. Такими генераторами с 2010 года оснащаются гибриды Toyota Prius, но законодательные требования о наличию звукового генератора у гибридных и электрических машин в настоящее время существуют
только в Японии. В конце 2011 президентом США было дано указание Национальной администрации безопасности дорожного движения в трёхлетний срок
разработать аналогичные законодательные инициативы.
6.3 Правильное расположение, согласно требованиям, и экологизация, уже существующих АЗС
1. Строить АЗС согласно требованиям и нормам для Омской области.
2. На участках, свободных от застройки, а также по периметру площадки
следует предусматривать озеленение. При этом не допускается применять для
посадки древесные насаждения, выделяющие при цветении хлопья, волокнистые и опущенные семена, деревья хвойных пород, а также древеснокустарниковые насаждения в виде плотных групп и полос, вызывающих скопление мусора.
Основным элементом озеленения территории АЗС следует предусматривать обыкновенный газон.
3. На территории АЗС размещение зданий и сооружений следует предусматривать с учетом исключения вредного воздействия АЗС на здоровье и санитарно-бытовые условия обслуживающего АЗС персонала и населения.
369
4. Благоустройство территории площадки, защиту прилегающих территорий от загрязнения отходами и отбросами в результате деятельности АЗС.
5. С территории АЗС следует предусматривать организационный сбор воды с поверхности проезжей части с последующей ее очисткой. Отвод поверхностных вод необходимо осуществлять со всей территории АЗС в локальные
очистные сооружения.
На въезде и выезде с (на) территории АЗС необходимо выполнять пологие повышенные участки высотой не менее 0,2 м или дренажные лотки, отводящие загрязненные нефтепродуктами атмосферные осадки в очистные сооружения АЗС.
Планировка АЗС с учетом размещения на ее территории зданий и сооружений должна исключать возможность растекания аварийного пролива топлива
как по территории АЗС, так и за ее пределы.
6. Мероприятия по охране окружающей среды:
мероприятия по организации сбора и очистки ливневого стока с территории загрязнения нефтепродуктами;
- расчет выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и их рассеивания
при эксплуатации АЗС;
- мероприятия по предотвращению загрязнения почвенного покрова;
- данные о количестве и классах опасности образующихся отходов и методах их утилизации;
- мероприятия по рекультивации земель;
- оценку экологического риска эксплуатации автозаправочной станции с
мероприятиями по ее ликвидации;
- кратность воздухообмена, система принудительной вентиляции;
- обеспеченность средствами индивидуальной защиты при аварийных ситуациях, ремонтных работах и чрезвычайных ситуациях;
- данные о концентрациях и классах опасности веществ воздуха рабочей
зоны;
- мероприятия по предотвращению воздействия неблагоприятных факторов на работающих.
Выводы:
1. Лабораторный анализ бензинов АИ-92, АИ-95 и АИ-98, взятых на Омских АЗС, показал содержание серы в норме (в летних и зимних образцах). Это
свидетельствует о высоком качестве моторного топлива.
2. Лабораторный анализ бензинов АИ-92, АИ-95 и АИ-98, взятых на Омских АЗС, показал отсутствие влаги (в летних и зимних образцах). Это свидетельствует о высоком качестве моторного топлива.
3. Исследование почвы на территории АЗС показало, что почва очень за370
грязнена нефтепродуктами, что может привести к вымиранию живых микроорганизмов, находящихся в почве, и попадание в организм человека по трофическим цепям.
4. Исследование воздушной среды АЗС показало, что над станцией постоянно висит нефтяное облако из-за постоянных испарений, что ограничивает
время нахождения владельца автомобиля на заправке, поскольку данное состояние воздуха вредит здоровью человека.
Библиографический список
1. http://ru.wikipedia.org
2. http://rating-avto.ru/raznoe/gde-luchshe-zapravlyatsya.html
3. Учебник Химии «Базовый уровень» 11 класс. Учебник. Габриелян О.С.,
Лысова Г.Г.
4. Учебник Химии «Профильный уровень» 11 класс. Учебник. Габриелян
О.С., Лысова Г.Г.
5. http://www.xumuk.ru/
Штыбина Ксения, 7А класс
БОУ г. Омска «Средняя общеобразовательная школа № 61»
Руководитель: Штыбина Е. О., учитель БОУ г. Омска
«Средняя общеобразовательная школа № 61»
ДИФФУЗИЯ В ОВОЩАХ И ФРУКТАХ
I. Введение
Наблюдая за ростом овощей, можно заметить, что если лето теплое и
влажное, то овощи растут лучше, а если засушливое растения растут очень
плохо.
Это лето было засушливым и картофеля на нашем огороде было мало, хотя в прошлом году мы собрали хороший урожай картофеля. Меня этот вопрос заинтересовал и я
решила узнать, как питательные вещества
поступают в овощи и фрукты и от чего это
зависит. Как удобней проводить подкормку
растений сухим или растворенным в воде
удобрением. Поэтому я обратилась к маме, которая сказала, что это процесс
связанный с диффузией.
371
А что такое диффузия? И как она протекает в овощах и фруктах?
Проблема:
Что влияет на процесс диффузии, как можно его ускорить или замедлить?
Объект исследования: Молекулярная физика
Предмет исследования: Явление диффузии
Цель исследования:
Изучить и исследовать процесс диффузии. Экспериментально определить
зависимость скорости диффузии от температуры, рода вещества, температуры
окружающей среды.
Задачи:
1. Изучить специальную и научную литературу по данному вопросу.
2. Рассмотреть процессы диффузии в овощах и фруктах
3. Провести эксперименты по диффузии.
Методы исследования:
Изучение и анализ литературы по вопросу диффузии.
Сравнительно-аналитический анализ
Экспериментальный
Гипотеза:
В разных овощах и фруктах диффузия протекает по - разному.
Практическая значимость: изучу литературу по данному вопросу в
полном объеме из различных источников информации, что поможет мне понять
процесс протекания диффузии в различных средах и использование этого явления в различных областях деятельности человека. Также используя подручный
материал, проведу эксперимент по наблюдению и проверке зависимости скорости протекания диффузии в овощах и фруктах.
II. Основная часть.
1.История изучения диффузии
Уже в глубокой древности, за 2500 тысяч лет до нашего времени, зародилось представление, что все окружающие нас тела состоят из мельчайших частиц, недоступных непосредственному наблюдению. Экспериментально обоснованному современному учению о молекулах и атомах – молекулярной теории
всего лишь 150 лет. Одним из основателей молекулярной теории был Демокрит. Суть учения Демокрита сводилась к следующему: не существует ничего,
кроме атомов; атомы бесконечны по числу и бесконечно разнообразны по форме; различие между вещами происходит от различия их атомов в числе, величине, форме и порядке; качественного различия между атомами нет. Учение
Демокрита существует давно, однако, и нынешнее учение основано на предположениях того времени.
Из учения Демокрита следует, что все тела состоят из атомов, однако
атомы могут образовывать молекулу. Молекулами называют мельчайшие час372
тицы, из которых состоят различные вещества. Все частицы находятся в непрерывном движении.
В 18 веке атомные представления в науке наиболее последовательно были развиты великим русским учёным М.В. Ломоносовым. Он первым ввёл понятие о простых и сложных молекулах. Простая молекула по Ломоносову, состоит из однородных атомов, а сложная молекула - из атомов, отличающихся
друг от друга. Следовательно, простое вещество – это совокупность молекул,
состоящих из одинаковых атомов, а сложное вещество – совокупность молекул,
состоящих из разных атомов.
2. Явление диффузии
Диффузия – фундаментальное явление природы. Оно лежит в основе превращений вещества и энергии. Его проявления имеют место на всех уровнях
организации природных систем на нашей планете, начиная с уровня элементарных частиц, атомов и молекул, и заканчивая геосферой. Оно широко используется в технике, в повседневной жизни.
Диффузия это проникновение частиц одного вещества между частицами
другого вещества. Сущность диффузии – движение частиц среды, приводящее к
переносу веществ и выравниванию концентраций или к установлению равновесного распределения частиц данного вида в среде. Диффузия молекул и атомов обусловлена их тепловым движением. Диффузия – результат хаотичного
движения всех частиц вещества, всякого механического воздействия. Движения
частиц при диффузии совершенно случайны, все направления смещения равновероятны,
Так как частицы движутся и в газах, и в жидкостях, и в твердых телах, то
в этих веществах возможна диффузия. Диффузия – перенос вещества, обусловленный самопроизвольным выравниванием неоднородной концентрации атомов или молекул разного вида. Диффузия объясняется так. Сначала между двумя телами чётко видна граница раздела двух сред (рис.1а). Затем, вследствие
своего движения отдельные частицы веществ, находящихся около границы, обмениваются местами. Граница между веществами расплывается (рис.1б). Проникнув между частицами другого вещества, частицы первого начинают обмениваться местами с частицами второго, находящимися во всё более глубоких
слоях. Граница раздела веществ становится ещё более расплывчатой. Благодаря
непрерывному и беспорядочному движению частиц этот процесс приводит в
конце концов к тому, что раствор в сосуде становится однородным (рис.1в).
Диффузия является фундаментальным процессом, лежащим в основе
функционирования живых систем любого уровня организации, начиная с уровня элементарных частиц и заканчивая биосферным уровнем.
Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях и
медленнее всего в твёрдых телах.
373
Процесс диффузии ускоряется с повышением температуры. Это происходит потому, что с повышением температуры увеличивается скорость движения
молекул.
Рис. 1а
Рис. 1б
Рис. 1в
3. Диффузия в природе
Диффузия – распространенное явление. Мы с ним часто встречаемся в
природе. Очень ярко это явление происходит в воздухе:
• Дым от костра распространяется на большие расстояния;
• Благодаря явлению диффузии нижний слой атмосферы – тропосфера –
состоит из смеси газов: азота, кислорода, углекислого газа и паров воды. При
отсутствии диффузии произошло бы расслоение под действием силы тяжести.
Внизу оказался бы слой тяжёлого углекислого газа, над ним – кислород, выше –
азот и инертные газы;
• В небе мы тоже наблюдаем это явление. Рассеивающиеся облака – тоже пример диффузии;
• А как муравьи находят дорогу к муравейнику? И эту загадку открывает
явление диффузии. Муравьи помечают свой путь капельками пахучей жидкости;
• Благодаря диффузии, насекомые находят себе пищу;
• Бабочки, порхая меж растений, всегда находят дорогу к пахучему цветку;
• Пчелы, обнаружив сладкий объект, штурмуют его своим роем;
• Растение растет, цветет тоже благодаря диффузии. Ведь мы говорим,
что растение дышит и выдыхает воздух, пьет воду, получает из почвы различные микродобавки;
• Плотоядные животные находят своих жертв тоже благодаря диффузии.
Акулы чувствуют запах крови на расстоянии нескольких километров, также как
и рыбы пираньи;
• Деревья выделяют кислород и поглощают углекислый газ с помощью
диффузии;
374
• Большую роль играют диффузионные процессы в снабжении кислородом природных водоёмов. Кислород попадает в более глубокие слои воды в
стоячих водах за счёт диффузии через их свободную поверхность. Поэтому нежелательны всякие ограничения свободной поверхности воды. Так, например,
листья или ряска, покрывающие поверхность воды, могут совсем прекратить
доступ кислорода к воде и привести к гибели её обитателей
4. Диффузия имеет отрицательные стороны:
• Экология окружающей среды ухудшается за счёт выбросов в атмосферу, в воду химических и прочих вредных веществ, и это всё распространяется и
загрязняет огромные территории.
• Дымовые трубы предприятий и выхлопные трубы автомобилей. Во
многих случаях вблизи труб виден дым. А потом он куда-то исчезает. Что с ним
происходит? Дым растворяется в воздухе за счет диффузии. Если же дым плотный, то его шлейф тянется довольно далеко.
375
5. Диффузия в быту
Как используем или учитываем явление диффузии в быту?
• В жидкостях диффузия протекает помедленнее, чем в газах, но этот
процесс можно ускорить, с помощью нагревания. Например, чтобы быстрее засолить огурцы, их заливают горячим рассолом. Мы знаем, что в холодном чае
сахар растворится медленнее, чем в горячем;
• Природный горючий газ, которым мы пользуемся дома, не имеет ни
цвета ни запаха, при утечке заметить его невозможно, поэтому на распределительных станциях газ смешивают с особым веществом, обладающим резким,
неприятным запахом, который легко ощущается человеком;
• Большую роль играют диффузионные процессы в снабжении кислородом аквариумов. Кислород попадает в глубокие слои воды за счёт диффузии
через их свободную поверхность. По этой же причине сосуды с узким горлом
непригодны для использования в качестве аквариума;
• Сахароварение. Стружка сахарной свеклы промывается водой, и при
этом молекулы сахара диффундируют из стружки в раствор;
• Ароматерапия пробуждает у нас потребность развить обоняние. Благоухание цветов, трав и деревьев чаще всего объясняется присутствием в растениях эфирных масел. Ванны, массаж и ингаляции с эфирными маслами могут
повысить наш иммунитет, укрепить здоровье и улучшить самочувствие в целом.
376
III. Проведение эксперимента
Эксперимент №1 Сравнение скорости протекания диффузии веществ в
твердом и жидком состоянии.
Цель: Сравнить скорость протекания диффузии в твердом и жидком состоянии.
Приборы и материалы: картофель, раствор марганцовки, кристаллическая марганцовка.
Ход эксперимента:
1. Нарезаем ломтики картофеля и кладем их на тарелку
2. На одну дольку картофеля капаем каплю раствора марганцовки,
На другую кладем сухую марганцовку
3. Наблюдаем за протеканием диффузии.
Вывод: Скорость протекания диффузии раствора марганцовки больше,
чем сухой.
Эксперимент № 2 Сравнение протекание диффузии в овощах и фруктах.
Цель: Сравнить скорость протекания диффузии в овощах и фруктах.
Приборы и материалы: картофель, морковь, лимон, яблоко, груша.
377
Ход эксперимента:
1. Нарезали дольками овощи и фрукты.
2. На дольки капали каплю раствора марганцовки.
3. Наблюдали за протеканием диффузии.
Вывод: Скорость протекания диффузии в моркови протекает быстрее,
чем в лимоне, картофеле, яблоке и груше. А медленнее всего диффузия происходит в лимоне.
Эксперимент №3 Сравнение протекания диффузии в овощах разной
температуры. (Приложение №3)
378
Цель: Сравнение протекания диффузии в овощах разной температуры.
Приборы и материалы: овощи разной температуры
Ход эксперимента:
1. Вынесли картофель на улицу с t=-230 С на 5 минут
2. Нарезали ломтики картофеля, отметить ломтики стикерами (красный –
комнатная температура, синий – охлажденный картофель).
3. .Капнуть каплю марганцовки на ломтики картофеля
4. Наблюдение
Вывод: Скорость протекания диффузии зависит от температуры овощей,
чем выше температура, тем диффузия протекает быстрее.
IV. Вывод
Изучая литературу, анализируя и обобщая данные эксперимента, пришли
к выводу: диффузия - временный процесс. Диффузия - это проникновение частиц одного вещества между частицами другого вещества.
В ходе проведения эксперимента мы изучили и исследовали процесс
диффузии. Экспериментально определили зависимость скорости диффузии от
температуры, рода вещества, температуры окружающей среды.
Гипотеза, которая была поставлена в работе, подтвердилась: процесс протекания диффузии в разных овощах и фруктах различна.
Таким образом: скорость протекания процесса диффузии зависит:
1. От температуры, чем выше температура, тем скорость протекания
диффузии больше;
2. От рода вещества, чем меньше плотность вещества, тем быстрее протекает диффузия (при одинаковых температурах);
379
Мной были составлены рекомендации по учету диффузии в быту:
1. для ускорения процесса засолки надо использовать горячий рассол;
2. для ускорения процесса квашения, брожения надо ставить компоненты
в теплое место;
3. для быстрого растворения сахара, соли их надо класть в горячую жидкость;
Библиографический список
1. Ф.Д. Бублейников, И. Н. Веселовский, «Физика и опыт» «Просвещение», Москва 1970
2. Марио Льоцци. История физики. М., Мир, 1970
3. Н. М. Шахмаев Элементарный курс физики «Просвещение», Москва
1979 год.
4. « Галилео. Наука опытным путем», №2, 2011
Источники в интернете:
4. www.cultinfo.ru
5. www.it-n.ru
Мосиенко Александра, 10 кл.,
Гильман Наталья, 11 кл., БОУ г. Омска« СОШУИП № 72 »
Руководитель: Немчинова Т. Г., учитель химии
БОУ г. Омска « СОШУИОП№ 72»
Научный консультант: Бельская Л. В., к.х.н., доцент
кафедры химической технологии ОмГУ им. Ф.М. Достоевского
ИЗУЧЕНИЕ ИОННОГО СОСТАВА СЛЮНЫ ШКОЛЬНИКОВ
СТАРШИХ КЛАССОВ
Введение
В настоящее время большое внимание уделяется изучению перспектив
анализа слюны в диагностических целях. Использование слюны имеет много
преимуществ по сравнению с анализом крови и мочи: сбор слюны прост и удобен, неинвазивный (поэтому безболезненный), не требует участия медицинского персонала. Расширение использования слюны в клиническом анализе поможет ускорить переход от диагностики заболеваний к наблюдению за здоровьем.
Слюна – это жидкость, продуцируемая специализированными железами:
околоушной слюнной железой (ОУСЖ), подчелюстной (ПЧСЖ), подъязычной
(ПЯСЖ), открывающимися своими протоками в полость рта.
В полости рта находится не чистый секрет слюнных желез, а биологическая жидкость, часто называемая ротовой жидкостью. Часто понятия «слюна» и
380
«ротовая жидкость» используются как синонимы. Ротовая жидкость представляет собой водный раствор органических и минеральных веществ (0,58%, из
них 0,22% - неорганические вещества). На долю воды приходится 99,42% [1].
Смешанная слюна выполняет многообразные функции: пищеварительную,
минерализующую, очищающую, защитную, бактерицидную, иммунную, гормональную и др.; в связи с чем она имеет сложный биохимический состав, в формировании которого участвуют разнообразные белки, липиды (холестерин и его
эфиры, свободные жирные кислоты и т.д.), стероидные соединения (кортизол, эстрогены и др.), углеводы, небелковые азотсодержащие вещества (мочевина, мочевая кислота, креатин, аммиак, свободные аминокислоты), витамины (С, В1, В2, В6,
Н, РР и т.д.), циклические нуклеотиды и другие соединения [2].
Неорганические компоненты слюны представлены макро- и микроэлементами (Н, К, Na, Ca, Mg, Fe, Cu, P, S, Cl, F и др.). Они могут находиться в ротовой жидкости как в ионизированной форме в виде простых (Н+, К+, Na+ , Са2+,
Cl- и др.) и сложных (Н2РО4- , НРО42-, Р043-, НСОз-, SO42- и др.) ионов, так и в составе органических соединений – белки, белковые соли и т.д.
Ежедневно у человека выделяется 0,5-2 литра слюны. Минеральный состав ротовой жидкости достаточно хорошо изучен. Высоки потенциальные
возможности использования слюны с целью выявления системных заболеваний
и локальных патологий. Наличие определённых корреляций между расстройствами разных физиологических систем и функциональной активностью слюнных желёз дало повод некоторым исследователям называть эти железы «зеркалом болезней».
В структуре заболеваемости подростков выделяются болезни костномышечной системы и соединительной ткани, болезни глаз, органов пищеварения, дыхания, системы кровообращения и др. За последнее десятилетие самый
значительный рост распространенности заболеваний среди подростков (на
73%) отмечался по классу болезней костно-мышечной системы. Распространенность заболеваний системы кровообращения выросла на 62,8%, органов
пищеварения - на 41,1%, эндокринной системы, расстройств питания и нарушения обмена веществ - на 37,3% [3]. Исходя из структуры заболеваемости
подростков, мы выделили для оценки физического состояния организма старших школьников содержание таких макроэлементов, как кальций, калий и азот,
а также водородный показатель рН, который дает представление о работе как
всего организма в целом, так и отдельных его систем.
Кальций является основным минералом человеческого скелета и самым
распространенным катионом организма. Общее содержание кальция в человеческом организме 1000 – 1500 г или 20 – 25 г/ кг ткани, свободной от липидов.
Кальций в строго определенных количествах необходим для жизнедеятельно381
сти всех клеток организма. Основное количество кальция в виде гидроксиапатита находится в костной ткани и зубах (около 99%), а примерно 1% выявляется во внутри- и внеклеточной жидкости.
В организме кальций выполняет следующие физиологические функции:
является пластическим материалом для формирования скелета; участвует в сокращении мышечных волокон; регулирует проницаемость клеточных мембран;
участвует в проводимости сигнала по нервным клеткам; регулирует активность
внутриклеточных ферментов; участвует в процессе свертывания крови; участвует в регуляции ритма сердца, возбудимости нервных волокон и мышц.
Калий входит в группу структурных макроэлементов, его содержание в
организме взрослого человека массой 60 кг составляет около 120 грамм в зависимости от веса, конституции, пола и возраста.
Основные функции калия
в организме: обеспечение возбудимости и проводимости клеток нервной системы и мышечных клеток, участие в передаче нервных импульсов и сокращении
мышечных клеток; поддержка осмотического давления в клетках, тканях и биологических жидкостях; обеспечение кислотно-щелочного равновесия; участие в
нервной регуляции.
Азот – один из элементов-органогенов (т.е. из которых в основном состоят все органы и ткани), массовая доля которого в организме человека составляет до 2,5%. Азот является составной частью таких веществ, как аминокислоты
(а, следовательно, пептидов и белков), нуклеотиды, гемоглобин, некоторых
гормонов и медиаторов.
Избыток или дефицит этих макроэлементов в организме приводит к нарушению нормальной жизнедеятельности человека и являются причинами различных заболеваний [4,5].
рН слюны – один из самых не подверженных влиянию факторов. рН
слюны у здорового человека лежит в пределах 6,0–7,9. Результаты тестирования рН слюны показывают активность ферментов пищеварительного тракта,
особенно печени и желудка. Дисбаланс рН организма у большинства людей
проявляется в виде повышенной кислотности (состояние ацидоз) и повышенном содержании щелочи в организме (это состояние называется алкалоз). В
этих состояниях организм плохо усваивает минералы, такие как кальций, натрий, калий и магний. От недостатка минералов страдают жизненно важные органы [6].
На основании вышеизложенного мы определили тему исследования:
Изучение ионного состава слюны школьников старших классов.
Объект исследования: ионный состав слюны школьников старших классов.
Предмет исследования: содержание ионов кальция, калия, аммония, водорода в слюне школьников 10-11 классов.
382
Цель исследования: оценка физического состояния организма школьников исходя из некоторых составляющих минерального состава ротовой жидкости: ионов кальция, калия, аммония, водорода в слюне школьников 10-11 классов.
Задачи:
1. На основании анализа литературных источников выяснить роль некоторых макроэлементов в организме человека, причины и последствия их дефицита и избытка.
2. Провести анализ слюны школьников 3 ступени обучения (10-11 класс)
с целью определения содержания ионов кальция, калия, аммония, водорода .
3. Провести обработку полученных данных, выявить закономерности.
4. Предложить рекомендации по оптимизации содержания макроэлементов в организме.
Практическая значимость работы заключается в составлении информационной карты минерального состава ротовой жидкости: ионов кальция, калия, аммония, водорода, отражающих содержание соответствующих макроэлементов в организме.
Трудности при выполнении работы заключались в выработке объективных рекомендаций по решению индивидуальных проблем, связанных с содержанием макроэлементов в слюне старшеклассников.
Оценка результатов производилась путем сравнения полученных данных
со значениями, определенными в качестве нормы для соответствующего возраста и пола [7].
2. Основная часть
2.1. Экспериментальная часть
2.1.1. Сбор и хранение проб слюны.
Сбор слюны производился через 1-3 ч после приема пищи прямым сплевыванием ее в пробирку. Собирали слюну в течение 5-15 мин. Обязательной
процедурой, предваряющей сбор слюны, была гигиеническая обработка рта, так
как в зубном налете содержится большое количество белка и ферментов. Слюну собирали в одноразовые пластиковые пробирки с закручивающейся крышкой.
Неорганические компоненты можно определять в слюне, хранившейся в
холодильнике до 2 – 3 суток. Мы провели необходимые исследования в течение
трех дней.
2.1.2. Определение pH
Определение pH осуществлялось на приборе pH-метр pH-150МИ (Приложение 1). В основу его работы положен потенциометрический метод измерения pH и Eh анализируемого раствора. При измерении используется первичный
383
измерительный преобразователь – электродная система, состоящая из измерительного электрода и электрода сравнения. Электроды объединены в одном
корпусе (комбинированный электрод). Электродная система, погруженная в
анализируемый раствор, развивает электродвижущую силу (ЭДС), пропорциональную показателю активности ионов водорода. Значение рН выводится на
дисплей преобразователя.
2.1.3. Определение ионов калия
Определение ионов калия, кальция и аммония осуществлялось с использованием Лабораторного иономера И-160 МИ. В основу работы прибора положен потенциометрический метод измерения pХ и Eh анализируемого раствора. При измерении используется электрическая схема, состоящая из ионоселективного (чувствительного к определенному иону) электрода, электрода сравнения, прибора для измерения электродвижущей силы анализируемого раствора.
Мы использовали электрод сравнения ЭСр-10103 и ионоселективные
электроды ЭЛИС-121К, ЭЛИС-121Са, ЭЛИС-121NH4.
Концентрация ионов определялась по градуировочному графику в координатах зависимости ЭДС от концентрации раствора. Температура анализируемых растворов не должна отличаться более чем на ± 30 С от температуры,
про которой проведена градуировка.
Определение ионов калия При определении калия калибровочные растворы готовят из исходного раствора концентрацией 0,1 моль/ дм 3 KCl.
Приготовление исходного раствора KCl с концентрацией 0,1 моль/ дм 3:
1. Взять навеску 7,455 г хлорида калия.
2. Поместить навеску в мерную колбу емкостью 1 дм 3, заполнить колбу
до половины дистиллированной водой. После растворения соли объём раствора
довести до метки.
3. Остальные калибровочные растворы готовят из исходного раствора последовательным десятикратным разбавлением дистиллированной водой.
Операции калибровки
1. Промыть электроды дистиллированной водой и осушить фильтровальной бумагой.
2. Погрузить электроды в калибровочный раствор с наименьшей концентрацией. Провести измерения потенциала, записать результаты измерений.
3. Извлечь электроды из раствора и осушить их фильтровальной бумагой.
4. Повторить операции по пунктам 1,2,3 в остальных калибровочных растворах в порядке возрастания их концентрации. Температура калибровочных
растворов не должна отличаться более чем на 3 0С.
5. По результатам измерений по п. 1,2,3,4 построен калибровочный график в координатах Е – (-lg а К+) (Приложение 1).
Взаимосвязь концентрации растворов KCl и активности ионов К+ в них
приведены в таблице 1.
384
Таблица 1
рК (-lg CK)
Eh
мВ
4
189,2
3
220,2
2
260,5
1
318,6
Измерения: Измерить потенциал электрода в растворе неизвестной концентрации и определить по калибровочному графику величину активности ионов К+.
2.1.4. Определение ионов кальция
Для определения ионов кальция использовали электрод сравнения ЭСр10103 и ионоселективный электрод ЭЛИС-121Са.
Методика калибровки и измерений.
Для определения ионов кальция проба заливается в стакан, в неё помещается ионоселективный электрод. В электролитический ключ заливается электролит, указанный в методике измерений, и в него помещается электрод сравнения.
Калибровочные растворы готовят из исходного раствора концентрацией
0,1 моль/ дм 3 СаCl2.
Приготовление исходного раствора СаCl2. с концентрацией 0,1 моль/ дм3.
Высушить карбонат кальция в сушильном шкафу при температуре 110 0С в течение 3-4 часов.
1. Взять навеску 10,01 г высушенного карбоната кальция.
2. Поместить навеску в стакан емкостью 1 дм3, заполненный до половины
дистиллированной водой.
3. Добавить в стакан 200 мл соляной кислоты с концентрацией 1 моль/
3
дм . Перемешивать до завершения реакции (полного растворения углекислого
кальция).
4. Количественно перенести раствор в мерную колбу на 1 дм 3.и довести
его объём до метки добавлением дистиллированной воды.
5. Приготовление калибровочных растворов с концентрацией СаCl2. 10 -2,
10-3, 10-4, 10-5 моль/ дм 3: растворы готовят из исходного раствора последовательным десятикратным разбавлением дистиллированной водой.
Операции калибровки аналогичны представленным выше.
По результатам измерений по п. 1,2,3,4 построен калибровочный график в
координатах Е – (-lg а Са2+) (Приложение 1). Взаимосвязь концентрации растворов СаCl2 и активности ионов Са2+ в них приведены в таблице 2.
Таблица 2
рСа(-lg CСа)
Eh
мВ
5
204,2
4
225,6
385
3
250,3
2
278,9
Измерения: Измерить потенциал электрода в растворе неизвестной концентрации и определить по калибровочному графику величину активности ионов Са2+.
2.1.5. Определение ионов аммония
Для определения ионов аммония использовали электрод сравнения ЭСр10103 и ионоселективный электрод ЭЛИС-121NH4.
Калибровочные растворы готовят из исходного раствора концентрацией
0,1 моль/ дм 3 NH4Cl.
Приготовление исходного раствора NH4Cl с концентрацией 0,1 моль/ дм3:
1. Взять навеску 5,35 г хлорида аммония.
2. Поместить навеску в мерную колбу емкостью 1 дм 3, заполнить колбу
до половины дистиллированной водой. После растворения соли объём раствора
довести до метки.
3. Остальные калибровочные растворы готовят из исходного раствора
последовательным десятикратным разбавлением дистиллированной водой.
Операции калибровки аналогичны представленным выше.
По результатам измерений по п. 1,2,3,4 построен калибровочный график в
координатах Е – (-lg а NH4+) (Приложение 1). Взаимосвязь концентрации растворов NH4Cl и активности ионов NH4+ в них приведены в таблице 3.
Таблица 3
рNH4(-lg CNH4)
Eh
мВ
10-4
197
10-3
228,2
10-2
274,5
10-1
327,6
Измерения: Измерить потенциал электрода в растворе неизвестной концентрации и определить по калибровочному графику величину активности ионов NH4+ (Приложение 1)..
2.2. Обработка результатов измерений
В Приложении 2 представлены результаты измерений и вычисленные
значения концентраций ионов.
Для вычислений мы использовали компьютерную программу.
Надежность полученной оценки определяли с учетом доверительного интервала, вычисленного с помощью статистического критерия Стьюдента, который позволяет исключить случайные ошибки.
Полученные результаты представлены в 2 группах: мальчиков и девочек в
таблице 4.
2.3. Выводы
В Приложении 3 полученные результаты представлены в виде диаграммы. На основании результатов можно сделать выводы о содержании исследуемых ионов в слюне школьников в сравнении с нормой:
386
Таблица 4
Девочки
n = 17 (рН)
t ст. = 2, 12
n = 16
t ст. = 2, 131
Мальчики
n = 22
t ст. = 2, 08
n = 21 (Са2+)
t ст. = 2,086
Норма
7,17± 0,28
7,21 ± 0,29
6,80- 7,50
Са2+ ммоль\л
0,25± 0,14
0,29 ± 0,18
0,40- 0,80
К+ ммоль\л
16,2± 0,09
22,51 ± 1,5
12,8- 25,6
NH4+ ммоль\л
8,57± 1,04
6,95± 0,89
0,6- 7,06
Показатель
рН
Показатели рН и ионов калия в норме. Показатели аммония в норме у
мальчиков и повышены у девочек.
Показатели кальция понижены: в большей степени у девочек, чем у мальчиков. Показатели кальция в норме лишь у пяти исследуемых: 4 мальчиков, из
которых у трех – нижняя граница нормы, у одного – чуть повышена верхняя:
0,841 ммоль/л, и 1 девочки с показателем кальция по нижней норме 0,391
ммоль/л.
Между тем, нормальное поступление кальция обеспечивает нормальный
рост и развитие не только костей, но и всего организма в целом.
В школьном возрасте завершается формирование скелета и скелетной мускулатуры, происходит резкая гормональная перестройка, лежащая в основе полового созревания. Интенсивный рост и увеличение массы тела в подростковом периоде сопоставимы по своей интенсивности лишь с периодом раннего детства.
Недостаточное и несбалансированное питание в этот период может послужить
предпосылкой возникновения различных нарушений в организме. Как считают
специалисты, недостаток кальция в организме провоцирует появление порядка
полутора сотен разных заболеваний. В их числе, сердечнососудистые заболевания, болезни почек, неврологические и нервные расстройства и многое другое.
Недостаток кальция у детей вызывает нарушение формирования костей,
зубов, патологические изменения хрусталика глаза, нервные расстройства, возбудимость, судороги. Одним из самых опасных явлений, вызываемых недостатком кальция у детей можно считать плохую свертываемость крови.
Исследуемой группе можно рекомендовать консультацию врача – терапевта, который после необходимых исследований может дать рекомендации по
коррекции питания и приему комплекса витаминов, содержащих кальций.
Заключение
Проведенное исследование показало, что на основании анализа слюны
можно сделать некоторые выводы о физическом состоянии организма школь387
ников. Так, при исследовании слюны школьника с хроническим заболеванием
сердца показатели по иону кальция были увеличены в сотни раз по сравнению с
нормой. Полученные результаты предоставлены участникам исследуемой группы.
Библиографический список
1. Бельская Л.В., Голованова О.А. Зубные и слюнные камни. Монография. – Омск.: ОмГУ, 2010.
2. Григорьев И.В., Уланова Е.А., Артамонов И.Д. Белковый состав смешанной слюны человека: механизмы психофизиологической регуляции //
Вестник РАМН. 2004. № 7.
3. http://medical-diss.com/medicina/zabolevaemost-shkolnikov-starshegovozrasta-i-puti-ee-snizheniya#ixzz2nwM3Z3qt
4. Алехнович Л.И., Руденко Э.В., Степанова Ю.И., Камышников В.С. Лабораторная диагностика нарушений фосфорно-кальциевого обмена в организме
(учебно-методическое пособие).-Минск.: БелМАПО, 2011.
5. http://www.nsp.kharkov.ua/http-www-news-ru-ua/388-ph.html
6. eat-info.ru›Справочники›Минеральные вещества›
7. Бельская Л.В. Разработка базы данных по параметрам слюны человека.
Тезисы докладов IX Всероссийской конференции «Химия и медицина» с молодежной научной школой по органической химии. -Уфа.: Абзаково, 2013.
Приложение 1
Калибровка и составление градуировочных графиков
Аммоний
4
3
2
1
197
228,2
274,5
327,6
388
Калий
4
3
2
1
189,2
220,2
260,5
318,6
Кальций
5
4
3
2
204,2
225,6
250,3
278,9
389
Приложение 2
30
25
20
Норма max
Мальчики
15
Девочки
Норма min
10
5
0
рН
Калий
Аммоний
0,8
0,7
0,6
Норма min
0,5
Девочки
0,4
Мальчики
0,3
Норма max
0,2
0,1
0
Кальций
390
Ющенко Валерия, 9-1 кл. БОУ г. Омска «Лицей № 143»
Руководитель:Шокурова М.И., учитель химии
БОУ г. Омска«Лицей № 143»
ИЗУЧЕНИЕ СТРОЕНИЯ ПЛАМЕНИ СВЕЧИ С ПОМОЩЬЮ
МОБИЛЬНОЙ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОЙ ЛАБОРАТОРИИ ЛАБДИСК
И РЕГИСТРАТОРА ДАННЫХ USBLINK
Введение
Некоторые вещества при высокой температуре начинают светиться. Например, при нагревании металл начинает светиться ярким красным, а перед
плавлением – желтым цветом. Пламя свечи является результатом горения воска
(углеводорода). Тепло от горящего фитиля расплавляет прилегающий к нему
воск, а расплавленный воск за счет капиллярных сил поднимается по фитилю и
там испаряется.
Пламя – это явление, вызванное свечением раскалённой газообразной
среды. Обычное пламя, которое мы наблюдаем при горении свечи, зажигалки
или спички представляет собой поток раскалённых газов, вытянутый вертикально за счёт силы Архимеда (горячие газы стремятся подниматься вверх).
Сначала фитиль свечи нагревается и парафин начинает испаряться.
На первых уроках изучения химии в 8 классе по программе изучения курса О.С. Габриеляна школьники выполняют практическую работу «Наблюдение
за изменениями, происходящими с горящей свечой». После ее выполнения обучающимся становится известно, что пламя свечи состоит из трех частей. Эту
информацию ученики получают только из литературных источников, поэтому
им просто приходится верить, что это так. Мы решили провести эксперимент и
проверить, так ли это, с помощью современного оборудования.
Цель работы: доказать, что пламя свечи состоит из трех частей с помощью современных технологий: Лабдиска и регистратора данных USBLink.
В соответствии с целью определены следующие задачи:
1. Изучить методические рекомендации по использованию мобильной естественнонаучной лаборатории Лабдиск и регистратора данных USBLink;
2. На основе литературных источников изучить строение пламени свечи;
3. Провести опрос обучающихся БОУ г. Омска «Лицей №143» для определения их отношения к использованию современных технологии на уроках
химии;
4. Используя лабораторные методы, доказать наличие трех зон в пламени
свечи.
Объектом нашего исследования является пламя свечи.
Теоретическое исследование включало анализ литературы, справочнометодических пособий.
391
В исследовательской части работы использовались методы опроса, наблюдения, эксперимента, сбора и анализа полученных данных.
Работа проводилась в химической лаборатории бюджетного общеобразовательного учреждения города Омска «Лицее №143».
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ (ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ)
1.1. Мобильная естественнонаучная лаборатория с мультисенсорным
регистратором данных Лабдиск
Оснащение школ компьютеризированной техникой резко повышает эффективность обучения дисциплинам, основанных на экспериментальных данных. Современные школьные цифровые лаборатории позволяют производить
тысячи измерений в секунду несколькими датчиками одновременно. Они освобождают школьников от утомительной вспомогательной работы – чтения и записи данных, построения графиков и т.п. Теперь ученикам представляется возможность сосредоточиться именно на анализе результата эксперимента и на
понимание сущности исследуемого явления.
Регистратор данных Лабдиск – это беспроводная лаборатория, имеющая
до 13 датчиков, встроенных в корпус, и порты для подключения внешних датчиков (рис.1). Полный список датчиков представлен в таблице 1 (прил. 1).
Рис. 1. Датчики, встроенные в корпус Лабдиска
Лабдиск снабжен инструментом автоматического тестирования и калибровки всех датчиков, вследствие чего измерения могут начаться в момент его
включения. Показания датчиков отображаются на экране регистратора, одновременно записываются в его память, передаются на компьютер. Программное
обеспечение на компьютере отображает данные в таблицах, на графиках и табло измерительных приборов. С помощью встроенных в программное обеспечение функций математической обработки и статистического анализа данных
пользователь представляет результаты эксперимента в максимально удобном
для понимания виде.
392
Управление экспериментом и обработка полученных результатов опытов
осуществляется с помощью программного обеспечения GlobiLab. Программа
предлагает пользователю различные виртуальные измерительные приборы,
таблицы, графики, столбчатые диаграммы. Имеются также инструменты графики: маркеры, лупа, вырезание, комментирование. Математический инструментарий обработки данных эксперимента включает такие функции, как производные, линейная и квадратичная регрессия. Окно программы выглядит следующим образом (рис. 2):
Рис. 2. Окно программы GlobiLab
Программа позволяет:
• просматривать данные эксперимента;
• изменять вид график;
• проводить графический анализ;
• производить обмен данными с Лабдиском;
• управлять файлами данных;
• экспортировать данные.
393
1.2. Цифровая лаборатория «Архимед» - регистратор данных
USBLink
Цифровые лаборатории Архимед – это новое поколение школьных естественнонаучных лабораторий. Они обеспечивают автоматизированный сбор и
обработку данных, позволяют отображать ход эксперимента в виде графиков,
таблиц, показаний приборов. Проведенные эксперименты могут сохраняться в
реальном масштабе времени и воспроизводиться синхронно с их видеозаписью.
Проведение экспериментов с помощью лаборатории Архимед позволяет решать
метапредметные задачи – осваивать понятия и методы, относящиеся к статистике, математике, информационным технологиям.
Цифровые лаборатории представляют возможность:
• уменьшить время, затрачиваемое на организацию и проведение фронтального и демонстрационного эксперимента;
• повысить степень наглядности эксперимента и визуализации его результатов, расширить список экспериментов;
• проводить измерения в полевых условиях;
• модернизировать традиционные эксперименты.
В составе любой цифровой лаборатории Архимед – измерительные устройства (специализированные естественнонаучные датчики), регистратор данных, программное обеспечение для управления сбором данных и обработкой
эксперимента, справочные и методические материалы.
Цифровые лаборатории, комплектуемые регистраторами, отвечают требованиям автономной мобильной лаборатории – регистраторы данных в них
являются, по сути, самостоятельными компьютерами со своим источником питания, памятью, операционной системой и пользовательским интерфейсом.
USBLink – мощный и, в то же время, очень маленький и простой интерфейс датчиков, который можно подключить к USB-порту любого компьютера.
Он имеет 4 порта для присоединения датчиков (рис. 3).
Рис. 3. Регистратор данных USBLink
394
Регистратор USBLink предназначен для работы с программным обеспечением MultiLab, которое позволяет:
• отобразить данные в виде графиков, таблиц или показаний шкалы прибора;
• получить данные от устройства USBLink в режиме реального времени;
• использовать журналы экспериментов, включающие в себя одновременно инструкции по проведению эксперимента, его настройки и отчет;
• использовать мультимедийные возможности, позволяющие сопровождать полученные данные синхронизированными видео- и аудиоматериалами;
• интуитивно понятно и просто управлять регистрацией данных.
Экран MultiLab состоит из четырех окон: графиков, таблиц, видео и навигации. Можно открыть все окна одновременно или одно из них. Еще одна полезная функция – журнал. Этот лабораторный инструмент позволяет ученику
посмотреть все предстоящие ему действия. Диалоговое окно программы представлено на рисунке 4.
Рис. 4. Окно программы MultiLab
2. ИЗУЧЕНИЕ СТРОЕНИЯ ПЛАМЕНИ СВЕЧИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ (ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ
ЧАСТЬ)
2.1. Опрос обучающихся БОУ г. Омска «Лицей №143»
Прежде чем приступить к исследованию строения пламени свечи с помощью современного оборудования, мы решили провести опрос с целью вы395
явить отношения обучающихся к использованию новых технологий на уроках
химии.
В опросе участвовали обучающиеся двух классов в количестве 47 человек. Им было предложено ответить на два вопроса:
1) интересно ли вам использовать современные технологии на уроке?
(да/нет)
2) Помогает ли это вам в изучении предмета? (да/нет)
Проанализированные результаты опроса представлены в виде диаграмм
на рис. 5.
Рис. 5. Результаты опроса обучающихся
Из диаграмм видно, что большинству учеников нравится и интересно использовать современные технологии на уроке, они считают, что это помогает в
изучении предмета.
2.2. Результаты исследования строения пламени свечи
При выполнении практической работы «Наблюдение за изменениями,
происходящими с горящей свечой» на уроке химии, мы выделили три зоны в
пламени свечи. Это деление основывалось на различном цвете пламени (рис. 6).
396
Рис. 6. Строение пламени свечи
Синяя зона – прилегающая к фитилю часть пламени. Она заполнена парами топлива (испарившегося воска), и здесь практически нет кислорода, а значит, и горения.
Оранжевая зона – зона, в которой возникает горение, то есть окисление
топлива попадающим сюда кислородом. Полного сгорания топлива в этой зоне
еще не происходит из-за недостатка кислорода. Температура здесь достигает
800-900 градусов Цельсия. Разогретые до этой температуры частицы несгоревшего топлива (сажа) светятся оранжевым светом.
Желтая зона – здесь нет недостатка кислорода. В этой зоне происходит
дальнейший разогрев, а потом и сгорание поступивших из оранжевой зоны частиц топлива. Желтый цвет – цвет разогретых до максимальной для нихз температуры частиц топлива. Желтая зона переходит в бесцветную зону полностью
сгоревших частиц, обладающую наивысшей температурой.
Мы решили доказать наличие трех зон в пламени свечи с помощью мобильной лаборатории Лабдиск и регистратором данных USBLink.
1. Изучение строения пламени с помощью Лабдиска
Для выполнения эксперимента мы собрали установку, состоящую из персонального компьютера, регистратора данных Лабдиск и термопары с диапазоном измерения температуры от 50 до 1200 градусов Цельсия.
Поочередно вводили термопару в каждую зону горения свечи и измерили
температуру. Чтобы вывести на экран результаты эксперимента, нажали на значок Столбчатая диаграмма (рис. 7).
397
Рис. 7. Результаты исследования пламени свечи в виде диаграммы
С помощью инструмента Статистика мы получили максимальные, минимальные и усредненные величины измерений температуры (рис. 8).
Рис. 8. Статистика датчика термопары
Чтобы сравнить значение температур в каждой зоне пламени мы открыли
таблицу с экспериментальными данными (табл. 1).
398
Таблица 1
Значение температуры в каждом
из четырех замеров
Замер
1
2
3
4
Термопара [°C]
25.2 (комнатная)
527.0
882.5
1062.7
2. Изучение строения пламени с помощью регистратора данных USBLink
Для выполнения эксперимента мы собрали установку, состоящую из персонального компьютера, регистратора данных USBLink и датчика температуры
с диапазоном измерения температуры от 0 до 1200 градусов Цельсия.
Произведя настройку регистратора, выставили частоту и количество замеров. Для начала мы замерили комнатную температуру, затем поочередно в
трех зонах пламени. Закончив эксперимент, нажали кнопку Стоп.
Для анализа результатов использовали кривую в координатах Температура – Время (рис. 9).
Рис. 9. Кривая зависимости температуры от времени
Заключение
При изучении строении пламени мы использовали такие современные
технологии, как мобильный регистратор данных Лабдиск и регистратор данных
USBLink.
Анализируя графики и табличные данные наших измерений, мы экспериментально доказали, что пламя свечи действительно имеет три зоны.
399
Для зоны 1, самой нижней, характерно небольшое синее свечение — там
много топлива и мало кислорода. Поэтому, происходит неполное сгорание топлива с образованием СО, который, окисляясь на самом крае конуса пламени,
придает ему синий цвет. В зону 2 за счет диффузии проникает больше кислорода, там происходит дальнейшее окисление топлива, температура больше, чем в
зоне 1, но его все же недостаточно для полного сгорания топлива. В зоне 1 и
зоне 2 содержатся несгоревшие капельки топлива и частицы угля. Из-за сильного нагревания они светятся. Испарившееся топливо и продукты его горения
— углекислый газ и вода — почти не светятся. В зоне 3 концентрация кислорода ещё больше. Там происходит догорание несгоревших частиц топлива, которые светились в зоне 2, поэтому эта зона почти не светится, хотя там самая высокая температура.
Учащиеся могут использовать полученные знания, например, чтобы измерить температуру в средней части гвоздя, поскольку именно там ее значение
будет более всего соответствовать средней температуре всего гвоздя.
Также применить знание о наличии трех зон пламени можно в аналитической химии, в частности, при получении окрашенных перлов для быстрой
идентификации минералов и горных пород, в том числе в полевых условиях, с
помощью паяльной трубки.
Библиографический список
1. Габриелян О.С. Химия. 8 класс: учеб .для общеобразоват. учреждений /
О.С. Габриелян. – 16-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2010. – 270 с.
2. Габриелян О.С., Остроумов И.Г., Ахлебинин А.К. Старт в химию //
Химия, Первое сентября, - 2006. - № 2. - С. 13–17.
3. Датчики цифровых лабораторий. Справочно-методическое пособие. –
М.: ИНТ, 2012. – 115 с.
4. Мобильная естественнонаучная лаборатория «Лабдиск Химия». Справочно-методическое пособие. – М.: ИНТ, 2012 – 78 с.
5. Строение
пламени
свечи
/
электронный
ресурс:
URL:
http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BB%D0%B0%D0%BC%D1%8F
6. Цифровая лаборатория Архимед 4.0. Лабораторные работы по химии. –
М.: ИНТ, 2012. – 64 с.
7. Цифровая лаборатория Архимед 4.0. Справочное пособие. – М.: ИНТ,
2012. – 80 с.
400
Приложение
Таблица 1
Ющенко Валерия, 9-1 кл. БОУ г. Омска «Лицей № 143»
Руководитель: Шокурова М. И., учитель химии БОУ г. Омска «Лицей № 143»
ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА БЕНЗИНА
РАЗНЫХ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ
Введение
Нефть, вероятно, является наиболее титулованным видом полезных ископаемых. Спутник нефти — горючий газ — именуют «голубым золотом», а саму
нефть называют «черным золотом». Нефть создала не только новый уровень
производительных сил общества, но и новую отрасль промышленности — неф401
техимию, возникшую на стыке органической химии, химии нефти и физической химии. Она же породила ряд негативных, прежде всего, экологических
проблем [1].
Мы рождаемся и живем в мире продуктов и вещей, полученных из нефти.
При переработке нефти получают различные продукты: керосин, парафин, газойль, бензин и другие. Автомобильный транспорт по мере своего развития
предъявлял все большие требования не только к количеству, но и к качеству
бензина. Качество автомобильного бензина определяется целым рядом показателей, в том числе такими, как величина октанового числа, фракционный состав, наличие вредных примесей (типа серы, бензола или олефинов) и т. п.
Целью нашего исследования является исследование качества бензина
разных производителей.
Задачи исследования:
• на основе литературных источников рассмотреть способы переработки
нефти и получение бензина, его химический состав и показатели качества;
• провести опрос населения для составления картины осведомлённости
потребителя о качестве бензина;
• экспериментально изучить качество бензина разных производителей,
сравнить результаты и сделать рекомендации потребителю.
Методы исследования: анализ литературных источников, химический
эксперимент, социологический опрос, органолептический, физико-химический
метод, анализ и сравнение.
Работа осуществлялась в 2 этапа: 1 – теоретический (анализ литературы)
и 2 – экспериментальный (анализ образцов бензина)
Теоретическая часть
Нефть известна человеку с глубокой древности. Вероятно, первое, что
вызвало интерес к нефти, — это ее вяжущие свойства. Ее использовали как
клей и как добавку к строительным материалам. В гробницах Ближнего Востока, в развалинах древних цивилизаций Америки находят украшения и различные конструкции, скрепленные нефтяным цементом.
Нефть в древнем мире была грозным оружием: подожженная нефть лилась на головы штурмующих крепостные стены, горящие стрелы, смоченные в
нефти, летели в осажденные города [2].
По составу нефть — это сложная смесь углеводородов различной молекулярной массы, главным образом жидких (в них растворены твердые и газообразные углеводороды). Также в ее состав входят кислородные, сернистые и азотистые органические соединения.
Нефть еще римскими врачами использовалась для изготовления лечебных
мазей. Они же первыми осуществили для этих целей и перегонку нефти. Современный способ перегонки состоит из двух стадий:
402
1) Первичная переработка нефти заключается в ее перегонке. Перегонку
производят на нефтеперерабатывающих заводах после отделения попутных газов. При перегонке нефти получают светлые нефтепродукты:
• бензин — С6—С8 (температура кипения от 40 до 180 °С): используется
как авиационное и автомобильное топливо;
• лигроин — С8—Си (температура кипения от 180 до 230 °С): используется как дизельное топливо и как растворитель в лакокрасочной промышленности, а также для переработки в бензин;
• керосин — С12—С1б (температура кипения от 230 до 300 °С): в течение
многих лет использовался для освещения, теперь это топливо для реактивных
двигателей;
• газойль — С15—С23 (температура кипения выше 300 °С): соляровое
масло как топливо.
2) Вторичная переработка нефти связана с изменением структуры углеводородов, входящих в ее состав. В первую очередь это процессы крекинга —
расщепления молекул углеводородов на молекулы с меньшим числом атомов
углерода, например:
С10Н22 → С5Н12 + С5Н10
Таким способом получают главным образом автомобильный и авиационный бензин. В этом случае выход его из нефти достигает 70% [5].
Впервые бензин был получен, когда решили из нефти «добывать» керосин. Это произошло в середине 19 века. А всё, что получалось при этом, просто
сжигали. Первый завод для очистки нефти был построен в России на Ухтинском
нефтяном промысле в 1745 году. До конца 19 века бензин не находил лучшего
применения, чем антисептическое средство (бензин продавался в аптеках) и топлива для примусов. Однако с появлением двигателя внутреннего сгорания, работающего по циклу Отто, бензин стал одним из главных продуктов нефтепереработки [7].
Популярность машин быстро росла. В 1891 г. русский инженер Шухов
изобрел крекинг (от англ. cracking – расщепление), что дало возможность значительно повысить выход бензина из нефти. Способность этого топлива противостоять детонации (способность топлива противостоять самовоспламенению
при сжатии. Это важнейшая количественная характеристика топлива, на основе
которой определяется его сортность и применимость в двигателях той или иной
конструкции) характеризуют так называемым октановым числом: чем оно выше, тем бензин лучше [4].
Октановое число — показатель, характеризующий детонационную стойкость. Число равно содержанию (в процентах по объёму) изооктана (2,2,4триметилпентана) в его смеси с н-гептаном.
403
В первую очередь, не следует путать качество и сортность бензина: бензин более низких сортов (например, А-76) вовсе не обязательно является менее
качественным, чем высокооктановый, а просто рассчитан на иные условия работы. Также не является он и более экологически вредным (скорее наоборот, так
как в его составе содержится меньшее количество присадок, некоторые из которых достаточно токсичны) [6].
Экспериментальная часть
Экспериментальная часть исследования качества бензина одного сорта,
но разных производителей.
Сначала мы провели социологический опрос населения с целью узнать
мнение потребителей о качестве бензина. Задавалось три вопроса:
1) На какой заправке Вы заправляетесь?
2) Как Вы считаете, влияет ли качество бензина на двигатель?
3) Как Вы считаете, влияет ли качество бензина на его цену?
В опросе поучаствовали 20 респондентов, результаты представлены на
диаграммах (см. рисунок 1, 2, 3).
Рис. 1. На какой заправке Вы заправляетесь?
Рис. 2. Как вы считаете,
влияет ли качество бензина на двигатель?
Рис. 3. Как вы считаете, влияет ли качество бензина на его цену?
404
Из диаграмм видно, что большинство опрошенных предпочитают заправляться на АЗС «Газпром – нефть», считают, что качество бензина влияет на
двигатель и его цену.
Анализ качества бензина проводился на сорте А-92, так как он является
самым популярным у автолюбителей.
1. Определение наличия воды в бензине
а) Исследуемые образцы налить в пробирки по 3 мл, добавить в каждую
пробирку 1 г сульфата меди. Если окраска раствора стала голубой, то в пробе
присутствует вода.
СuSO4 + 5Н2О = CuSO4 * 5H2O
(образование кристаллогидрата медного купороса)
б) Исследуемые образцы налить в пробирки по 3 мл, добавить в каждую
пробирку по 3 г негашеной извести СаО. Добавить несколько капель индикатора фенолфталеина. Если окраски раствора изменилась на малиновую, значит
образец бензина содержит воду.
СаО + Н2О = Са(ОН)2 ; Са(ОН)2 = Са2+ + 2ОН‾
2. Определение наличия щелочи в бензине
Налить по 3 мл исследуемых образцов в пробирки и добавить несколько
капель фенофталеина. Если окраска изменилась на малиновую, значит в пробе
присутствует щелочь.
Для достоверности результатов использовали также электронный датчик
определения pH растворов.
3. Определение фактических смол в бензине
На предметные стекла поместить по 2 капли исследуемых проб бензина и
поджечь их. Посмотреть, что осталось на стекле, после полного сгорания бензина. Если пятен не осталось, значит образец содержит очень маленькое количество фактических смол.
CxHy + nO2 = nCO2 + nH2O
4. Качественное определение серы в бензине
Медные пластинки погрузить в исследуемые образцы бензина на сутки.
Если пластинка без каких-либо пятне, значит в бензине не содержится серы и
ее соединений.
Cu + S = CuS,
5. Определение механических примесей
Посмотреть наличие осевших частиц на дно пробирки, после тщательного
встряхивания образца бензина.
Полученные результаты исследования занесены в таблицу 1.
Из таблицы видно, что качество бензина по основным показателям хорошее, но появление слабо-голубого и слабо-розового окрашивания позволяет
405
сделать вывод, что в составе бензина все таки имеется вода. Ярко-розовая окраска образца бензина с АЗС «Топлайн» говорит о явном разбавлении продукта, а
значит обмане потребителя.
Таблица 1
Результаты исследования
Образцы бензина
Показатели
наличие воды
а) с помощью СuSO4
б) с помощью CaO
наличие щелочи
наличие фактических
смол
наличие серы
наличие механических
примесей
АЗС «Газпромнефть»
АЗС «Топлайн»
АЗС «Лукоил»
бледно-голубое
окрашивание
бледно-голубое
окрашивание
бледно-голубое
окрашивание
слабо розовое окрашивание
сильно розовое окрашивание
слабо розовое
окрашивание
отсутствует
отсутствует
отсутствует
отсутствует
отсутствует
отсутствует
отсутствует
отсутствует
отсутствует
отсутствует
отсутствует
отсутствует
Можно ли самостоятельно определить качество бензина?
Одна из проверок - это проверка плотности бензина денситометром. Такие приборы (ещё они называются ареометром или плотномером) выпускаются
и для бытовых нужд. Они могут быть снабжены термометром, так как плотность зависит от температуры. В принципе денситометры должны быть на каждой заправке и водитель вправе потребовать измерить плотность бензина. Как
пользоваться прибором рассказано в инструкции. Ориентировочно плотность
бензина при 20 градусах Цельсия А-80 равна 0,73 г см куб, АИ-95 0,75 г см куб,
АИ- 98 0,78 г см куб. Подчёркиваю данные примерные, но они должны соответствовать паспорту на бензин.
Если Вы хотите взять пробу бензина, знайте, что в стеклянную и обычную пластиковую посуду Вам бензина не нальют. Нужна или пластиковая канистра специально предназначенная для бензина или же металлическая канистра. Для проведения дальнейших проверок Вам нужно небольшое количество
бензина, его лучше всего наливать в конце заправки, когда насос качает очень
медленно. Прежде всего обращайте внимание на запах бензина. Присутствие
запаха нафталина, сероводорода или горючего газа говорит о том, что бензин
разбавлен или содержит вредные примеси. Можно с заправочного пистолета
капнуть бензина на палец, хороший бензин быстро высыхает и не оставляет
жирных пятен.
406
Наличие примесей в бензине легко определить, если капнуть его на кусок
стекла, маленькое зеркальце, поджечь и посмотреть на то, что осталось после
горения. Белый оттенок свидетельствует о качественном бензине, жёлтый и коричневый осадок явный признак наличия примесей. Кстати, такой же осадок
будет и внутри камер сгорания. Наличие воды в бензине определяется при помощи марганцовки. Бросьте несколько кристаллов марганцево-кислого калия в
пробирку с бензином, если топливо порозовеет - в нём есть вода. Для этой проверки можно использовать химический карандаш, на бумаге, смоченной в бензине он не должен оставлять фиолетового цвета. При всех этих проверках не
забывайте, что бензин ядовит и горюч [8].
Трудности
Пути решения
Неполнота знания потребителей
о показателях качества бензина
Разработка памятки-рекомендации
автолюбителям
Анализ малого количества бензина
(большинство потребителей
не имеет возможности)
Фальсификация бензина
(разбавление водой)
В целях информирования потребителей мы решили разработать памятку
«Что вы знаете о бензине?» (см. приложение 1).
Заключение
Химическая стабильность бензина характеризует его способность противостоять окислению и химическим изменениям при длительном хранении,
транспортировании и применении.
Мы проводили исследование с целью выявления недостатков бензина,
сравнения и анализа результатов. Благодаря ему мы сможем донести до людей
информацию о качестве продукции, чтобы они были более грамотные в этом
вопросе. Также, мы сможем предложить кампаниям, варианты улучшения качества бензина.
Анализ образцов показал, что производители в погоне за прибылью прибегают к разбавлению бензина водой, о чем свидетельствует появление окрашивания. На наш взгляд улучшение качества продукции не приведёт к большим затратам, зато привлечёт внимание потенциальных покупателей.
После проведённой работы мы составили памятку для автолюбителей,
которая поможет им быть более внимательными в выборе автозаправок.
Библиографический список
1. Алексеев С.В, Практикум по технологии производства бензина и дизельного топлива – Санкт-Петербург, АО КРИСМАС +, 2005.
2. Баранник В.П. Жидкости, которые заливают в автомобили – М.: Издательство стандартов, 2002.
407
3. Габриелян О.С. Химия 10 класс. Учебник, 16-е издание, переработанное – М.: Дрофа, 2010. – 270 с.
4. Н.Л. Общая: учеб. пособие для вузов / Н.Л. ; под ред. А.И. Ермакова. М.: Интеграл-Пресс, 2003. - 728 с
5. Гоголев В. Экологические проблемы при использовании различных
марок бензина – М.: Издательство стандартов, 2000
6. Егоров Е. Бензины – М.: Издательский центр Техинформ. – 2003.
7. Романов И.А. Производство бензина – М.: Стройиздат, 2006.
8. Avtoadmin. Интернет-статья: «Что должен знать о бензине каждый водитель»
Приложение 1
Памятка «Что вы знаете о бензине?»
1) От чего зависит качество?
Октановое число. Оно является одной из важнейших характеристик бензина, обозначает степень стойкости топлива к детонации (процессу очень быстрого, взрывного сгорания рабочей смеси). Детонация приводит к пригоранию
поршней и выпускных клапанов.
Кроме октанового показателя, качество бензина определяется уровнем его очистки от механических примесей, содержанием кислот, щелочей, органических и сернистых соединений.
2) Зависит ли от бензина расход топлива?
Нет, не зависит. Он зависит от состояния двигателя автомобиля и от манеры езды.
3) От чего зависит состояние двигателя автомобиля?
Причина, которая может не только сократить срок службы двигателя вашего автомобиля, но и запросто его «убить». Речь идёт об отходах нефтеперерабатывающей промышленности, которые нам, повсеместно и с завидным постоянством, стараются продать, за не малые деньги, под видом бензина на АЗС.
4) Как сохранить двигатель автомобиля в этом случае?
Заправляться на проверенных заправках, не «гоняться» за дешевизной,
потому что она потом может выйти Вам в «копеечку».
Счастливого пути! Берегите себя и свою машину!
Не забывайте о безопасности на дороге.
408
Гайдукова Анастасия, 8-2 кл., БОУ г. Омска «Лицей № 143»
Руководитель: Шокурова М. И., учитель химии
БОУ г. Омска «Лицей № 143»
ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ВОДЫ В РЕКЕ ИРТЫШ
Введение
В 2010 году в Российской Федерации была разработана государственная
программа «Чистая вода», основой её стали следующие слова: «Обеспечение
населения чистой питьевой водой является приоритетным направлением политики социально-экономического развития России. Доступность и качество
питьевой воды определяют здоровье нации и качество жизни»
Цель работы: исследование качества воды в реке Иртыш.
Задачи исследования:
• на основе литературных источников дать краткое описание показателей
качества воды, найти информацию о предельно допустимых концентрациях
вредных веществ.
• провести исследовательскую работу по изучению качества воды в реке
Иртыш.
Методы исследования: анализ литературных источников, органолептические и физико-химические.
1. Теоретическая часть
Наиболее распространённым, опасным и повсеместным загрязнителем
воды стали нефтепродукты. Этому способствует широкое использование нефти
и нефтепродуктов в различных отраслях хозяйства, добычи нефти в прибрежных районах и на шельфах внутренних морей, потери при её транспортировке.
Попав в водоём, одна тонна нефти растекается на его поверхности на площади
12 км2 . Особенно сильные бедствия происходят во время аварий при добыче и
транспортировке нефти. Даже незначительное содержание её (0,2-0,4мг/л) придаёт воде специфический запах, который в течение долгого времени не удаётся
устранить никакими способами.
В сточных водах химических предприятий находится много фенолов, которые не только придают воде резкий, неприятный запах, но и нарушают биологические процессы в водоёмах. Стоки многих предприятий, а также шахтные
и рудничные воды содержат значительные количества цинка и меди. Появившиеся в последние десятилетия в сточных водах синтетические поверхностноактивные вещества резко ухудшают биохимическую очистительную способность воды. Даже относительно небольшие концентрации их ведут к прекращению роста водной растительности, неприятному запаху, иногда образуют стойкие скопления пены.
409
Тепловые и атомные электростанции, потребляющие огромные количества воды и сбрасывающие в водоёмы подогретые воды, ведут к тепловому загрязнению водоёмов, нарушают их термический, гидрохимический и гидробиологический режимы.
Ежегодно в атмосферу Земли с промышленными выбросами поступает
более 50 млн. тонн оксидов азота, 200 млн. тонн оксида углерода, около 150
млн. тонн пыли и 120 млн. тонн золы. Воздушные потоки перемещают твердые
частицы на большие или меньшие расстояния, а по пути они нередко выпадают
непосредственно на водную поверхность. Газообразные выбросы, растворяясь в
атмосферной влаге, выпадают на поверхность Земли и водных объектов в виде
кислотных дождей иногда на расстоянии многих сотен километров от места их
зарождения.
Существенный источник загрязнения воды - коммунальное хозяйство населенных пунктов. В составе коммунальных стоков, наряду с фекальными водами, которые содержат особо опасные для здоровья человека яйца гельминтов
, а также болезнетворные микробы и вирусы, имеется много вредных соединений, сбрасываемых предприятиями пищевой промышленности, автомобильного
транспорта, общественного питания, торговли.
Ливневые стоки с городских территорий, площадь которых измеряется
десятками, сотнями и тысячами квадратных километров, включает значительное количество нефти, органических продуктов. В отличие от бытовых и промышленных стоков их большей частью не подвергают очистке. Эти стоки поступают в водоёмы в период весеннего снеготаяния и интенсивных и продолжительных дождей.
Важнейшими экологическими проблемами современности, выделенными
ООН в качестве приоритетных для XXI века, являются загрязнение поверхностных вод, служащих основным, а иногда и единственным источником водоснабжения населения и промышленности.
Иртыш — одна из немногих трансграничных рек Сибири — испытывает
тяжелый антропогенный пресс из-за загрязнения сточными водами промышленных комплексов Республики Казахстан и Сибири и зарегулирования верхнего течения каскадом водохранилищ - Бухтарминским, Усть-Каменогорским и
Шульбинским. Поскольку долина Иртыша издавна является территорией интенсивного земледелия, огромное влияние на экосистему реки оказывают стоки
с сельскохозяйственных угодий, животноводческих комплексов, продукты эрозии почв и неочищенные сточные воды множества населенных пунктов. Водосборная площадь бассейна Иртыша в пределах Республики Казахстан подвержена значительному техногенному загрязнению тяжелыми металлами, что создает серьезную угрозу здоровью населения.
410
Можно ли купаться в такой воде? Руководитель отдела санитарного надзора Андрей Сердюков утверждает, что более 60% проб воды Иртыша не соответствуют нормативам. Основной проблемой реки является сброс сточных вод
омских предприятий и дорог, который производится из-за отсутствия в городе
ливневой канализации. Не стоит забывать и тот факт, что Омск по водопотреблению и качеству питьевой воды находится на последнем месте в рейтинге
крупных городов, составленном Минприроды РФ.
По данным исследований, проведенных 30 июня 2013 года, вода в реке
Иртыш в границах всех пяти пляжей города Омска не отвечает требованиям санитарных правил по микробиологическим показателям. Содержание бактерий
превышено в 18 раз! Установлено несоответствие санитарным правилам качества воды по паразитологическим показателям на Кировском и Центральном
пляжах, обнаружены лямблии. И на всех пляжах - по санитарно-химическим
показателям повышенное содержание железа. Также в песке на дне реки повышено содержание бактерий группы кишечной палочки.
Река Иртыш довольно обильно загрязнена различными органическими
веществами. Они легко подвергаютсяе брожению и гнилостному разложению с
выделением аммиака, сероводорода, метана и др. Это приводит к резкому дефициту кислорода, нарушению гидрохимического режима водоемов и гибели
рыб от замора и токсикозов. К органическим загрязнителям со специфической
токсичностью относят нефть и нефтепродукты, смолы, органические кислоты,
спирты и кетоны, органические красители, поверхностно-активные вещества,
пестициды. Согласно данным областного мониторинга и санитарноэпидемиологического надзора, вода в Иртыше за последние годы оценивается
как «грязная» и «очень грязная». Высокие концентрации вредных веществ отмечаются на всем протяжении Иртыша, начиная от границы с Казахстаном до
села Усть-Ишим.
Притоки Иртыша, на которых проводился водный мониторинг, также
подвержены химическому и биологическому загрязнению, так как река Омь содержит в своих водах нефтепродукты, фенолы, цинк, соединения железа, меди,
марганца в концентрациях превышающих ПДК.
По итогам всего вышесказанного, купаться в Иртыше настоятельно не рекомендуется. Велик риск подхватить нежелательное заболевание. Пить воду из
реки и вовсе не рекомендуется, это опасно для здоровья. Но, к счастью, в последнее время правительство настроено в корне изменить экологическую ситуацию всех водоемов Омской области. С начала 2014 года ведется усиленная
очистка нашей реки.
Из государственной казны на это благородное дело выделяются приличные суммы: до нескольких десятков миллионов рублей.
411
Очистка Иртыша, как и всех остальных сточных вод, делится на несколько этапов:
1. Механический. Для задержания крупных загрязнений органического
и минерального происхождения применяются специальные решётки и сита.
Максимальная ширина прозоров решётки составляет 16 мм. Отбросы с решёток
либо дробят и направляют для совместной переработки с осадками очистных
сооружений, либо вывозят в места обработки твёрдых бытовых и промышленных отходов. В результате этой очистки удаляется до 60 % загрязнений.
2. Биологический. Биологическая очистка предполагает деградацию органической составляющей сточных вод микроорганизмами - бактериями и простейшими. На данном этапе происходит минерализация сточных вод, удаление
органического азота и фосфора, главной целью является снижение биологического потребления кислорода.
3. Физико-химический этап. Используется для очистки от растворенных
примесей, а в некоторых случаях и от взвешенных веществ.
4. Дезинфекция сточных вод. Для окончательного обеззараживания вод
предназначенных для сброса на рельеф местности или в водоем применяют установки ультрафиолетового облучения.
Для обеззараживания биологически очищенных сточных вод, наряду с
ультрафиолетовым облучением, которое используется, как правило, на очистных сооружениях крупных городов, применяется также обработка хлором в течение 30 минут.
Анализируя источники литературы, мы выделили основные показатели,
характеризующие качество воды в водоемах (см. таблицу 1).
Таблица 1
Нормативы ПДК для водоемов
Показатели
1.Органолептические
- цвет (окраска)
- прозрачность
- запах
Химические
- pH
- ионы аммония
- хлорид ионы
- сульфат ионы
- фенол
-нитрит ионы
- железо общее
- окисляемость
(наличие кислорода)
Единицы
измерения
Нормативы ПДК
для водоёмов
Окраска не должна обнаруживаться в
столбце жидкости высотой 20 см
см
≤2балла
6,5 до 8,5
2,6
350
500
0,1
0,002
0,3
до 4
мг
/л
мг
/л
мг
/л
мг
/л
мг
/л
мг
/л
мг
/л
412
Экспериментальная часть
Определение физико-химических показателей
1. Запах
Сила и характеристика при пятибалльной шкале
Баллы
Степень
Характер запаха
0
Нет запаха
Запах совсем не ощущается
1
Очень слабый
Запах обычно не наблюдается, определяется
только опытным путем
2
Слабый
Запах обнаруживается потребителем
3
Заметный
Запах легко замечается, заставляет воздержаться от питья.
4
Очень слабый
Запах резко выраженный, вода непригодна для питья
2. Окраска
Определение цвета (окраски) воды в столбике высотой 20-10 см.
3. Прозрачность.
Прозрачность – это светопропускание. Светопропускание воды зависит от
мутности и цветности. Для определения прозрачности используется стеклянный сосуд – цилиндр под дно, которого подложил типографский шрифт, хорошо освещенный. Сосуд наполнен пробной водой до такой высоты, что бы буквы, рассматриваемые сверху, стали плохо различимы.
4. Содержание кислорода в воде
Данный показатель дает возможность судить о количестве органических
веществ в воде. Органика окисляется в воде, в результате вода обедняется кислородом, кроме того, на субстрате начинают развиваться сине-зеленые и красно-коричневые водоросли. Для определения окисляемости необходимо налить
в пробирку 10 мл образца. Добавить 0,5 мл 30%-ной серной кислоты и 1 мл
0,01%-ного раствора перманганата калия (марганцовки). Смесь перемешать и
оставить на 20 минут. О количестве органических веществ можно будет судить
по цвету жидкости, чем светлее жидкость, тем органических веществ больше.
Если раствор остался ярко-розовым, то содержание растворенного кислорода в воде можно считать = 1мг/л., если окраска раствора стала лиловорозовой, то 2мг/л.,если слабо лилово-розовой, то 4мг/л., если бледно-лиловорозовой, то 6мг/л., если бледно-розовой, то 8мг/л., если желтой, то 16мг/л.
5. Определения сульфатов.
В пробирку вносят 10 мл исследуемой воды, 0,5 мл раствора соляной кислоты (1:5) и 2 мл 5% раствора хлорида бария, перемешивают. По характеру
413
выпавшего осадка определяют ориентировочное содержание сульфатов: при
отсутствии мути - концентрация сульфат - ионов менее 5 мг/л; при слабой мути,
появляющейся не сразу, а через несколько мин.-5-10 мг/л; при слабой мути, появляющейся сразу после добавления хлорида бария,-10-100мг/л; сильная, быстро оседающая муть свидетельствует о достаточно высоком содержании сульфат- ионов (более100мг/л)
6. Определения хлоридов в воде.
Для определения хлоридов к 5 мл воды добавить 2 капли 30%-ной азотной кислоты и 3 капли 10%-ного раствора нитрата серебра.
7. Определение общего железа
В пробирку помещают 10 мл исследуемой воды, прибавляют 1 каплю
концентрированной азотной кислоты, несколько капель раствора пероксида водорода и примерно 0,5 мл раствора роданида калия. При содержании железа 0,1
мг/л появляется розовое окрашивание, а при более высоком - красное.
Результаты исследования представлены в виде таблицы (см. таблицу 2).
Таблица 2
Результаты исследования
Показатели
запах
окраска
прозрачность
содержание кислорода
содержание сульфатов
содержание хлоридов
содержание железа
кислотность среды pH
Полученные результаты
2 балла
бесцветная
более 30 см
1 мг/л
10-100 мг/л
7,5
Анализируя полученные результаты работы, пришли к выводу, что основные показатели качества воды на территории нашей местности близки к
норме. Но это не значит, что вода сохранит эти показатели качества в будущем.
Заключение
В ходе проведения исследования удалось установить, что допустимая
концентрация химических веществ в воде из Иртыша не превышает норму.
Можно было бы предположить, что купаться и плавать в реке можно, причем
безопасно для здоровья. Но стоит помнить, что результаты исследования, проведенные научными лабораториями города Омска, говорят обратное, высоко
содержание вредным микроорганизмов, которые могут привести к серьезным
заболеваниям. К сожалению, в условиях школьной химической лаборатории
проверить воду на наличие кишечных инфекций не является возможным.
414
Результаты работы могут быть полезны для населения города Омска,
а также на уроках химии или экологии при изучении вопросов качества воды.
Библиографический список
1. Габриелян О.С. Химия 8 класс. Учебник, 16-е издание, переработанное
– М.: Дрофа, 2010. – 270 с.
2. Давыдова С.Л., Тагасов В.И. Нефть и нефтепродукты в окружающей
среде. Учеб. пособие. - М.: Изд-во РУДН, 2004. - 163 с.
3. Дидактические материалы к учебнику Л.С. Гузея, В.В. Сорокина «Химия 8 кл.»/ Р.П. Суровцева, М.И. Виноградова.- Дрофа, 2003
4. Новенко Д.В. Школьный практикум. География: Практические работы
на местности.6-9 кл.- М.: Дрофа,1997 .
Ерёменко Марк, 11 кл. БОУ «Гимназия № 19»
Киреева Ольга, 11 кл. БОУ «Гимназия № 19»
Леонов Никита, 11 кл. БОУ «Гимназия № 19»
Научный руководитель: Русакова А. В., БОУ «Гимназия № 19»
ИССЛЕДОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ВИТАМИНОВ Р И С
В РАЗЛИЧНЫХ СОРТАХ ЧАЯ
Введение
Чай известен человечеству с незапамятных времен. Этот напиток породил
целые культуры – в Китае, Японии, Англии. Сейчас чай является одним из самых популярных тонизирующих напитков в мире.
Чай-это напиток, получаемый варкой, завариванием или настаиванием
листа чайного куста. Из-за своих вкусовых и полезных качеств он полюбился
людям со всего мира еще с древних времен. Первые упоминания о чае встречаются в китайских рукописях, возраст которых около 5000 лет. Родиной чая
можно считать Китай. Именно китайцы обратили внимания на способность отвара из листьев оказывать тонизирующее воздействие на организм. На сегодняшний день чай выращивается во многих точках нашей планеты и имеет
множество видов и полезных свойств.
Одним из таких свойств является наличие немалого количества витаминов в заваренном чае. Мы заинтересовались концентрацией витаминов Р и С в
трех сортах чая – в зеленом, в черном и в каркадэ.
Гипотеза: в любом чае витамина Р содержится больше, чем витамина С.
415
Цель работы: определить концентрацию таких важных витаминов как
витамин Р и витамин С в трех представленных сортах чая – черном, зеленом и
каркаде.
Задачи:
1. Изучить литературные источники и найти информацию о пользе и значении витаминов Р и С для человека
2. Изучить методы титрометрии для определения содержания витаминов
в чае
3. Экспериментально определить концентрацию витаминов в трех сортах
чая
4. Сделать соответствующие выводы
Методы исследования:
1. Изучение литературных источников
2. Проведение экспериментов
Теоретическая часть
Чай (рис. 1) – напиток, получаемый варкой, завариванием и/или настаиванием листа чайного куста, который предварительно подготавливается специальным образом. В широком смысле «чаем» может именоваться также любой
напиток, приготовленный путём заваривания предварительно подготовленного
растительного материала. [4]
Классификация чая
Чай делят по многим признакам. Но основными характеристиками чая
являются тип чайного куста, тип обработки чайного листа.
По типу чайного куста выделяют три разновидности: китайскую, ассамскую и камбоджийскую. Однако в наше время чаем называют не только напиток и самого чайного листа, но и из других трав, так называемые травяные чаи.
Травяной чай чаще всего изготавливают из ромашки, смородины, шиповника,
зверобоя, тимьяна, душицы, мяты, каркаде, мате. [3]
Существует множество способов обработки чая, в том числе вяление,
сушка, скручивание, ферментация и т.д. В зависимости от них получают множество чаев, названия которых чаще всего связаны с цветом. По типу обработки чайного куста выделяют:
• Зеленый. Открытие чайного напитка легенды приписывают китайскому
императору Шєнь Нуну (2737 год до н. э.). Во время одного из его путешествий
в котелок с кипящей водой упало несколько листьев чайного куста, придав содержимому приятный вкус и золотисто-желтый цвет. Императору понравился
необычный вкус и тонизирующие свойства напитка. С тех пор зеленый чай стал
национальным продуктом Китая, который богатству ассортимента и объему
чайного производства по нынешний день занимает первое место в мире. Зеле416
ный чай относится к неферментированным чаям. Благодаря тому, что в процессе обработки зеленый чай проходит лишь два этапа - скручивание и сушку, сохраняются все витамины и полезные вещества, которыми богат свежий чайный
лист. Имеет неяркий настой от желтоватого до зеленого цвета, с ярким ароматом
и насыщенным вкусом.
• Черный. Очень популярны в России различные виды черных чаев (в
Китае черный чай называют красным). Это наиболее ферментированный чай,
который проходит максимальное число операций, прежде чем поступить в продажу. Его основными производителями являются Индия , Шри-Ланка и Китай .
Индийский чай имеет насыщенный вкус и солодовый аромат. Некоторые из них
меняют свой вкус и аромат в зависимости от времени сбора: от терпкого вкуса
со свежим и цветочным ароматом до мускатного напитка с фруктовым ароматом. Цейлонский чай дает крепкий золотистый напиток с мягким вкусом и
сильным ароматом. Китайский - разнообразен по оттенку вкуса и аромата с характерной мягкостью и бархатистостью.По ароматическим и вкусовым свойствам зеленый чай настолько отличается от черного чая, что потребитель иногда
считает, что в их основе лежат разные виды сырья. Как уже писалось выше,
разница между ними заключается только в способах переработки чайного листа
одного и того же куста.
• Желтый. Производится только в китайской провинции Фуцзянь. Желтые чаи по своим свойствам близки к зеленым, но благодаря легкой ферментации, дает желтый настой при заваривании. Обладает особыми тонизирующими
и стимулирующим воздействием. Желтые чаи являются элитными и дорогими
чаями, которые вплоть до начала 20в. под страхом смертной казни было запрещено вывозить из Китая.
• Белый. Белый чай можно отнести к самым редким и дорогим чаям, к
тому же он весьма чувствительный к транспортировке и хранению продукт.
Секрет приготовления белого чая долгое время был доступен лишь ближайшему окружению китайского императорского двора и оберегался под страхом
смертной казни. Тайна была разгадана лишь в ХVI веке благодаря зятю императора - Оу Ян-Луню, который поделился этим секретом с иностранцами, расплатившись за это своей жизнью. Для приготовления этого элитного напитка используются нежнейшие молодые листочки и нераспустившиеся почки, которые
подвергаются минимальной обработке Сбор урожая происходит один раз в год в
течение двух дней, тщательно выбранных с учетом погодных условий, что позволяет сохранить всю тонкость и богатство вкуса молодого чайного листа.
Процесс производства включает только завяливание и сушку. В результате заваривания различных сортов белых чаев получается напиток с цветочным ароматом и удивительно приятным вкусом. По целебности белому чаю нет равных
среди других чаев.
417
Красный. Оолонг, или улун,что в переводе с китайского языка означает
«Черный дракон», принято называть красным чаем за его промежуточное положение между неферментированным зеленым и полностью ферментированным
черным. Благодаря своим ярко выраженным вкусовым характеристикам оолонг
значительно выделяется среди других видов чаев. По содержанию эфирных масел в чайном листе не имеет равных. Он содержит более 400 видов полезных
для организма человека химических элементов (соединения полифенола, кофеин, витамины С, D, E, К, В1, В3, В6, В12, а также кальций, фосфор, железо, йод,
магний, селен, цинк, марганец, и др.). Укрепляет сопротивляемоть организма
болезням и противодействует образованию опухолей, способствует укреплению
стенок кровеносных сосудов, является исключительным природным средством
для похудения.
• Пуэр - прессованный чай, изготовленный по специальной технологии
из зеленого чая. Обычно чаи пуэр поставляются в виде различных прессованных форм – плиток, кирпичей, лепешек и т.д. [5]
Состав чая. Чайный напиток представляет собой сложную комбинацию
веществ, оказывающую многоплановое и в целом благотворное воздействие на
организм человека. Общее число химических соединений, входящих в его состав, выделенных на конец XX века, составляет около 300, некоторые из них
ещё не идентифицированы, а биохимическая роль некоторых из известных определена лишь в общих чертах.
Характерные группы веществ, присутствующих в чае:
• Дубильные вещества, в частности, танин, ответственный за характерный терпкий вкус чая.
• Эфирные масла, сообщающие чаю аромат и влияющие на его вкусовые
качества.
• Алкалоиды, прежде всего, теин (чайный кофеин), благодаря которым
чай воздействует на нервную систему.
• Белки и аминокислоты, оказывающие влияние на обмен веществ.
• Биологические пигменты, ответственные за окраску чая (теарубигены,
теафлавины, каротин, хлорофилл, ксантофилл).
• Витамины.
Помимо этого, в чае имеются органические кислоты, минеральные вещества, из которых отдельно можно отметить соединения фосфора, фтора и калия,
углеводы, пектины. Соотношение количества тех или иных веществ во многом
определяется видом и сортом чая, а присутствие их в готовом напитке — правильным завариванием. [1]
Биологические свойства чая
Воздействие чая на различные системы органов. Как утверждал Похлёбкин В.В. [2], умеренное употребление чая оказывает благотворное воздей418
ствие на самые различные системы органов человека, что позволяет говорить
о нём не только как о повседневном напитке, но и как о профилактическом,
а иногда даже лечебном медицинском средстве.
Желудочно-кишечный тракт. Крепкий чай нормализует пищеварение,
в том числе при тяжёлых желудочно-кишечных расстройствах. Теотанин обладает сильным бактерицидным действием. Исследования С. Я. Бердыевой
(Туркмения, 1955) подтвердили эффективность зелёного чая при лечении даже
таких заболеваний, как дизентерия и брюшной тиф. Теотанин оказывает благотворное влияние на тонус желудочно-кишечного тракта. Кроме непосредственного действия активных компонентов, чай способствует адсорбции и последующему выведению вредных веществ. Употребление чая после еды облегчает
переваривание пищи, в том числе «тяжёлой» (жирной, мясной).
Сердечно-сосудистая система. Совместное действие танина и кофеина
приводит к нормализации работы сердца, расширению сосудов, устранению
спазмов, нормализации артериального давления. Долговременное воздействие
чая на сосудистую систему основано, главным образом, на эффектах действия
витамина P, который способствует укреплению стенок сосудов и повышению
их эластичности, укрепляет печень, способствуя, таким образом, улучшению
качества крови и насыщению её витаминами. Соли железа, содержащиеся в чае,
усиливают циркуляцию крови. Китайские исследования 1980-х годов подтвердили, что настои улунов способствуют ликвидации тромбов, улучшению состояния сосудов и сильно понижают уровень холестерина в крови.
Органы дыхания. Во время питья чая объём вдыхаемого и выдыхаемого
воздуха увеличивается по сравнению как с состоянием покоя, так и с питьём
других напитков, в частности, кофе. При простудных заболеваниях органов дыхания чай полезен не только как потогонное и общеукрепляющее средство, но и
как стимулятор дыхательной деятельности.
Мочевыделительная система и другие внутренние органы. Теобромин
и кофеин стимулируют работу почек, поскольку обладают лёгким мочегонным
действием. Отмечено, что в Китае, где в больших количествах употребляются
качественные зелёные чаи и улуны, сравнительно редки заболевания, связанные с образованием камней в почках, мочевом пузыре и печени. Благодаря абсорбирующим свойствам чая он действует как средство очистки почек и печени
от накапливающихся там вредных веществ. Чай способствует накоплению витамина C во внутренних органах, что положительно сказывается на их устойчивости к заболеваниям.
Лечение ожогов. На действии витамина P основано использование чая
для лечения ожогов, в том числе химических и радиационных. Издавна существуют рецепты, рекомендующие для лечения повреждений кожи, ожогов кожи и
419
слизистых растёртых чайных листьев, чайного настоя либо растёртого в порошок сухого чая.
Нервная система. Общеизвестен эффект действия чая на психическое
состояние и работоспособность человека: чай действует как средство, одновременно успокаивающее, снимающее сонливость, повышающее общую работоспособность, снимающее головную боль и усталость, способствующее творческому мышлению. В отличие от ряда других тонизирующих средств, в том числе кофе, какао или чистого кофеина, чай действует длительно, мягко и не вызывает в нормальных дозах отрицательных эффектов для сердечно-сосудистой
системы. Чай действует на нервную систему, большей частью опосредованно.
Эффект повышения работоспособности и эффективности мышления наступает,
главным образом, из-за улучшения снабжения мозга кислородом, возникающего благодаря воздействию веществ чая на сосуды, сердце и лёгкие. Снятие
спазмов сосудов, общее улучшение кровоснабжения мозга быстро снимает усталость нервных клеток, а поскольку именно она обычно ответственна за общее
чувство усталости (современный человек редко действительно устаёт физически) — человек чувствует себя отдохнувшим. Этим же отчасти обусловлено
действие чая на психическое состояние в целом — человек, почувствовав себя
лучше, естественно, становится спокойнее и благодушнее.
Витамин Р
Витамин Р– это природное соединение, объединяющее группу биологически активных веществ под названием флавоноиды. В неё входят порядка 150
элементов: гесперидин, эскулин, антоциан, катехин и так далее. В силу того,
что витамин Р может частично покрывать потребность организма в витамине
С, ему дали дополнительное имя витамин С2 или С-комплекс. Но его более
употребляемое, хотя и не совсем точное название «рутин», так как рутин – это
всего лишь один из многих веществ, относящихся к группе флавоноидов.
Открытие. Своим открытием витамин Р обязан американскому биохимику
венгерского происхождения Альберту Сент-Дьёрди. В 1936 году ему удалось
выделить из лимонной кожуры некое вещество, действие которого положительно сказывалось на больных геморрагическим диатезом и на морских свинках, заражённых цингой. Название элемента произошло от первой буквы термина «permeability», что в переводе означает проницаемость, так как именно
снижение проницаемости сосудов и является основополагающей характеристикой для витамина Р. Польза для человека. Витамин Р относится к веществам, которые организм человека не способен вырабатывать сам. Поэтому он
представляет для него особую ценность.
Регулярное применение витамина Р нормализует состояние стенок капилляров, повышая их прочность и эластичность, снижает артериальное давле420
ние, замедляет сердечный ритм. Считается, что ежедневное применение рутина в количестве 60 мг может снизить внутриглазное давление. Правда, при этом
профилактический курс должен составлять не менее четырёх недель.
Витамин P, также, участвует в желчеобразовании, помогает регулировать
суточную норму выделения мочи и деликатно стимулирует функцию коры надпочечников.
Он сдерживает выработку гистамина и серотонина, обладает противооттечным и обезболивающим действием. Тем самым, витамин Р облегчает и ускоряет течение аллергических реакций, в частности бронхиальной астмы.
Надо отметить, что получаемый из различных природных источников
витамин Р оказывает разнообразное воздействие. Так, например, витамин Р катехин, входящий в состав листьев зелёного чая признан эффективным антиоксидантом. Он предохраняет клетки организма от губительного воздействия
свободных радикалов, перехватывая и обезвреживая их. Тем самым он замедляет процессы старения, повышает сопротивляемость организма к негативным
внешним факторам и восстанавливает иммунитет. Обладая антибактериальными свойствами, катехины также защищают человека от простудных и инфекционных заболеваний. Источники витамина Р. Так как рутин не вырабатывается
нашим организмом, он должен быть непременно включён в ежедневный рацион
питания. При этом предпочтение следует отдавать сырым продуктам, не подвергшимся термической обработке. Максимальное количество витамина Р содержат ягоды черноплодной рябины – до двух тысяч миллиграмм на сто миллилитров сока. Много витамина Р содержится в плодах шиповника, лимонах, других цитрусовых, незрелых грецких орехах, черной смородине, рябине, зеленом
чае, гречке, капусте, салате, помидорах, винограде и малине.
Витамин Р в больших объёмах, предназначенных для фармацевтической
и пищевой промышленности извлекают из разных сортов лиственницы, отдавая
предпочтение сибирской и даурской.
Витамин Р быстро разрушается под воздействием воды, избыточного тепла и солнечного света, кислорода. Кроме того, курящий человек своим вредным пристрастием значительно снижает количество рутина в своём организме.
Известно, что витамин Р и витамин С усиливают действие друг друга,
поэтому медики рекомендуют их совместное употребление в пищу, тем более,
что и в природе они зачастую содержатся в одних и тех же продуктах.
Норма потребления витамина Р. Суточная потребность витамина Р для
вз$рослого здорового человека составляет 25-50 мг, в то время как лечебная доза варьируется в пределах от 100 до 150 мг. [4]
Витамин С
Аскорби́новая кислота́ (рисунок 2)—органическое соединение, родственное глюкозе, является одним из основных веществ в человеческом рационе, ко421
торое необходимо для нормального функционирования соединительной и костной ткани. Выполняет биологические функции восстановителя и кофермента
некоторых метаболических процессов, является антиоксидантом. По физическим свойствам аскорбиновая кислота представляет собой белый кристаллический порошок кислого вкуса. Легко растворим в воде, растворим в спирте.
Источники. Витамин С содержится почти во всех свежих фруктах и
овощах, и нет нужды в искусственно синтезированных витаминах для приведения баланса веществ в норму. Витамина С больше всего содержится в сушёном
шиповнике (1500 мг на 100 г), чёрной смородине (250 мг), красном перце (250
мг), хрене (100-200 мг), зелёном сладком перце (125 мг), цветной капусте (75
мг), щавеле и садовой землянике (по 60 мг), лимонах, апельсинах и редисе (по
50 мг). Чуть меньше (в порядке убывания) в красной смородине, крыжовнике,
белокочанной капусте, шпинате, яблоках, помидорах, мандаринах, свежем картофеле (кожура), зелёном луке, зелёном горошке, редьке, репе, малине, дыне,
кумысе, листовом салате, бруснике, кабачках, огурцах, клюкве, вишне, абрикосах, бананах и персиках. Кроме овощей и фруктов, витамином богаты и травы.
Это особенно важно весной, ведь именно травы первыми появляются на рынках, и это недорогой источник свежего витамина, а заодно и комплекса минералов. Итак, витамин С содержится в корне лопуха, люцерне, пажитнике, семенах
фенхеля, мяте перечной, ламинарии (водоросль), овсе, крапиве, петрушке, листьях малины, клевере, листьях фиалки.
Авитаминоз и гипервитаминоз. Принято считать, что среди симптомов
нехватки в организме витамина С находятся слабость иммунной системы, кровоточивость дёсен, бледность и сухость кожи, замедленное восстановление
тканей после физических повреждений (раны, синяки), потускнение и выпадение волос, ломкость ногтей, вялость, быстрая утомляемость, ослабление мышечного тонуса, ревматоидные боли в крестце и конечностях (особенно нижних, боли в ступнях), расшатывание и выпадение зубов; хрупкость кровеносных сосудов приводит к кровоточивости дёсен, кровоизлияниям в виде тёмнокрасных пятен на коже. Однако на сегодня (август 2011) не было проведено
достаточного количества исследований, на основании которых можно было бы
достоверно утверждать о наличии связи между упомянутыми симптомами и
недостатком в организме витамина C. Лишь когда его количество принимает
крайне малые значения, проявляются некоторые из перечисленных симптомов,
сигнализирующих о возникновении крайне редкого ныне заболевания — цинги
Суточная норма потребления. Люди должны получать аскорбиновую
кислоту с пищей. Так же как у высших приматов (сухоносых обезьян), ген, отвечающий за образование одного из ферментов синтеза аскорбиновой кислоты,
нефункционален. Однако, например, в организме кошки (как и у многих других
млекопитающих) витамин C синтезируется (из глюкозы).
422
Физиологическая потребность для взрослых — 90 мг/сутки (беременным
женщинам рекомендуется употреблять на 10 мг больше, кормящим — на 30
мг). Физиологическая потребность для детей — от 30 до 90 мг/ сутки в зависимости от возраста. Верхний допустимый уровень потребления в России — 2000
мг/сутки. Для курящих людей и тех, кто страдает от пассивного курения, необходимо увеличить суточную норму потребления витамина C на 35 мг/сутки.
Действие на организм. Витамин С нормализует обмен белков, жиров,
углеводов, стимулирует процессы синтеза коллагена — основного межклеточного вещества, склеивающего стенки капилляров. Благодаря этому он поддерживает нормальную проницаемость стенки капилляров и предупреждает кровоточивость, способствует сохранению целостности опорных тканей (хрящей и
костей). Аскорбиновая кислота повышает сопротивляемость организма неблагоприятным внешним воздействиям и инфекциям, улучшает антитоксическую
функцию печени. Она стимулирует образование гормонов коры надпочечников,
синтез гемоглобина путем улучшения использования в этом процессе белков,
железа и фолиевой кислоты. Аскорбиновая кислота регулирует обмен холестерина и многих аминокислот. Аскорбиновая кислота должна поступать в организм с пищей ежедневно, так как она не синтезируется в нем, а расходуется для
жизненных процессов непрерывно. Следует учесть, что аскорбиновая кислота
неустойчива к воздействиям высокой температуры и света, она разрушается
при длительном хранении фруктов и овощей, при их варке в открытой посуде.
Отсутствие в рационе питания свежих овощей и фруктов или потребление их
после длительного неправильного хранения, нерациональной кулинар ной обработки является причиной часто встречающегося в зимне-весенний период гиповитаминоза С. [4]
Практическая часть
Теоретические основы проведения эксперимента
Титрование – один из методов определения концентрации, основанный на
измерении объемов растворов, вступающих в реакцию веществ.
Для титрования в бюретку наливают раствор известной концентрации и
устанавливают бюретку в рабочее положение. Пипеткой отбирают точный объем раствора, концентрацию которого нужно определить, и переносят его в коническую колбу (в нашем случае это экстракты чая).
После по каплям приливают раствор с известной концентрацией из бюретки в колбу с анализируемым раствором, который непрерывно перемешивают. Конец титрования устанавливают по изменению цвета индикатора.
Йодометрический метод.
Структурная формула аскорбиновой кислоты представлена на рисунке 2.
Из рисунка видно, что в молекуле витамина С нет карбоксильной группы - но423
сителя кислотных свойств в органической химии. Кислотные свойства этого
вещества обусловлены лёгкой подвижностью водорода у третьего углеродного
атома. Однако в природных продуктах содержится огромное количество органических кислот, поэтому определять витамин C методом нейтрализации нельзя. При определении витамина С резонно воспользоваться легкой окисляемостью этого вещества. Аскорбиновая кислота крайне легко окисляется, даже кислородом воздуха. Именно поэтому витамин С так быстро разрушается, особенно при контакте с металлами, которые катализируют процесс окисления.
При окислении аскорбиновая кислота переходит в дегидроаскорбиновую, которая уже не проявляет витаминных свойств: В качестве окислителя в данном методе используется йод I2, который количественно переводит аскорбиновую кислоту в дегидроаскорбиновую, при этом образуется йодоводородная кислота
HI. Схема реакции (рисунок 3):
С6Н402(ОН)4 + I2 = C6H4O4(OH)2 + 2HI.
Перманганатный метод.
В основу метода количественного определения витамина Р в чае положена способность бесцветных катехинов окисляться марганцовокислым калием с
образованием окрашенных соединений.
Эксперимент
I. Количественное определение содержания витамина Р (рутина) в
различных сортах чая.
Цель: определить процентное содержание витамина Р (рутина) в трех
сортах чая – черном, зеленом и каркадэ.
Оборудование: бюретка, штатив, конические колбы, химические стаканы,
весы с гирями, пипетка, фильтры, ступка.
Реактивы: экстракты зеленого, черного чая и чая каркадэ, дистиллированная вода, индигокармин, перманганат калия.
Ход работы.
Сначала мы приготовили раствор индикатора – индигокармина – по следующей методике: 1 г индигокармина растерли в ступке, растворили порошок в
50 мл концентрированной серной кислоты H2SO4, после чего долили в раствор
дистиллированную воду до объема 1 л, затем отфильтровали. Раствор хранили
в темной склянке.
После этого мы приступили к приготовлению экстрактов чая: с помощью
весов отмерили 0,1 г сухих листьев чая, залили навеску 10 мл горячей дистиллированной воды, оставили настаиваться на протяжении 5 минут. Затем отфильтровывали раствор, добавляли еще 10 мл дистиллированной воды.
Добавив в каждый экстракт по 5 капель индигокармина, мы наблюдали
посинение каждого раствора. Затем начали титрование каждого раствора до появления устойчивой желтой окраски.
424
Замерив количество затраченного перманганата калия при титровании каждого из экстрактов, мы провели расчеты содержания витамина Р по формуле:
Где:
мл
X – концентрация витамина Р (рутина), %
k – Стандартный пересчетный коэффициент титрования, k=3,2
A – Объем использованного на титрование раствора KMnO4 (0,01 моль/л),
V1 – Объём, в котором растворена навеска, взятая для анализа, мл
V2 – Объем раствора, взятого для титрования, мл
m – Масса сухого чая, взятого для анализа, г
Полученные результаты приведены в таблице:
Каркадэ
Количество потраченного
раствора KMnO4, мл
0,5
Содержание витамина Р
(рутина), %
0,8
Черный чай
0,6
0,96
Зеленый чай
0,7
1,12
Сорт чая
Вывод: В ходе исследования было установлено, что наибольшая концентрация витамина Р (рутина) находится в зелёном чае и составляет 1,12%. Чуть
меньше витамина Р содержится в черном чае – 0,96%. Наименьшее количество
витамина Р содержится в чае каркадэ – 0,8%.
II. Количественное определение содержания витамина С (аскорбиновой кислоты) в различных сортах чая.
Цель: определить процентное содержание витамина С (аскорбиновой кислоты) в трех сортах чая – черном, зелёном и каркадэ.
Оборудование: бюретка, штатив, конические колбы, химические стаканы,
весы с гирями, пипетка, фильтры.
Реактивы: экстракты зеленого, черного чая и чая каркадэ, дистиллированная вода, коллоидный раствор крахмала, йод (0,125%), соляная кислота
(10%).
Ход работы.
Сначала мы приготовили раствор йода концентрации 0,125% путем разведения аптечной 5% йодной настойки в 40 раз. Получили соотношение: 1 мл
раствора йода окисляет 0,875 мг витамина С (аскорбиновой кислоты).
Затем мы приготовили коллоидный раствор крахмала путем разведения
1 г крахмала в небольшом количестве холодной воды. Смесь вылили в полстакана горячей воды и перемешали. Такой раствор годен в течение недели.
425
После этого мы приступили к приготовлению экстрактов чая: с помощью
весов отмерили 0,1 г сухих листьев чая, залили навеску 10 мл горячей дистиллированной воды, оставили настаиваться на протяжении 5 минут. Затем отфильтровывали раствор, добавляли еще 10 мл дистиллированной воды. В каждый раствор мы добавили немного крахмала и соляной кислоты.
По окончании приготовления реактивов мы приступили к титрованию. В
каждый экстракт мы добавляли йод до тех пор, пока раствор не посинел. Отмерив количество затраченного йода в каждом эксперименте, мы провели расчеты
содержания витамина С по формуле:
где:
X – Концентрация витамина С (аскорбиновой кислоты), %
V – Объём йодного раствора, потраченного на титрование, мл
m – Масса навески, г
Полученные результаты приведены в таблице:
Сорт чая
Количество потраченного
раствора йода, мл
Содержание витамина С
(аскорбиновой кислоты), %
Каркадэ
Черный чай
Зеленый чай
0,1
0,4
0,5
0,0875
0,35
0,4345
Вывод: В ходе исследования было установлено, что наибольшая концентрация витамина С (аскорбиновой кислоты) находится в зеленом чае и составляет 0,4345%. Чуть меньше витамина С содержится в черном чае – 0,35%. Наименьшее количество витамина С содержится в чае каркадэ – 0,0875%.
Выводы
Мы провели теоретическое исследование биологических свойств чая, витаминов Р и С, значимости этих веществ для человека. Также мы провели эксперимент, который помог нам практическим методом определить вещества,
входящие в состав разных чаев, а также их концентрацию.
Проанализировав всю полученную из литературных источников и опыта
информацию, мы можем сделать следующие выводы:
 Чай действительно очень полезен для человека
 В чае действительно содержатся витамины Р и С
 Содержание витамина Р в чае разных сортов варьируется от 0,8% до
1,12%
 Содержание витамина С в чае разных сортов варьируется от 0,0875%
до 0,4345%
426
 В чае разных сортов содержится больше витамина Р, чем витамина С
 Наибольшее количество витаминов содержится в зеленом чае, а наименьшее количество витаминов содержится в чае сорта каркаде.
Библиографический список
1. Брокгауз Ф.А., Ефрон И.А., Энциклопедический словарь Брокгауза и
Ефрона в 86 томах (82 т. И 4 доп.). – Санкт-Петербург.: АО «Ф. А. Брокгауз —
И. А. Ефрон», 1890-1907
2. Похлебкин В.В., Чай, его история, свойства и употребление. – Москва,
2004
3. Интернет-источники:
4. http://www.rusteaco.ru/
5. https://ru.wikipedia.org/
6. http://www.inmoment.ru
Приложения
Рисунок 2
Рисунок 1
Рисунок 3
427
Кошкарова Елена, 8-2 кл. БОУ г. Омска «Лицей № 143»
Руководитель:Шокурова М. И., учитель химии
БОУ г. Омска «Лицей № 143»
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НЕФТИ
Введение
Считается, что современный термин "нефть" мог произойти от слова "нафата", что на языке народов Малой Азии означает "просачиваться". Нефть - полезное ископаемое, представляющее из себя маслянистую жидкость. Это горючее вещество, часто черного цвета, хотя цвета нефти в разных районах различаются. Она может быть и коричневой, и вишневой, зеленой, желтой, и даже
прозрачной. С химической точки зрения нефть - это сложная смесь углеводородов с примесью различных соединений, например, серы, азота и других. Ее запах также может быть различным, так как зависит от присутствия в ее составе
ароматических углеводородов, сернистых соединений [1].
Целью нашего исследования является изучение физических свойств нефти и влияние на рост растений.
Задачи исследования:
• на основе литературных источников дать определение понятию нефть,
рассмотреть историю ее добычи, а также месторождения на территории Российской Федерации
• провести исследовательскую работу по изучению физических свойств
нефти и ее влияния на рост растений.
Методы исследования: анализ литературных источников, органолептические и физико-химические.
1. История нефти и способы ее получения
Нефть – это смесь углеводородов. Углеводороды – это химические соединения, состоящие из атомов углерода (C) и водорода (H). В общем виде
формулу углеводородов можно изобразить составом CxHy. Простейший углеводород, метан, имеет один атом углерода и четыре атома водорода, его формула - CH4. Метан - легкий углеводород, который всегда присутствует в нефти.
В зависимости от количественного соотношения различных углеводородов, составляющих нефть, ее свойства также различаются. Нефть бывает прозрачной и текучей как вода. А бывает черной и настолько вязкой и малоподвижной, что не вытекает из сосуда, даже если его перевернуть [2].
С химической точки зрения обычная (традиционная) нефть состоит из
следующих элементов:
Углерод – 84%
Водород – 14%
428
Сера – 1-3% (в виде сульфидов, дисульфидов, сероводорода и серы как
таковой)
Азот – менее 1%
Кислород – менее 1%
Металлы – менее 1% (железо, никель, ванадий, медь, хром, кобальт, молибден и др.)
Соли – менее 1% (хлорид кальция, хлорид магния, хлорид натрия и др.)
Нефть (и сопутствующий ей углеводородный газ) залегает на глубинах от
нескольких десятков метров до 5-6 километров. При этом на глубинах 6 км и
ниже встречается только газ, а на глубинах 1 км и выше - только нефть. Большинство продуктивных пластов находятся на глубине между 1 и 6 км, где
нефть и газ встречаются в различных сочетаниях.
Залегает нефть в горных породах называемых коллекторами. Пластколлектор - это горная порода способная вмещать в себе флюиды, т.е. подвижные
вещества (это могут быть нефть, газ, вода). Упрощенно коллектор можно представить как очень твердую и плотную губку, в порах которой и содержится нефть.
Еще в 1846 году канадский химик Абрахам Геснер придумал, как получать керосин из угля. Но нефть позволяла получать более дешевый керосин и в
гораздо большем количестве. Растущий спрос на керосин, использовавшийся
для освещения, породил спрос на исходный материал. Так было положено начало нефтедобывающей промышленности [2].
Датой начала промышленной мировой нефтедобычи, по данным большинства источников, принято считать 27 августа 1859 года. Это день, когда из
пробуренной «полковником» Эдвином Дрейком первой в США нефтяной скважины был получен приток нефти с зафиксированным дебитом. Эта скважина
глубиной 21,2 метра была пробурена Дрейком в городе Тайтусвиль, штат Пенсильвания, где бурение водяных скважин часто сопровождалось проявлениями
нефти.
Наша страна изобилует многими природными ресурсами, но наибольшую
роль для развития экономики и экспорта играют крупные месторождения нефти
в России.
Вопрос важности добычи нефти для нас очевиден - на сегодняшний день
сорок процентов экспортных дивидендов составляет именно нефтяная прибыль.
Порядка двадцати пяти процентов всех доходов государственного бюджета
России также получено с помощью «черного золота».
Итак, в целом, места добычи нефти расположены в 37 регионах нашей
страны, однако, основные, крупнейшие «кладези» сосредоточены в следующих
субъектах:
Западная Сибирь. Нефтяные ресурсы здесь начали добывать в 1964 году.
В состав карты Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции входят сле429
дующие регионы: Ханты-Мансийский и Ямало-Ненецкий АО, Тюменская, Омская, Томская и Новосибирская области. Этот регион знаменит двумя крупнейшими месторождениями России – Федоровским и Самотлорским. Самотлорское - впервые обнаружено в 1965 году, является одними из самых масштабных
на планете, расположено близ Нижневартовска (Ханты-Мансийский АО). Кстати, город Нижневартовск и был воздвигнут в России для добывающих нефть
людей. < Федоровское – названо по имени геолога и физика Федорова В. Расположено неподалеку города Сургута.
Урал и Поволжье. Расположен источник добычи нефти между Волгой и
Восточной частью Урала. Основные регионы, которые следует отметить на
карте - это Саратовская, Пермская, Волгоградская и Оренбургская области,
республики Удмуртия, Татарстан и Башкирия. Крупнейшее нефтяное месторождение Волго-Уральского района – Ромашкинское.
Северный Кавказ. Одна из древнейших кладовых нефти. Уже около ста
пятидесяти лет здесь трудятся люди для добычи этого важнейшего сырья. Данная провинция включает в себя месторождения так называемого «масла земли»
в Республиках Северного Кавказа, Краснодарском, Ставропольском краях, Ростовской области.
Тимано – Печорская нефтегазоносная провинция. Была открыта в 1930 г.
Включает в состав карты Республику Коми и Ямало-Ненецкий АО. Первое месторождение нефти здесь – Чибьюское. Обнаружено в 1930 году.
Дальний Восток. На Дальнем Востоке источники нефти, в основном, расположены на Сахалине. Здесь «черное золото» добывалось с 1920х годов [4].
Существует два способа добычи нефти: фонтанный и механизированный.
Фонтанный способ добычи нефти – это способ эксплуатации скважин,
при котором подъём нефти на поверхность осуществляется за счёт пластовой
энергии.
Он обладает рядом преимуществ по сравнению с другими способами эксплуатации скважин, таких как:
• простота оборудования скважины;
• отсутствие подачи энергии в скважину с поверхности;
• возможность регулирования режима работы скважины в широких пределах;
• удобства выполнения исследований скважин и пласта с применением
практически всех современных методов;
• возможность дистанционного управления скважиной.
Поскольку этот способ не требует дополнительных затрат энергии на
подъем жидкости, а при его применении используют исключительно энергети430
ческие ресурсы пласта, фонтанный способ добычи нефти, является наиболее
дешевым.
Механизированный способ добычи нефти – это способ, при котором
нефть поднимается на земную поверхность за счет подводимой извне энергии.
Существуют две разновидности механизированного способа добычи нефти:
газлифтный (компрессорный) и глубинно-насосный.
При газлифтном способе эксплуатации компрессором закачивают газ, который смешивается с нефтью. Плотность нефти снижается, забойное давление
становится ниже пластового, что вызывает движение жидкости к поверхности
земли. Иногда в скважину подают газ под давлением из близко расположенных
газовых пластов.
При насосном способе эксплуатации на определенную глубину спускают
насосы, которые приводятся в действие за счет энергии, передаваемой различными способами. Нефть поднимают из скважины на дневную поверхность при
помощи штангового глубинного насоса и станка-качалки, который является наземной частью оборудования. этот способ добычи нефти не самый эффективный, если его рассматривать с позиции емкости материалов, удобства обслуживания самого оборудования и затрат на энергию [4].
2. Экспериментальная часть
Экспериментальная часть исследования заключалась в использовании органолептических и физико-химических методов исследования свойств нефти.
1. Проведение эксперимента
• Рассмотреть нефть и отметить ее агрегатное состояние
• Рассмотреть нефть и отметить ее цвет
• Рассмотреть нефть и отметить ее запах
• Поджечь нефть и отметить характер ее горения
• Растворение нефти в воде
• Измерение поверхности нефтяной пленки, находящейся на поверхности воды (капнуть в воду 1 мл нефти и измерить диаметр пятна)
• Изучение влияния нефтяной пленки на растения (2 химических стакана
с одинаковыми растениями, в одном находится вода, в другом – смесь нефти с
водой. Наблюдения за влиянием на рост растений снимать через 1 день, 5 дней,
10 дней и 15 дней. Сделать вывод о влиянии нефтяной пленки на живые организмы)
2. Полученные результаты исследования представлены в таблице (см.
таблицу 1)
431
Таблица 1
Результаты исследования
Показатели
Полученные результаты
Агрегатное состояние
Маслянистая густая жидкость
Цвет
Темно-коричневая с переливающимся оттенком
Запах
Резкий специфический запах
Характер горения
и цвет пламени
Горит, сильно коптит
Растворимость нефти в
воде
Размер поверхности нефтяной пленки
Влияние нефтяной пленки
на растения
Нерастворима, покрывает поверхность воды пленкой. Это
объясняется тем, что плотность нефти = 800 кг/м3, а плотность воды = 1000 кг/м3
1 мл нефти занял поверхность воды диаметром 4 см., или
0,40 м. Следовательно, 1 литр нефти (1000 мл) покрыл бы
воду пленкой диаметром 400 м. На сегодняшний день нефтяные танкеры перевозят более 50 тыс. тонн нефти, а значит
собрать ее всю при аварии практически невозможно.
День
Стакан с водой
Стакан с водой и нефтью
состояние растений хорошее, они покрыты пузырь1
ками воздуха
вода прозрачная,
вода с мутным оттенком, расте5
состояние растение пожелтело
ния хорошее
состояние растев стакане появился гнилостный
10
ния и воды хорозапах
шее
состояние расте15
ния и воды хорорастение загнивает
шее
Заключение
Сплошь и рядом загрязнение окружающей среды осуществляется непроизвольно, без определенного умысла. Большой вред природе наносится, например, от потери нефтепродуктов при их транспортировке. До последнего времени считалось допустимым, что до 5 % от добытой нефти естественным путем
теряется при ее хранении и перевозке. Это означает, что в среднем в год попадает в окружающую среду до 150 млн.т нефти, не считая различных катастроф
с танкерами или нефтепроводами. Все это не могло не сказаться отрицательно
на природе.
Для чего мы провели это исследование? Для того чтобы понять, увидеть,
как может быть опасна нефть, какими она обладает физическими свойствами,
как она может повлиять на окружающую среду. Нефть сама по себе очень дорогой продукт, который сложно добывается. В нашем опыте использовалось не432
большое количество нефти. Наши результаты могут быть полезными для нас
самих, для других людей, чтобы расширить свой кругозор, иметь представления о том что такое нефть, знать ее свойства.
В результате исследования мы выделили физические свойства нефти, такие как цвет, запах, агрегатное состояние. А самое основное, доказали, что нефтяная пленка губительно влияет на рост и развитие живых организмов.
Использование нефти и нефтепродуктов должно быть весьма аккуратным, продуманным и дозированным. Нефть требует к себе внимательного отношения. Это необходимо помнить не только каждому нефтянику, но и всем,
кто имеет дело с продуктами нефтехимии.
Библиографический список
1. Вержичинская С.В., Дигуров Н.Г., Синицин С.А. Химия и технология
нефти и газа. Учебное пособие. — М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2007. - 400 с.
2. Габриелян О.С. Химия 8 класс. Учебник, 16-е издание, переработанное
– М.: Дрофа, 2010. – 270 с.
3. Давыдова С.Л., Тагасов В.И. Нефть и нефтепродукты в окружающей
среде. Учеб. пособие. - М.: Изд-во РУДН, 2004. - 163 с.
4. Зимон А.Д. Занимательная коллоидная химия. Учебное пособие. – М.:
Агар, 2002. – 168 с.
Нечаева Анастасия, 10 кл. МКОУ Шубинская СОШ Барабинского района
Новосибирской области
Научный руководитель: Ямщикова Т. П., учитель химии и биологии
МКОУ Шубинская СОШ Барабинского района Новосибирской области
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАЧЕСТВА МОЛОКА КАК ПИЩЕВОГО ПРОДУКТА
Введение
Загадка: «Не жарено, не варено, а завтрак готов». Это чудо, созданное самой природой очень хорошо нам известно. Оно сопровождает вас с первых лет
жизни. Оно может утолить жажду и накормить. В этом удивительном продукте
содержатся все необходимые для человека вещества. Оно и пища и лекарство.
Недаром древние ученые называли его «соком жизни». Я говорю об удивительном изобретение природы - молоке. Молоко не случайно считается совершеннейшим из продуктов, созданных природой. В нем содержится около 200 полезных веществ, основные из которых белки, жиры, углеводы, минеральные
вещества, витамины. Один литр молока покрывает дневную потребность чело433
века в животном белке, который необходим организму для восстановления старых и создания новых клеток. Пол-литра молока восполняет до 70% суточной
потребности организма в кальции, который необходим для построения скелета
и зубов. Среди других строительных материалов, которые поступают в организм человека с молоком, это – натрий, фосфор, кобальт, железо, цинк, селен,
йод. Один литр молока на 50% покрывает потребность человека в витамине А,
поддерживающем зрение, на 85% – в витамине В2, стимулирующем кроветворение и на 50% – в остальных витаминах группы В. Молоко является одним из
самых ценных продуктов питания человека. По пищевой ценности оно может
заменить любой продукт, но ни один продукт не заменит молоко.
Несомненно, своевременность и регулярность приема молока определённым образом влияет на человеческую жизнь во всех ее проявлениях, но качество потребляемого продукта оказывает решающее влияние. Чтобы сохранить
своё здоровье, очень важно употреблять в пищу качественные продукты питания. Вот почему мы считаем актуальной тему исследовательской работы «Определение качества молока как пищевого продукта».
Цель работы: определение качества молока по органолептическим и физико-химическим и показателям.
Задачи:
• изучить литературу по данной теме, а так же ГОСТы при производстве
и продаже молока;
• освоить методы определения показателей качества молока;
• экспериментально определить качество молока разных торговых марок;
• сравнить полученные результаты с государственным стандартом.
Проблема: молоко очень полезно, но есть опасность для здоровья при
употреблении молока низкого качества.
Объект исследования: молоко пастеризованное (жирность 2,5%) и натуральное цельное коровье молоко.
Предмет исследования: физико-химические показатели качества молока.
Методы: экспериментальный, поисковый, работа с источниками информации, социологическое исследование.
1. Обзор литературы
В ходе работы были изучены публикации и книжные издания отечественных и зарубежных авторов по проблемам правильного питания, о составе и
свойствах, пищевой значимости молока. Изучена литература практической направленности по определению качественных показателей молока и санитарно ветеринарным требованиям к данному продукту.
434
1.1. Из истории молока
История молока столь же древняя, как и история самого человечества.
Только появившись на земле, человек сразу же познал вкус молочных продуктов. Молоко употреблялось в пищу более 6000 лет назад. [4, т. 3, с.74-76].
Бесспорно, что в те далекие и даже не столь отдаленные от нас времена
молоко не было обычной пищей, а скорее деликатесом. Например, у древних
греков и римлян пить цельное молоко считалось роскошью, и его всегда разбавляли водой. Как свидетельствуют русские рукописи XI в., молоко положено
было пить в воскресные и праздничные дни. При этом употребляли, как правило, не цельное молоко, а различные молочные блюда, например молочные кисели. Повседневной пищей людей молоко становится только в XIX в., когда началось настоящее развитие молочного хозяйства. Первым молочным заводом в
России считается «Молочное заведение» Н.Н. Муравьева, организованное им в
1807 г. в имении Осташево под Москвой. [2, с.10].
Химия как наука начала свой отсчет в прошлом веке, в тот период и начинались с изучения химического состава молока. В нашей стране этим вопросом занимались Ильенко, затем Калантар. Химия молока (биохимия) как наука
была создана в советское время профессорами Г.С. Иниховым и Д.Д. Зайковским, которые работали в Вологодском молочном комбинате. Ими в 20-30-ые
годы были написаны первые учебники по биохимии молока. Большой вклад в
развитие науки о молоке внесли великие русские ученые — И.П. Павлов и И.И.
Мечников.
Молоко пережило многие цивилизации, прежде чем стало продуктом питания и имеет свое назначение: в качестве продукта питания для населения,
средство для вскармливания молодняка и корма в животноводстве, сырье для
производства пищевых продуктов, источник получения отдельных компонентов молока, которые, в свою очередь, служат сырьем для фармакологии и других отраслей промышленности. Все возрастающее значение молока как полноценного продукта питания и как сырьевого материала привело к увеличению
спроса на него. В результате этого производство молока стало одной из важнейших отраслей сельскохозяйственного производства.
Таким образом, с уверенностью можно утверждать, что производство и
потребление молока и молочных продуктов в будущем не только не снизится,
но и будет постоянно возрастать, поскольку человек никогда не сможет обойтись без этого ценнейшего продукта питания.
1.2. Химический состав молока
Молоко – биологическая жидкость сложного состава. Оно содержит все
питательные вещества – белки, жиры, углеводы, минеральные соли и витамины. Образуется молоко из составных частей крови в результате сложных процессов, протекающих в молочной железе.
435
Молоко представляет собой сложную полидисперсную систему, в которой содержится более 100 различных химических и биологических веществ.
Дисперсионной средой в нем является вода (83—89%), дисперсной фазой —
жир, белки и другие компоненты (17—11 %). Молочный сахар и соли растворены в воде. Степень дисперсности отдельных веществ различна. Так, белковые
вещества находятся в молоке в виде коллоидных растворов, молочный жир — в
виде эмульсии микроскопических жировых шариков в молочной плазме.
Химический состав молока (табл. 1) непостоянен. Он зависит от породы
скота, периода лактации животного, условий кормления и содержания его и
других факторов. Наибольшим изменениям подвержены содержание и химический состав молочного жира. Относительным количественным постоянством
характеризуются молочный сахар, минеральные соли и в известной мере белки.
Таблица 1
Компоненты молока
Вода
Молочный жир
Азотистые соединения: казеин альбумин
Глобулин и другие белки
Небелковые азотистые соединения
Молочный сахар
Зола
Массовая доля, %
Среднее
Пределы колебаний
87
83-89
3,8
2,7-6,0
2,7 0,4
2,2-4,0 0,2-0,6
0,12
0,05-0,2
0,05
0,02-0,08
4,7
4,0-5,6
0,7
0,6-0,85
Питательность 1 л молока составляет 685 ккал. Калорийность зависит,
главным образом, от содержания жира, белка. Благодаря содержанию в молоке
важнейших питательных веществ, белка, углеводов, витаминов, минеральных
веществ, оно является и защитным фактором. Например, молочный белок является важным защитным компонентом в молоке, т. к. он связывает пары кислот
и щелочей, а также нейтрализует ядовитые тяжелые металлы и вредные для
здоровья вещества. Исследование минерального состава молока с применением
современных методов, показало наличие в нем более 50 элементов. Они подразделяются на макро- и микроэлементы. Основными макроэлементами молока
являются кальций, магний, калий, натрий, фосфор, хлор и сера, а также соли —
фосфаты, цитраты и хлориды. Сырьем для промышленности служат такие составные части молока как казеин и лактоза. Переработка молока ведет к изменению его пищевой ценности и вкусовых качеств, поэтому необходимо учитывать свойства каждого отдельного компонента молока.
436
2. Определение качества молока как пищевого продукта
2.1. Выбор торговых марок молока
Выбор торговых марок молока проводился на основе анализа результатов
покупательского спроса на этот продукт. Для исследований были отобраны
следующие образцы:
Образец №1: натуральное цельное коровье молоко
Образец №2: молоко пастеризованное «Для всей семьи» ОАО «Компания
ЮНИМИЛК»
Образец №3: детское молоко «Тёма» Филиал «Молочный комбинат
«ПЕТМОЛ»
Образец №4: молоко пастеризованное «Весёлый молочник» ОАО «ВиммБилль-Данн»
2.2. Определение физико-химических показателей качества молока
Качество молока оценивают по органолептическим (цвет, консистенция,
вкус, запах) и физико-химическим (плотность, степень чистоты, бактериальная
заражённость, содержание воды и сухих веществ, белка, жира и др.) показателям. Молочные заводы принимают молоко от производителя в соответствии с
требованиями ГОСТа 13264-70 «Молоко коровье». В зависимости от степени
чистоты, бактериальной заражённости и кислотности, молоко разделяют на
сортовое (первый, второй сорт) и не сортовое (табл. 2):
Таблица 2
Сорт молока
Первый сорт
Степень чистоты,
группа
Не ниже 1
Редуктазная проба,
класс
Не ниже 1
Кислотность,
Т
16 – 18
Второй сорт
2
2
18 – 20
Несортовое
3
3
› 20
2.2.1 Определение степени чистоты молока
В молоко при его получении, транспортировке, хранении могут попасть
покровный волос с животного, частицы корма, подстилки, пыли, а с ними и
микроорганизмы. Загрязненное молоко быстро портится. Для определения в
молоке механических примесей существует несколько методов. Метод фильтрации служит официальным критерием степени чистоты молока и наиболее
пригоден для его анализа. В зависимости от количества механических примесей
на фильтре молоко по степени чистоты делится на три группы (табл. 3).
Цель: определить степень чистоты в разных пробах молока.
Оборудование и реактивы: пробирки, стеклянные палочки, бумажные
фильтры, воронка.
437
Таблица 3
Группа
Загрязнение фильтра
Содержание примесей
1-я
2-я
3-я
На фильтре нет даже следов грязи
На фильтре заметен сероватый осадок
На фильтре имеется осадок грязно-серого цвета
Меньше 3 мг/л
4-6 мг/л
7 мг/л и более
Проведение работы: перед фильтрованием молоко нагревали от 350 до
400. Это способствовало растворению комочков сливок, которые, задерживаясь
на фильтре, маскируют наличие механических примесей. Через бумажный
фильтр пропускали 250 мл молока, снимали фильтр с воронки и сравнивали его
с эталоном. По результатам эксперимента мы отнесли сырое и пастеризованное
молоко к первой группе, т.к. на фильтре не было даже следов грязи.
2.2.2.Определение органолептических показателей качества молока
1) Определение цвета молока: налить в стакан 50-60 мл молока. Поднести
к стакану белый лист бумаги и сравнить образцы.
2) Определение консистенции молока: налить его в пробирку до середины
объёма. Закрыть пробирку и слегка встряхнуть её. Дать молоку стечь в течение
1-2 минут.
3) Определение запаха молока: налить в пробирку молока чуть больше
половины её объёма, закрыть пробкой. Затем энергично взболтать и понюхать
молоко. Запах определяется многократными короткими вдыханиями.
4) Определение вкуса молока: налить в стакан 10-20 мл молока. Затем
взять глоток молока в рот, и держать его некоторое время. После каждой пробы
молока прополоскать рот водой и между отдельными определениями делать
небольшие перерывы.
Результаты органолептических показателей приведены в таблице.
Таблица 4
Пробы
№1
№2
№3
№4
Цвет
Белый, оттенок
слегка желтоватый
Белый с лёгким синеватым оттенком
Консистенция
Однородная
Однородная
Белый
Однородная,
жидкая
Белый
Однородная
Запах
Специфический, ярко
выражен
Запах натурального
молока
Запах натурального
молока, ярко выражен
Запах начинающего
прокисать молока
Вкус
Сладковатый
Немного пресный
Сладковатый,
вяжущий
Сладковатый
2.2.3. Определение наличия посторонних примесей в молоке
Довольно часто натуральное молоко разбавляют водой, снимают с него
сливки и добавляют химические примеси.
438
Цель: определить наличие примесей в разных пробах молока
Оборудование и реактивы: пробирки, уксусная кислота, ватные фильтры,
лакмус.
Проведение работы: процедить молоко через ватные фильтры. В процеженное молоко добавить несколько капель уксусной кислоты. Появление в молоке пузырей указывает на наличие примесей (табл. 5).
Таблица 5
Пробы молока
№1
№2
№3
№4
Результат
Отсутствуют
Отсутствуют
Отсутствуют
Отсутствуют
Для определения химических примесей можно воспользоваться и лакмусовой бумажкой: если молоко не разбавлено, то синяя лакмусовая бумажка
краснеет, а красная – слегка синеет. Если в молоке много щелочи, например, от
примесей соды, то красная лакмусовая бумажка будет сильно синеть, а синяя
сохранит свой цвет. Если в молоке примешана кислота, например, борная или
салициловая, то синяя лакмусовая бумажка окрашивается в яркий красный цвет
(табл. 6).
Таблица 6
Пробы
молока
№1
№2
№3
№4
Реакция
на лакмусовые индикаторы
Не окрашивает индикатор
Желтый цвет
Цвет индикатора близок к оранжевому
Желтый цвет
Присутствие кислот
и щелочей
Нет
Нет
Нет
Нет
Таким образом, в результате третьего опыта нами было выявлено, что посторонних примесей, реагирующих с органическими кислотами и дающих изменение окраски лакмуса в наших образцах нет.
2.2.4. Определение наличия крахмала в молоке
Помимо разбавления молока водой к нему нередко подмешивают крахмал, гипс, мел, мыло, соду, поташ, буру, известь и даже химические продукты,
как борная и салициловая кислоты. Одни из этих веществ подмешиваются для
придания снятому молоку вида цельного, неснятого; другие – для предохранения от быстрого скисания.
Цель: определить наличие крахмала и содержащих его веществ в молоке.
Оборудование и реактивы: пробирки с молоком, раствор йода.
439
Проведение работы: налить в пробирку 5-10 мл молока. Добавить в пробирки несколько капель раствора йода. Молоко с добавлением крахмала синеет,
а чистое молоко желтеет. В представленных образцах наличие крахмальных
добавок не обнаружено, что говорит о качестве продукции.
2.2.5. Определение кислотности молока
Общая (титруемая) кислотность является важнейшим показателем свежести молока.
Молоко имеет некоторую кислотность из-за наличия в нем казеина – белка с кислотными свойствами, а также кислых солей кальция, натрия, калия ортофосфорной и лимонной кислот. Со временем кислотность молока возрастает
вследствие молочнокислого брожения лактозы и образования молочной кислоты: C12H22O11 + H2O → 4CH3CHOHCOH.
Кислотность молока выражают в условных градусах Тернера (0Т). Эта величина показывает, сколько миллилитров раствора гидроксида натрия концентрацией 0,1 моль/л израсходовано на нейтрализацию 100 мл продукта.
Цель: определить кислотность разных проб молока.
Оборудование и реактивы: пробирки, индикаторы.
Проведение работы: отмеряли с помощью пипетки 10 мл молока. Наливали его в коническую колбу на 100 мл, добавляли 20 мл дистиллированной воды,
3 капли спиртового раствора фенолфталеина, перемешивали и титровали по одной капле раствором гидроксида натрия до появления бледно-розовой окраски,
не исчезающей в течение 1 минуты. Чтобы выразить кислотность жидких продуктов в градусах Тернера, объем щелочи (мл), израсходованной на титрование
10 мл продукта, умножали на 10, то есть пересчитывали на 100 мл продукта.
Таким образом, кислотность сырого молока составила 19 0Т, а пастеризованного колеблется от 17 до 220Т.
2.2.6.Редуктазная проба
Редуктазная проба – косвенный показатель бактериальной зараженности
не пастеризованного молока. По активности дегидрогеназы – фермента из класса оксидоредуктаз – судят о микробной зараженности молока.
Цель: определить бактериальную заряжённость разных проб молока.
Оборудование и реактивы: пробирки, метиленовая синь, металлический
термос,
Проведение работы: отмеряли 10 мл исследуемого молока и добавляли к
нему 1 мл 1%-го водного раствора метиленовой сини. Помещали пробирку в
металлический термос при t°=38-40°C (за неимением термостата) и наблюдали
за продолжительностью обесцвечивания метиленовой сини. Если обесцвечивание продолжается более 3 ч, то в 1 мл такого раствора содержится менее 500
тысяч бактерий и оно относится к I классу; если 1-3 ч, то бактерий содержится
440
от 500 тысяч до 4 миллионов, молоко относится ко II классу; если 8-60 мин, то
бактерий содержится от 4 до 20 миллионов, молоко относится к III классу. Это
ускоренный метод определения редуктазы. В нашем эксперименте обесцвечивание метиленовой сини образцов№ 1,2,3 продолжалось больше 3часов, значит,
сырое и пастеризованное молоко относится к I классу. Образец № 4 менее 3 часов, следовательно относится ко 2 классу.
3. Выводы и рекомендации
Качество молока можно определить по органолептическим и физикохимическим показателям. В таблице 3 представлены результаты определения
физико-химических показателей качества сырого и пастеризованного молока.
Таблица 3
Физико-химические
показатели
Степень чистоты,
группа
Редуктазная проба,
класс
Примеси
Кислотность, ° Т
Сорт
Крахмал
Молоко
№1
Цельное
№2
«Для всей
семьи»
№3
«Тёма»
№4
«Весёлый
молочник»
1
1
1
1
1
1
1
2
19
2
-
-
16
1
-
22
Не сортовое
-
17
1
-
Из данных таблицы следует, что по степени чистоты все виды молока относятся к первой группе. По редуктазной пробе все образцы молока относятся к
1 классу за исключением образца № 4 (2 класс). По кислотности сырое молоко
относится ко второму сорту, а пастеризованные образцы № 2 и
№ 3 к первому, образец № 4 относится к не сортовому продукту. Кроме этого в
ходе работы нами были исследованы органолептические качества молока. Установлено, что молоко имеет различный цвет, в зависимости от его качественных показателей, химического состава: белое, желтоватое или голубоватое. При
определении консистенции и запаха убедились, что стенки пробирок покрываются молоком неоднородно и в каждой пробирке молоко имеет разный запах.
Мы определили, что представленные образцы молока имеют вкус от сладковатого до безвкусного. В результате третьего опыта выявлено, что посторонних
примесей, реагирующих с органическими кислотами в наших образцах нет. Наличие крахмальных добавок не обнаружено, что говорит о качестве продукции.
Сырое молоко, взятое для исследования, является продуктом хорошего
качества, но кипячение такого молока необходимо, т.к. в нем могут находиться
возбудители таких болезней, как туберкулез, сибирская язва, кишечная палочка
и т.д. Пастеризованное молоко соответствует по показателям ГОСТу, но по ре441
зультатам исследований видно, что образец № 4, производитель ОАО «ВимБиль-Дан» по качеству уступает остальным образцам.
Таким образом, исследуемые нами образцы показали, что отвечают всем
стандартам качества, которые предъявляются к молоку. Поэтому можно употреблять их в пищу, если нет возможности употреблять натуральное цельное молоко.
Рекомендации, которые помогут людям рационально выбирать, сохранять и использовать молоко:
 перед употреблением молоко рекомендуется кипятить, т.к. ему угрожает инфицирование во время удоя и при перевозке, а также вследствие болезни животного;
 молоко следует предохранять от действия света и острых запахов. На
свету оно теряет значительную часть витаминов А и С и быстро прокисает;
 людям, ведущим малоподвижный образ жизни, имеющим избыточный вес, страдающим ожирением, сердечно-сосудистыми и желудочнокишечными заболеваниями, пожилым людям рекомендуется молоко и молочные продукты с пониженным содержанием жира и нежирные;
 если прокипятить молоко с добавлением сахара (1 ч. ложка на 1 л молока) или соды (щепотка на 1 л молока), то витамины в нем сохранятся лучше;
 чтобы молоко не прокисло, поместить в стеклянный кувшин с молоком широкую посуду с водой, накрыть кувшин чистой салфеткой так, чтобы
края ее погружались в воду;
 молоко лучше пить маленькими глотками и теплым, а при отравлении – залпом. [7, c.4-6].
4. Заключение
Молоко – уникальный по пищевой и биологической ценности, усвояемости и значению для организма продукт. Молоко и вырабатываемые из него
продукты (масло, сыр, кисломолочные продукты) необходимо включать в пищевой рацион людей всех возрастов, особенно детей и пожилых. Ведь именно
из молока и молочных продуктов организм человека в состоянии усвоить в достаточном количестве некоторые минеральные соли (прежде всего соли кальция), играющие важную роль в его жизнедеятельности. В молоке выявлено
свыше 200 различных полезных веществ. Из них особенно важен белок, содержащий около 20 оптимально сбалансированных аминокислот, в том числе все
незаменимые, с помощью которых организм синтезирует строительный материал для формирования тканей.
Энергетическая ценность молока практически зависит от процента его
жирности: чем он меньше, тем ниже и энергетическая ценность. 50% калорийности цельного молока обеспечивается за счет жиров и 20% - за счет белков.
Один стакан цельного молока содержит 34 мг холестерина. Молоко также лишено столь ценной в диетическом отношении клетчатки. Молоко с понижен442
ным содержанием жира, конечно, для здоровья лучше, чем цельное. В весовом
соотношении это молоко состоит на 87% из воды и на 2% из жира, остальное
занимают белки и углеводы. Для тех, кто хочет пить молоко, лучшим выбором
будет обезжиренное молоко. Оно лишено жиров, содержит лишь следовые количества холестерина, в то же время в нем сохранены все остальные питательные вещества. Людям необходимо понять, что молочные продукты надо употреблять умеренно.
Здоровье людей является основным богатством любого государства. Потребление экологически чистых продуктов питания является мощным фактором сохранения здоровья, активного долголетия. Поэтому мы считаем выбранную тему исследовательской работы актуальной.
Цели и задачи, поставленные в начале работы, достигнуты. Опытным путем мы установили, что домашнее (сырое) молоко является качественным продуктом, а пастеризованное молоко практически всех образцов по изученным
показателям соответствуют ГОСТу. В виде таблиц представлена информация о
сортности молока, показателях степени чистоты молока.
Данное исследование может быть использовано при проведении факультативного курса по изучению пищевых продуктов. Ведь экспериментальные
исследования, связанные с повседневной жизнью, играют важную роль в развитии познавательных процессов и бытовой социальной адаптации.
В дальнейшем мы собираемся продолжить исследования качества продукта
и определить содержание лактозы и ионов кальция в молоке, так как это направлено на здоровье сберегающий фактор, который важен для каждого из нас.
Библиографический список
1. Волков В.Н., Солодова Р.И., Волкова Л.А. Определение качества молока и молочных продуктов.- Киев: Высшая школа, 2000. - 146 с.
2. Детская энциклопедия: «Аргументы и факты – детям». - ЗАО «Аргументы и факты». № 8, 2001. - 357 с.
3. Каневская Л.Я. Питание школьника. – М.: Медицина, 2009. – 187 с.
4. Ликум А. Все обо всем. Популярная энциклопедия для детей. – М.:
ООО «АСТ-ЛТД», 1999. – 480 с.
5. Я познаю мир: Детская энциклопедия.: Химия. - М.: Астрель, 2003.398 с.
6. Кузьмищев В.П. Энциклопедический словарь юного земледельца. – М.:
Педагогика, 1983. – 423 с.
7. Горбатов К.К. Биохимия молока и молочных продуктов. – М.: «Лёгкая
промышленность», 2000. – 257 с.
8. Мурзакаев Ф.Г. Здоровый образ жизни – залог здоровья. –
Уфа:УНИКУМ, 1997. – 98 с.
443
Моторико Дарья, 10 кл. ГУ «ФМЛ», г. Костаная
Научный руководитель: Воропаева О.Ю., учитель химии
ГУ «ФМЛ», магистр химии
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕЙСТВИЯ
СРЕДСТВ ДЛЯ МЫТЬЯ ПОСУДЫ
Введение
С развитием промышленности связано развитие социальной сферы. Человек всегда пытается облегчить свою жизнь, быт, но при этом он желает при
наименьших затратах получить качественный товар или услуги. Благодаря активной рекламной политике производителей, сегодня почти в каждой семье для
мытья посуды используют специальные средства. Иногда реклама действительно помогает сориентироваться в многообразии товаров и услуг, а иногда обещает просто «чудеса». Но вот беда: расхваливая многочисленные достоинства
своего товара, авторы рекламных клипов никогда не поведают, какой ценой
достигаются эти немыслимые преимущества. Не расскажут, например, что
фосфаты, добавляемые в моющие средства, являются сильнейшим ядом. Не
предупредят о необратимых изменениях, которые происходят в организме и в
природе вследствие регулярного использования этих веществ.
По своему составу средства для мытья посуды близки к шампуням, гелям
для душа. То есть к средствам гигиены. А к ним предъявляют особые требования по безопасности. Все это хорошо, однако, средства для мытья посуды числятся как средства бытовой химии. Это значит, что на них гигиенический сертификат, гарантирующий безопасность, не нужен. Требования что к средству
для чистки унитазов, что для посуды — одни и те же. Производители могут
подвергнуть свою продукцию испытанию на безопасность, но добровольно.
Как сориентироваться среди многочисленного ассортимента? Какое средство является более эффективным и менее безопасным?
Цель работы: провести сравнительный анализ эффективности жидких
средств для мытья посуды.
Задачи:
 Изучить литературу по данному вопросу;
 Выявить наиболее часто используемые в домашних условиях марки
моющих средств для посуды;
 Изучить состав, адресные данные производителя моющих средств для
посуды;
 Исследовать физико- химические свойства моющих средств;
 Оценить эффективность применения моющих средств;
Объект исследования: эффективность действия средств для мытья посуды.
Предмет исследования: жидкие средства для мытья посуды.
444
Гипотеза: Владение полной информацией о составе и свойствах моющих
средств для посуды, способствует формированию здоровьесбережения.
Актуальность работы:
-Здоровье сберегающий фактор.
- Использование методик определения эффективности действия средств
для мытья посуды.
-Наглядная демонстрация.
Методы исследования:
- теоретический анализ литературы и методических рекомендаций по
проблемам исследования;
- оценка потребительского спроса на казахстанском рынке;
- проведение исследовательской работы с применением оборудования
Xplorer GLX;
- обработка полученных данных.
Научная новизна работы заключается в том в условиях школьной лаборатории исследуется эффективность использования средств для мытья посуды
и их действие на процесс коррозии металлов.
Практическая значимость научно- исследовательской работы состоит в
том, что организовано на практике экспериментальное исследование средств
для мытья посуды, которое может быть предложено в качестве учебного пособия на уроках химии.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1 Состав и свойства моющих средств
Специальные посудомоющие средства впервые появились в 1950-х годах.
Средства для ручного мытья посуды выпускаются в виде жидкости или геля.
Гелеобразные средства считаются более эффективными по сравнению с жидкими. Основными свойствами средства является его моющая способность.
Большой плюс средства - его способность эффективно справляться с масляными и жировыми загрязнениями в холодной воде, это достигается благодаря
подбору оптимальной композиции ПАВ[1].
Имеющиеся в продаже моющие средства редко представляют собой чистые вещества. Обычно они содержат и другие компоненты, например, умягчители воды и отбеливатели, которые увеличивают их эффективность.
Некоторые моющие средства содержат ферменты, обеспечивающие удаление нерастворимых белковых загрязнений, органические бактерициды (гексахлорофен, трихлоркарбанилид и др.), стабилизаторы пены (например, алкилоламиды).
Во многие моющие средства добавляют ароматические вещества (отдушки), призванные устранить неприятные запахи и придать вымытой поверхности
445
свежий аромат. Правда, запах яблока, лимона или, например, лесных ягод не
означает наличие в данном средстве экстрактов вышеназванных плодов.
Также в состав средств для мытья посуды могут входить вещества, смягчающие негативное воздействие на кожу рук. Самые распространенные добавки – глицерин, силикон и растительные экстракты. Глицерин и силикон обладают похожим действием, они создают на коже защитную пленку, препятствующую ее высыханию. С мокрой кожи влага испаряется гораздо интенсивнее,
чем с сухой, поэтому при длительном контакте с водой коже необходима защита. Одновременно поверхностная пленка, создаваемая силиконом, способна защитить от проникновения вредных для кожи веществ, содержащихся в моющем
средстве. Растительные экстракты смягчают кожу, обладают успокаивающим
действием, снимают раздражение, которое может быть вызвано отдельными
компонентами ПАВов (таким действием обладает, например, молочко «алоэвера»). Но даже при всех несомненных достоинствах этих добавок невозможно
гарантировать вашей коже полную безопасность.
Стоит отметить, что заявления производителей о том, что уровень pH их
продукции равен 5,5 ни в коем случае не может гарантировать отсутствие раздражение, особенно у людей склонных к аллергии. Поэтому во время мытья посуды коже требуется защита. Даже, если средство содержит умягчающие компоненты, не стоит забывать о том, что руки можно уберечь от вредного воздействия средства с помощью обыкновенных резиновых перчаток.
1.2 Классификация ПАВ
Основу моющего средства составляют поверхностно-активные вещества
(ПАВ), обладающие способностью адсорбироваться на пограничной поверхности[2].
ПАВы подразделяются на два типа: ионные и неионогенные (неионные).
Принципиальное отличие заключается в том, что неионогенные ПАВы не
подвержены электролитической диссоциации, т. е. не распадаются в воде на
положительно и отрицательно заряженные ионы, ионные ПАВы при взаимодействии с водой распадаются на ионы, одни из которых обладают адсорбционной (поверхностной) активностью, другие (противоионы) – адсорбционно
неактивны.
Ионные ПАВы называются анионными, если поверхностно-активные ионы несут отрицательный заряд, и катионными, если поверхностно-активны положительно заряженные ионы[3].
Некоторые ПАВы в зависимости от условий, в которых они применяются,
проявляют свойства или анионных, или катионных, поэтому их называют амфотерными или амфолитными.
Анионные ПАВы – органические кислоты и их соли. Катионные – основания, обычно амины, и их соли. В мировом производстве поверхностно446
активных веществ большую часть составляют анионные вещества. Катионные и
амфотерные вещества имеют ограниченное применение и составляют небольшую долю в общем объёме производства ПАВов.
В состав почти всех современных средств для мытья посуды входит комплекс анионных и неионогенных ПАВов, призванных бороться с различного
рода загрязнениями. Специалисты утверждают, что именно сочетание этих
двух групп активных веществ способствует повышению эффективности моющего средства.
1.3 Процессы, протекающие на поверхности.
Операция отмывания в воде с участием моющего вещества всем известно
как очень простая и легко осваиваемая. Внешне и практически это действительно так. Тем не менее, в моющем растворе происходит целый комплекс
скрытых от нашего глаза, но связанных между собой в единую систему физикохимических процессов. Эти процессы подробно исследовались учеными, в особенности П.А. Ребиндером, Д.А. Рождественским, Б.Н. Тютюнниковым[4].
Моющий процесс сводится к трем стадиям. Необходимо: во-первых, отделить (оторвать) грязевые частицы от очищаемой поверхности, к которой они прилипли; во-вторых, перевести отделенные водонерастворимые грязевые частицы –
в моющий раствор, то есть как бы «растворить» их; в-третьих, удержать эти плавающие частицы в моющем растворе до его смены и устранить всякую возможность их повторного осаждения и прилипания к отмываемой поверхности.
В качестве жидкости в быту используют главным образом воду. Хорошая
моющая система должна выполнять двойную функцию: удалять загрязнение с
очищаемой поверхности и переводить его в водный раствор. Значит, моющее
средство также должно обладать двойной функцией: способностью взаимодействовать с загрязняющим веществом и переводить его в воду или водный раствор. Следовательно, молекула моющего вещества должна иметь гидрофобную
и гидрофильную части.
«Фобос» – по-гречески означает страх, боязнь. Значит, гидрофобность означает боящийся, избегающий воду. «Филео» – по-гречески – люблю, а гидрофильность – любящий, удерживающий воду[5].
Гидрофобная часть молекулы моющего вещества обладает способностью
взаимодействовать с поверхностью гидрофобного загрязняющего вещества.
Гидрофильная часть моющего вещества взаимодействует с водой, проникает в
воду и увлекает с собой частицу загрязняющего вещества, присоединенную к
гидрофобному концу[6].
Лучше всего мыть посуду горячей (40-50 oС) водой; исключение делают
только для изделий из хрусталя, который от горячей воды темнеет и может помутнеть, и фаянса, глазурь которого выдерживает только теплую воду, а в горячей быстро растрескивается.
447
2. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ
2.1 Методика проведения эксперимента
Для эксперимента были взяты 6 образцов средств для мытья посуды
(рис. 1):
 Проба №1 – «Fairy»;
 Проба № 2 – «АОС»;
 Проба № 3 – «Garden»;
 Проба № 4 –капля «VOX»;
 Проба № 5 – «Биолан»;
 Проба № 6 – «Пищевая сода».
Для приготовления растворов с заданной концентрацией была измерена
плотность растворов при помощи ареометров и приготовлены 2% растворы исследуемых образцов (рис.2).
2.1.1 Исследование состава моющих средств
Для исследования состава, свойств, особенностей применения моющих
средств для посуды изучались этикетки средств, указанных при анкетировании
пользователей.
2.1.2 Методика определения органолептических показателей
Из органолептических показателей определи цвет, запах, консистенцию,
растворимость в воде.
2.1.3 Методика определения высоты и устойчивости пены
Для исследования высоты и устойчивости пены налили в стеклянную
трубку раствор (1 мл средства + 24 мл воды) и взбалтывали в течение 30 с, измеряли высоту столба пены через 5, 10 и 15 минут соответственно[7].
2.1.4 Методика определения водородного показателя
Водородный показатель 2 %-ного раствора определяли на оборудовании
Xplorer GLX.
Результаты определения показателей водородного показателя, проверенных экспериментально сравнили с теоретическими данными.
2.1.5 Методика определения фосфатов.
В пробирку добавили 2мл 2 % раствора каждого средства и добавили 1мл
2% нитрата серебра. В результате должен появиться желтый или белый осадок.
2.1.6 Методика определения влияния растворов моющих средств для
посуды на протекание процессов коррозии железных предметов.
Для исследования приготовили 2% раствор каждого моющего средства и
в каждый опустили железный гвоздь длиной 80 мм. Эксперимент проводился
при комнатной температуре. В качестве контрольного образца использовалась
водопроводная вода[8].
2.1.7 Методика определения эффективности моющих средств
448
Исследование эффективности действия моющих средств проводилось при
температуре 50С, 250С, 500С.
В качестве объекта для мытья использовались стеклянные химические
стаканы, загрязнённые смесью майонеза, растительного масла и кетчупа [9].
2.2 Результаты эксперимента и их обсуждение.
Для проведения исследования был проведен социологический опрос, с
целью выявления наиболее используемых средств для мытья посуды. В опросе
приняли участие 120 человек.
Данные опроса показывают, что наиболее популярным средством является «Fairy». Его используют 67 человек из числа опрошенных, что составляет
56%. Далее по убыванию популярности идут: «АОС» - 22 человека, 18%;
«Garden» - 11 человек, 9,5%; пищевая сода - 9 человек, 7,5%; «капля VOX» - 6
человек, 5%, «Биолан» - 5 человек,4%.
Данные диагностики использования моющих средств для посуды представлены на рисунке 3.
8%
5%
4%
Fairy
9%
AOC
Garden
Пищевая сода
Капля VOX
18%
56%
Биолан
Рис. 3. Диагностика использования средств для мытья посуды.
2.2.1 Результаты исследования состава моющих средств.
Как правило, инструкций по мытью посуды никто не читает, но это не освобождает производителя от необходимости нанесения этой информации на
бутылку.
Все средства были куплены в г. Костанай 9 микрорайон, супермаркет
«NORMA».Данные исследования приведены в таблице.
По данным таблицы можно сказать следующее:
• При равном объеме моющего средства цена средств не одинакова.
К более дорогим средствам можно отнести «Fairy», «Garden» и «АОС».
«Биолан», «капля VOX» являются более дешевыми средствами. Самым доступным средством является пищевая сода.
• Срок годности средств одинаковый. Лишь производители средства
«Garden», «Биолан» и капля «VOX» обещают сохранность средства в течение
более длительного срока – 2 года.
449
Таблица 1
Состав, свойства и особенности применения моющих средств
«Fairy»
500
326
18 мес.
«АОС»
500
330
18 мес.
«Garden»
500
400
24 мес.
Капля «VOX»
500
164
24 мес.
«Биолан»
500
179
24 мес.
Пищевая сода
500г
70
18 мес.
5-15% анионные и
‹5% неионогенные
ПАВ, консерванты,
ароматизирующие
добавки: цитронеллол, лимонен.
15-30% анионные и ‹
5% неионогенные
ПАВ, соль этилендиаминтетрауксусной кислоты, ароматизирующая добавка,
экстракт лимона, регулятор рН, красители, консервант.
Вода,
5-15% анионные и ‹
5% неионогенные
ПАВ, хлорид натрия, экстракт лимона, ароматизирующая добавка
(‹ 5%),консервант
(‹ 5%), лимонная
кислота, C.I 16255,
C.I. 19140.
5-15% анионные и ‹ 5%
неионогенные ПАВ,
соль этилендиаминтетрауксусной кислоты,
(C10H14O8
N2Na2∙2H2O), ароматизирующая добавка, алоэ
вера гель,регулятор рН,
консервант,красители.
Натрия гидрокарбонат
Рекомендации по применению
Взять немного средства и растворить в
воде
Несколько капель
средства капнуть на
влажную губку
Натуральный витамин
Е, экстракт лимона, высокопенные мягкие биоразлагаемые ПАВ, производная касторового
масла (эмульгатор), поваренная соль, биоразлагаемый консервант,
парфюмированная композиция без аллергенов,
структурированная (живая) вода.
Несколько капель средства капнуть на влажную губку
Несколько капель
средства капнуть на
влажную губку
Несколько капель средства капнуть на влажную губку
Меры
предосторожности
При попадании в
глаза промыть водой
Предохранять от
солнечных лучей.
Хранить вдали от
отопительных приборов. Беречь от детей. При попадании в
глаза промыть водой.
Беречь от детей. Избегать попадания в глаза.
Предохранять от воздействия прямых солнечных лучей, хранить
вдали от пищевых продуктов.
Беречь от детей, избегать попадания в глаза.
Рекламные
обещания
Дает обильную и
устойчивую пену.
Моет в холодной
воде. Мягкое для
рук.
Удаляет загрязнения в холодной
воде, не оставляя
разводов
Высокая активность
в холодной воде. Не
оставляет разводов,
эффективно удаляет
жир.
Предохранять от
солнечных лучей.
Хранить вдали от
отопительных приборов. Беречь от детей. При попадании
в глаза промыть водой.
Нет непосредственных рекомендаций по
мытью посуды
Пары соды могут вызвать аллергические
реакции.
Тщательно
промывать посуду.
Объем (мл)
Цена (тг)
Срок
годности
Состав
450
Не оставляет разводов, моет в холодной воде.
Легко смывается водой, не оставляя разводов. Справляется с
застаревшим жиром.
Более безопасно, чем
другие средства для мытья посуды.
Эффективно
удаляет загрязнения.
• Основным компонентом МС являются ПАВ, на всех этикетках кроме
«Garden» точно указано процентное содержание ПАВ и их тип. В МС «Garden»
содержатся биоразлагаемые ПАВ и биоразлагаемый консервант, к сожалению
не указаны их точные составы.
• Кроме ПАВ в составе моющих средств имеются красители, стабилизаторы, консерванты, парфюмерная композиция, но не указана маркировка этих
веществ, что не позволяет сделать вывод о их безопасности для человека.
• На упаковках не указано точное количество средства, необходимого для
использования. Лишь написано «нанесите небольшое количество на губку или
на посуду» или «капнуть несколько капель…».
• Практически все средства, кроме «Fairy» содержат предупреждение:
«Беречь от детей» и описывают действия при попадании средства в глаза.
• Большое внимание уделяется на этикетке МС рекламным данным:
Производители указывают, что все средства эффективно удаляют жир не
только в горячей, но и в холодной воде, легко смываются водой, не оставляя
разводов.
2.2.2 Результаты определения органолептических показателей
а) Большая часть потребителей предпочитает покупать средство в прозрачной бутылке. Это дает возможность видеть, что именно ты покупаешь,
сколько там налито, визуально оценить вязкость средства. Многие «клюют» на
любимый цвет. Учитывая это, производители выпускают средства с разными
цветовыми красителями.
Три исследуемых средства: «Fairy», «АОС», «Биолан» обладают приятным зеленым цветом. «Капля VOX» обладает светло-желтым, «Garden» - бесцветна и пищевая сода имеет белый цвет (рис.4).
б) Для людей с повышенными аллергическими реакциями аромат выбранного средства имеет чуть ли не первостепенное значение. Дело в том, что
наши обонятельные рецепторы напрямую связаны с мозгом. Руки можно уберечь от вредного воздействия с помощью перчаток, но не дышать человек не
может.
Большинство исследуемых средств обладают приятным запахом. «AOS»
имеет запах лимона, «Биолан» - алоэ вера, «Garden» - цитрус, капля «VOX» персик и лайм. Лишь «Fairy» несмотря на содержание отдушек имеют выраженный запах мыла.
в) Большинству потребителей нравятся средства средней и высокой вязкости. Очень жидкие все-таки ассоциируются с недостаточной эффективностью
действия.
Из исследуемых средств «Fairy», «Garden» и «АОС» являются густыми.
«Биолан» и «капля VOX» - жидкие. Пищевая сода-твердое вещество.
г) Также наиболее качественными являются средства, хорошо растворимые в воде, значит прозрачные. Для определения растворимости приготовили
2% раствор каждого средства.
Все средства, кроме «капля VOX» хорошо растворимы в воде.
2.2.3 Результаты определения высоты и устойчивости пены
Устойчивость пены определяли по времени оседания пены по формуле:
Данные исследования представлены в таблице 2 (рис. 5).
Таблица 2
Результаты определения высоты и устойчивости пены
анализируемых средств в водопроводной воде.
Название
средства
h (max), см
h через 5
мин, см
h через 10
мин, см
h через 15
мин, см
Устойчивость
пены, %
«Fairy»
8,9
8,5
8,1
7,9
88,76
«АОС»
8,8
8,6
8,3
7,8
88,63
«Garden»
8,9
8,5
8,4
8,2
92,13
Капля «VOX»
8,7
8,3
8,2
7,9
90,80
«Биолан»
9
8,6
8
7,8
86,67
Пищевая сода
0
0
0
0
0
Данные таблицы показывают, что лучшим пенооборазованием обладают
средства «Garden» и капля «VOX», самое низкое пенообразование «Биолан».
Отсутствие пенообразования у пищевой соды.
2.2.4 Результаты определения водородного показателя
Одним из требований к использованию моющих средств для посуды является то, что они должны обладать нейтральным или слабокислым значением
pH раствора (pH =5,5).
Из этикеток данных средств ими обладают все исследуемые образцы. 2%
раствор каждого средства исследовали при помощи оборудования Xplorer GLX.
Результаты опыта приведены в таблице 3 и рисунке 6.
Значение водородного показателя
Значение
рН
«Fairy»
«АОС»
«Garden»
7,10
7,07
7,09
452
Капля
«VOX»
7,11
Капля
«VOX»
7,2
Таблица 3.
Пищевая
сода
7,13
Рисунок 6. Значение водородного показателя
в исследуемых образцах
Все средства имеют нейтральную или слабощелочную среду.
2.2.5 Результаты определения фосфатов.
Наличие фосфатных добавок в моющих средствах приводит к значительному усилению токсических свойств ПАВов. Они проникают в микрососуды
кожи, всасываются в кровь и распространяются по организму. Это приводит к
изменению физико-химических свойств самой крови и нарушению иммунитета.
2% раствор каждого средства испытывали нитратом серебра. В пробирках
появлялся желтый или белый осадок. Желтый осадок показывает на присутствие в пробах фосфат-ионов (Ag3PO4), белый осадок показывает присутствие в
пробах хлорид-иона (AgCl) (рис.7).
В образцах всех средств, кроме «Биолана» и пищевой соды произошло не
значительное образование жёлтого осадка, что свидетельствует о присутствии
фосфат-ионов в растворе.
Хлорид-ионы обнаружены в «Биолане». Пищевая сода дала реакцию за
счет гидрокарбонат ионов.
2.2.6 Результаты определения влияния растворов моющих средств
для посуды на протекание процессов коррозии железных предметов.
При утилизации использованные растворы моющих средств для посуды
непосредственно соприкасаются с металлическими трубами канализации, а при
мытье с металлической посудой.
453
В первый день появилась ржавчина на гвоздях во всех образцах, кроме
пищевой соды. Наибольшее образование ржавчины в следующих образцах:
«Fairy», «Garden» и капля «VOX» (рис.8).
В сравнении с контрольной пробой (водопроводной водой) все средства
замедляют процесс коррозии. А пищевая сода предотвращает.
2.2.7 Результаты определения эффективности моющих средств
Сложилось устойчивое мнение об эффективности применения моющих
средств при мытье сильно загрязнённой посуды в холодной воде.
В ходе исследования было установлено следующие:
• при температуре 50С (холодная вода) ни один из исследуемых растворов моющего средства не смог удалить следы загрязнения;
• при температуре 250С частично удалить загрязнение смог лишь раствор
средства «АОС».
• при температуре 500С все средства справились с загрязнением, но в
колбах всех образцов появился избыток пены, требующий тщательного ополаскивания. Рекламные обещания «хорошо моет в холодной воде» не подтвердились.Мытье в горячей воде требует большого расхода воды, так как средства
образуют обильную пену.
Заключение
1. Наибольшей популярностью среди населения пользуются средства:
«Fairy», «AOS», «Garden», «Биолан», «капля VOX». Некоторые используют
пищевую соду.
2. Этикетки моющих средств содержит большой объем рекламных обещаний, но не полную информацию о составе и маркировке ингредиентов, о
способе применения.
3. Исследуемые средства обладают приятным цветом и запахом.
4. Наиболее дешевые средства «Биолан» и «капля VOX» обладают жидкой консистенцией.
5. Все средства, кроме «капля VOX» хорошо растворимы в воде.
6. Все средства дают обильную пену, кроме пищевой соды.
7. Все средства имеют нейтральную или слабощелочную среду.
8. Все средства кроме «Биолан» и пищевой соды содержат фосфат-ионы.
9. Все исследуемые растворы моющих средств для посуды, кроме пищевой соды, способствуют коррозии железных предметов, а значит негативно
действуют на трубы канализации и металлическую посуду.
10. Вопреки общеизвестным рекламным роликам ни одно моющее средство не смогло удалить следы загрязнения в холодной воде. Наиболее эффек454
тивно действуют моющего средства в горячей воде, образуя обильную пену,
что требует тщательного ополаскивания посуды.
Библиографический список
1. Большая школьная энциклопедия. Точные науки. М.: «ОЛМА-ПРЕСС»,
2002.
2.Н.Л.Глинка «Общая химия» Ленинград «Химия» 1981 год
3. Шпаусус З. Путешествие в мир химии. М.: «Просвещение», 1967.
4. Амбрамзон А.А. и др. Поверхностно-активные вещества. Синтез, анализ, свойства, применение. Л., 1988.
5.Шварц А., Пери Д. Поверхностно-активные вещества: их химия и технические применения. М., 1953.
6. Харлампович Г.Д. и др. Многоликая химия. – М.: «Просвещение».
7. Л. Чалмерс Химические средства в быту и промышленности. Ленинград.
8. www.plamet.elkat.kd
9.http://byt.potrebitel.ru/index.phtml?action=model_list&num_id=60&cat_id=
425
Приложение
Рисунок 1. Исследуемые средства
для мытья посуды
455
Рисунок 2. Растворы исследуемых образцов.
8%
5%
4%
Fairy
9%
AOC
Garden
Пищевая сода
Капля VOX
18%
56%
Биолан
Рисунок 3. Диагностика использования средств для мытья посуды
Рисунок 4. Исследование органолептических показателей
456
Рисунок 5. Исследование устойчивости пенообразования
в исследуемых образцах
Рисунок 6. Значение водородного показателя
в исследуемых образца
457
Рисунок 7. Определение фосфат и хлорид-ионов
в исследуемых образцах
Рисунок 8. Определение влияния растворов моющих средств
для посуды на протекание процессов коррозии железных предметов
458
Зверев Иван, 9-3 кл., БОУ г. Омска «Лицей № 143»
Руководитель: Шокурова М. И., учитель химии
БОУ г. Омска «Лицей № 143»
СТОЙКОСТЬ НЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ
Введение
В наше время, очень актуальной стала тема защиты окружающей среды.
В связи с невозобновляемостью запасов полезных ископаемых, возникает проблема поиска альтернативных источников топлива и экономии нефти. Одним из
способов экономии является создание топливных эмульсий. Долгое время считалось, что идеальным топливом является обезвоженная нефть, но оказывается,
что присутствие воды улучшает свойства топлива и производит «детонацию»,
что способствует лучшей работе двигателя.
Как топливо, эмульсии являются несомненным шагом вперед, данное направление успешно развивается в связи с его несомненными плюсами.
Обратной стороной работы, является разрушение данных эмульсий. Это
можно применять при ликвидации крупных аварий, произошедших с утечкой
нефтесодержащих веществ. К расслоению системы приводит чисто механическое воздействие. Используют методы вытеснения эмульгатора веществом, обладающим большей поверхностной активностью, но меньшей способностью к
образованию поверхностных слоев, а также все способы, применяемые для коагуляции – увеличение концентрации электролита, дегидратация, вымораживание, электрофоретическое выделение дисперсной среды. Задача разрушения
эмульсий приобретает в настоящее время особую важность в связи с проблемой
очистки сточных вод. В связи с этим практическая часть исследования была посвящена именно поиску деэмульгатора и разрушению эмульсий [2].
Цель исследования: изучить стойкость нефтяных эмульсий и влияние деэмульгаторов на ее расслоение.
Задачи исследования:
• на основе литературных источников дать определение понятию нефть и
нефтяные эмульсии, а также рассмотреть способы добычи нефти.
• провести исследовательскую работу по изучению стойкости нефтяных
эмульсий и влиянию деэмульгаторов из серии спиртов на ее расслоение.
Методы исследования: анализ литературных источников, физикохимические.
1. Теоретическая часть
Нефть – природная маслянистая горючая жидкость со специфическим запахом, состоящая в основном из сложной смеси углеводородов различной молекулярной массы и некоторых других химических соединений [4].
459
1.1 История нахождения нефти
На протяжении XX века и в XXI веке нефть является одним из важнейших для человечества полезных ископаемых. Использование нефти приведено
в таблице 1.
Таблица 1
Первое установленное использование нефти по регионам мира
Дата
Регион
мира
Как использовалась
Доказательство
использования
Нефть и её образования использовались в качестве вяжущего матеПодтверждено раскопками,
6000–4000 Берега Евриала в строительстве. Именно установившими существование
лет до н. э.
фрата
их – асфальт и битум – применяли
нефтяных промыслов.
при строительстве стен Вавилона.
5000 лет
до н. э.
6 век
до н. э.
Индия
Использовалась в качестве вяжущего материала в строительстве.
В развалинах древнеиндий
ского города Мохенджо-Даро
был обнаружен огромный бассейн, построенный 5 тысяч лет
назад, дно и стены которого
были покрыты слоем асфальта
(продуктом окисления нефти)
Вавилон
По свидетельству Геродота,
нефть широко использовалась
Вавилонский царь Навуходоносор
при создании стен и башен
II топил нефтью гигантскую печь, Вавилона. Он же описывает
и в ней, согласно легенде, попы- древний способ добычи нефти
из «известного колодца»,
тался сжечь трёх еврейских юношей, что ему не удалось.
расположенного недалеко
от Ардерикки – селения у Евфрата
Древний
Египет
Использовалась для бальзамирования умерших (асфальт, добытый
на Мертвом море)
По свидетельству Геродота
и Диодора Сицилийского.
Древняя
Греция
В качестве зажигательной смеси,
топлива.
Упоминания об использовании
нефти есть у Плутарха
и Диоскорида
Нефть, которую стали добывать промышленным способом только в середине 19 века, сопровождает человечество с древнейших времен. Если обратиться к историческим фактам, стоит вернуться на 8 тысяч лет назад. Примерно за 6
тысяч лет до нашей эры шумеры, жившие в междуречье Тигра и Евфрата,
встретились с удивительным веществом, выступившем не поверхность земли в
виде вязкой массы, похожей на смолу. Это был нефтяной битум, который в условиях недостатка дерева и камня стали эффективно использовать для возведения грандиозных построек. Битум добавляли в смесь из глины, песка и гравия,
460
из которой делали кирпичи. Им же укрепляли кладку, и получившиеся стены
оказывались чрезвычайно прочными. Битумом покрывали дороги, укрепляли
берега искусственных водоемов. Кроме того, им обмазывали лодки и посуду,
обеспечивая таким образом водонепроницаемость. Более редкую жидкую нефть
применяли для освещения помещений. Интересно, что нефть считалась целебной – шумеры пытались лечить ею нарывы и боль в суставах. Египтяне нашли
нефти еще одно удивительное применение – они применяли ее для бальзамирования. По свидетельству Геродота, битум широко использовался при создании
стен и башен Вавилона. Знали нефть и в Древней Индии. В развалинах древнеиндийского города Мохенджо-Даро был обнаружен огромный бассейн, построенный 5 тысяч лет назад, дно и стены которого были покрыты слоем асфальта.
На Ближнем Востоке нефть стала ходовым товаром в начале нашей эры. Иранские и арабские летописи свидетельствуют, что еще в 3–4 веках нефть, добываемая на Апшеронском полуострове, вывозилась в Персию, откуда распространялась и по другим странам [1].
До начала 18 века нефть преимущественно использовалась в натуральном, то есть непереработанном и неочищенном виде. Большое внимание на
нефть в качестве полезного ископаемого было обращено только после того, как
в Америке химиком Б. Силлиманом (1855), было доказано, что из неё можно
выделить керосин — осветительное масло, подобное фотогену, уже в то время
вырабатывавшемуся из некоторых видов каменных углей и сланцев и получившему широкое распространение. Преимущественное использование переработанной нефти началось только во 2-й половине 19 века, чему способствовал
возникший в это время новый способ добычи нефти с помощью буровых скважин вместо колодцев. Первая в мире добыча нефти из буровой скважины состоялась в 1848 году на Биби-Эйбатском месторождении в столице Азербайджана - в городе Баку.
1.2 Способы добычи нефти
Нефтедобыча – подотрасль нефтяной промышленности, отрасль экономики, занимающаяся добычей природного полезного ископаемого — нефти.
Нефть добывают при помощи нефтяных скважин. Существует несколько
способов использования нефтяных скважин [3]:
1. Фонтанный способ эксплуатации скважины
При фонтанном способе жидкость и газ поднимаются по стволу скважины от забоя на поверхность только под действием пластовой энергии, которой
обладает нефтяной пласт. Этот способ является наиболее экономичным, так как
не требует дополнительных затрат энергии на подъем жидкости на поверхность. Кроме того при этом способе не требуется закупка дорогостоящего оборудования, требующего к тому же регулярного обслуживания. Оборудование
461
фонтанных скважин состоит из колонной головки, фонтанной арматуры и выкидной линии. Это оборудование относится к наземному. Подземное оборудование состоит из колонны насосно-компрессорных труб (НКТ), которые, как
правило, спускают до глубины верхних дыр перфорации.
Насосно-компрессорные трубы (НКТ) в фонтанных скважинах служат
для подъема жидкости и газа на поверхность, регулирования режима работы
скважины, проведения исследовательских работ, борьбы со смолопарафиновыми отложениями, осуществления различных геолого-технических мероприятий
(ГТМ), предохранения эксплуатационной колонны от коррозии и эрозии, предупреждения и ликвидации песчаных пробок, глушения скважин перед подземным или капитальным ремонтами, предохранения эксплуатационной колонны
скважины от высокого давления при различных геолого-технических мероприятиях.
2. Газлифтный способ эксплуатации скважины
Газлифтная эксплуатация является продолжением фонтанной эксплуатации, когда пластовая энергия уменьшается настолько, что подъем жидкости на
поверхность ею не обеспечивается и возникает необходимость в дополнительной
энергии. В качестве дополнительной энергии используется газ высокого давления. В результате смешивания дополнительно поступающего в скважину газа с
пластовой жидкостью образуется газожидкостная смесь пониженной плотностью, что снижает давление на забое скважины. Пониженное забойное давление
обеспечивает приток продукции из пласта и подъем газожидкостной смеси на
поверхность. Различают компрессорный газлифт и бескомпрессорный газлифт.
Если для сжатия газа до необходимого давления и закачки его в скважину применяются компрессоры, то соответственно такой способ эксплуатации называется компрессорным газлифтом. Если в качестве рабочего агента для газового
подъемника применяется газ из газовых пластов высокого давления, то в этом
случае эксплуатация скважин называется бескомпрессорным газлифтом [5].
При добыче обводнённых нефтей в скважинах, промысловых трубопроводах, а также в аппаратах обессоливания нефти вследствие интенсивного турбулентного перемешивания нефтеводяной смеси, а также при нефтяных катастрофах в водных пространствах может образоваться эмульсия.
1.3 Понятие нефтяной эмульсии
Нефтяная эмульсия - дисперсная система типа «Вода-масло» состоящая
из глобул нефти растворенных в воде.
По содержанию дисперсной фазы нефтяные эмульсии подразделяют на
разбавленные (до 0,2% по объёму), концентрированные (до 74%) и высококонцентрированные (свыше 74%). Основные физико-химические свойства нефтяных эмульсий: дисперсность, вязкость, плотность, а также устойчивость к раз462
рушению. Образование нефтяных эмульсий приводит к потерям нефти при её
добыче, транспортировании и подготовке к переработке. Разрушение эмульсий
(деэмульгация) является одним из важнейших процессов промысловой подготовки нефти [6].
Разрушение нефтяных эмульсий имеет большое значение, как экологическое, так и экономическое. При добыче нефти эмульсии ухудшают полезные
свойства нефти, а так же усложняют ее добычу, что увеличивает затраты на ее
добычу и переработку. Экологическое значение разрушения эмульсий выражается в очищении водных пространств от нефтяных загрязнений и улучшения
качества воды.
2. Экспериментальная часть
Экспериментальная часть исследования заключалась в использовании
физико-химических методов исследования свойств нефтяных эмульсии и деэмульгаторов.
1. Проведение эксперимента
1) Образование устойчивой водо-нефтяной эмульсии
Поиск наиболее благоприятного соотношения нефти и воды для создания
наиболее устойчивой эмульсии. Для этого необходимо налить воду и нефть в 5
пробирок в следующих соотношениях:
№ пробирки
Нефть (мл)
Вода (мл)
1
5
1
2
4
2
3
3
3
4
2
4
5
1
5
Хорошо встряхнуть пробирки. Посмотреть через 5 и 10 минут на степень
расслоения эмульсий, отметить результат в таблице. Оставить пробирки на сутки. Чем дольше происходит расслоение, тем эмульсия более стойкая. Сделать
вывод, в каком соотношении нефти и воды эмульсия получилась самая стойкая.
2) Влияние солености воды на устойчивость эмульсии
Необходимо приготовить 5 растворов поваренной соли разной концентрации. Из опыта №1 выбрать 2 пробирки с самыми стойкими эмульсиями, указать соотношение нефти и воды в таблице. Добавлять по 2 мл раствора поваренной соли к эмульсиям и наблюдать, влияет ли соленость на скорость расслаивания эмульсий по истечению 10 минут. Результаты записать в таблицу.
3) Влияние деэмульгатора на расслоение эмульсии
Для проведения опыта возьмем эмульсию в соотношении: нефть – 2 мл и
вода – 4 мл. Добавлять будем деэмульгатор из серии спиртов в объеме 1 мл. Результаты влияния записать в таблицу.
4) Влияние разной концентрации деэмульгатора на эмульсию
Для проведения опыта возьмем 3 пробирки с эмульсией в соотношении:
нефть – 2 мл и вода – 4 мл. Добавлять будем разный объем деэмульгатора (его
463
выбор обусловлен опытом 1 – тот, который имел наибольшее влияние на
эмульсию). Результаты влияния записать в таблицу.
2. Полученные результаты исследования
Наиболее устойчивая водо-нефтяная эмульсия получилась в соотношении
нефти и воды 5:1 и 4:2.
Приготовили растворы поваренной соли разной концентрации:
NaCl, г
H2O, г
Массовая доля соли в
растворе, %
1
0,3
5,7
2
0,9
5,1
3
1,5
4,5
4
3
3
5
4,5
1,5
5
15
25
50
75
При добавлении растворов соли к эмульсиям, определили, что прямой зависимости от солености воды стабильность водо-нефтяных эмульсий не имеет.
Влияние деэмульгаторов на нефтяную эмульсию представлено в табл. 2.
Таблица 2
Влияние деэмульгатора на нефтяную эмульсию
Деэмульгатор
Влияние на расслоение эмульсии
почти не влияет
плохо влияет
влияет
влияет
влияет хорошо
Контрольный (без деэмульгатора)
50% раствор глицерина
раствор глюкозы (2 г на 8 мл воды)
изобутиловый спирт
этиловый спирт
бутиловый спирт
Лучшим деэмульгатором из серии спиртов является бутиловый спирт.
Расслоение, а значит разрушение водо-нефтяной эмульсии, значительно ускорилось по сравнению с добавлением остальных образцов деэмульгаторов.
Влияние концентрации бутилового спирта на эмульсию представлены в
табл. 3.
Таблица 3
Скорость изменения в пробирке
1мл
II место
Объем деэмульгатора
2 мл
I место
3 мл
III место
Из таблицы видно, что расслоение эмульсии происходит быстрее при добавлении к образцу бутилового спирта в объеме 2 мл.
464
Заключение
В связи с увеличением количества чрезвычайных ситуаций на объектах
нефтяной отрасли, негативное воздействие разливов нефти на окружающую
среду становится все более существенным. Экологические последствия при
этом носят трудно учитываемый характер, поскольку нефтяное загрязнение нарушает многие естественные процессы и взаимосвязи, что приводит к глубокому изменению всех звеньев естественных биоценозов [7].
Важнейшим компонентом экологических потерь, возникающих вследствие загрязнения почвы нефтью и нефтепродуктами, является сокращение продуктивности экологической системы. Усилия по ликвидации загрязнения и его
последствий, в свою очередь, являются дополнительными экономическими потерями.
Практическая значимость нашего исследования заключается в том, чтобы
понять насколько стойкая водо-нефтяная эмульсия, ведь во время катастроф,
связанных с разливом нефти, именно она и наносит огромный вред экологии. А
так же, доказали, что воздействовать на ее разрушение можно, использую спирты, в частности, бутиловый спирт оказывает наилучшее влияние на расслоение
эмульсии. Возможно, этот способ где-то найдет свое применение. Данные о
том, что соленость не влияет на стойкость эмульсии, также важны, значит не
зависимо от того, где произошла авария с разливом нефти, будет образовываться одинаково стабильная эмульсия [8].
Использование нефти и нефтепродуктов должно быть весьма аккуратным, продуманным и дозированным. Нефть требует к себе внимательного отношения. Это необходимо помнить не только каждому нефтянику, но и всем,
кто имеет дело с продуктами нефтехимии.
Библиографический список
1. Вержичинская С.В., Дигуров Н.Г., Синицин С.А. Химия и технология
нефти и газа. Учебное пособие. — М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2007. - 400 с.
2. Габриелян О.С. Химия 10 класс. Учебник, 16-е издание, переработанное – М.: Дрофа, 2010. – 270 с.
3. Габриелян О.С. Химия. 11 класс. Базовый уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений / О.С. Габриелян. – 2-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2007. –
218 с.
4. Глинка, Н.Л. Общая химия: учеб. пособие для вузов / Н.Л.Глинка; под
ред. А.И. Ермакова. - М.: Интеграл-Пресс, 2003. -728 с
5. Давыдова С.Л., Тагасов В.И. Нефть и нефтепродукты в окружающей
среде. Учеб. пособие. - М.: Изд-во РУДН, 2004. - 163 с.
6. Зимон А.Д. Занимательная коллоидная химия. Учебное пособие. – М.:
Агар, 2002. – 168 с.
465
Жаденко Дарья, 9 «А» кл. БОУ г. Омска «Гимназия № 159»
Десятник Софья
Научный руководитель: Полякова Т. А., учитель химии БОУ г. Омска
«Гимназия № 159»,
Трунова И. И., учитель физики БОУ г. Омска «Гимназия № 159»
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РЕГЛАМЕНТ ОЧИСТКИ ЗАБОРНОЙ ВОДЫ
ГОРОДА ОМСКА
Введение
Пресная вода и плодородные почвы, важнейшие для человечества ресурсы, так как это залог производство почти всех продуктов питания. Обилие земельных и водных ресурсов – условие процветания цивилизации.
В процессе развития цивилизации невозможно представить жизнь человека без воды. В экономически развитых странах городской житель использует
300-400 литров воды в сутки.
Залог здоровья и безопасности жителей большого города – соответствие
качества питьевой воды санитарно – гигиеническим нормативам.
Цель работы:
Изучение технологического регламента очистки заборной воды из Иртыша на очистной станции города Омска.
Нами были поставлены следующие задачи:
1. Изучить историю очистительных сооружений города Омска;
2. Определить какие способы очистки заборной воды из Иртыша существуют;
3. Ознакомиться с технологическим регламентом очистки заборной воды
из Иртыша;
4. Провести лабораторный анализ определения качества очистки заборной воды из Иртыша;
5. Провести лабораторный анализ определения качества питьевой воды;
6. Совершить экскурсию на очистную станцию города Омска.
Объект исследования: Технологический регламент очистки заборной
воды из Иртыша Ленинской очистной водопроводной насосно-фильтровальной
станции города Омска
Предмет исследования: Очищенная заборная вода
Гипотеза: Процесс очистки заборной воды из Иртыша гарантирует качество воды, пригодной для питья.
Методы исследования:
1. Изучение регламента очистки заборной воды из Иртыша города Омска
2. Проведение химического анализа воды.
466
Ожидаемые результаты: Исследуемая вода пригодна для питья и безопасна для здоровья.
1.1 Историческая справка
Муниципальное унитарное предприятие “ Водоканал ” г. Омска – одно из
крупнейших предприятий водопроводно-канализационного хозяйства России.
Обслуживая одну из основных систем жизнеобеспечения миллионного города –
систему водопровода и канализации – коллектив “ Водоканала “ несёт высокую
ответственность за благополучие и здоровье жителей города, обеспечение его
санитарной и экологической чистоты, охрану окружающей водной среды. “ Водоканал “ – одно из старейших предприятий города. Его история началась в
1912 г., когда в Омске был построен первый водопровод. Он состоял из водозабора, насосной станции и трубопровода с водозаборными будками, в которых
будочники продавали воду.
Предприятие росло и расширялось вместе с городом. Сегодня “ Водоканал “ полностью отвечает требованиям, предъявляемым к одному из ведущих
предприятий жилищно–коммунального хозяйства миллионного города. Задача
предприятия – обеспечение населения г. Омска и пригородных посёлков Крутая
Горка и Береговой качественной питьевой водой, обеспечение промышленных
предприятий и организаций города водой для производственных нужд и целей
пожаротушения, а также оказание услуг по приему, отводу и очистки сточных
вод. В ведении “ Водоканала “ находится 3 водозаборных станции общей мощностью более 700 тыс. м3 в сутки, более 1400 км сетей водопровода и 940 км сетей канализации, два комплекса очистных сооружений канализации в Омске и
поселке Крутая Горка, 74 водопроводных и 57 канализационных насосных
станций, более 800 водозаборных колонок и 2500 пожарных гидрантов, 7 городских фонтанов.
Обслуживание громадного хозяйства и решение задач по водоснабжению
и водоотведению города обеспечивает коллектив предприятия численностью
более 2600 человек.
1.2 Характеристика природных вод как исходного сырья
Источником природных вод для водоснабжения г. Омска является открытый водоём – р. Иртыш. Вода реки многокомпонентная динамическая система,
в состав которой входят газы, минеральные и органические вещества, микроорганизмы. Из растворённых газов могут присутствовать: кислород, азот, углекислый газ. Кислород поступает из атмосферы воздуха, а также образуется в
результате фотосинтеза водорослями органики и неорганических веществ. Резкое уменьшение содержания кислорода в воде по сравнению с нормальным
свидетельствует о её загрязнении. Растворённый углекислый газ появляется в
результате биохимических процессов окисления органических веществ в водо467
ёмах, дыхания водных организмов. Взвешенные вещества попадают в воду в
результате смыва твёрдых частиц верхнего покрова земли дождями или талыми
водами во время весенних и осенних паводков, а также размыва русел. Взвеси
обуславливают мутность воды. Самыми значительными поставщиками органических веществ в природную воду являются продукты жизнедеятельности и
разложения растительных и животных организмов, сточные воды бытовых и
промышленных предприятий. Гидрофлора водоёма определяется макро- и микрофитами. В результате фотосинтеза увеличивается содержание растворённого
в воде кислорода, снижается концентрация свободной углекислоты, происходит
процесс самоочищения водоёма. Бактерии и вирусы из числа патогенных, т.е.
паразиты, живущих на живом субстрате могут вызвать разные заболевания.
Самоочищение воды от бактериальных загрязнений происходит за счёт сложного комплекса физических, химических и биологических факторов. Под влиянием протекающих в воде биохимических процессов погибают патогенные
микробы. Естественные факторы очищения источников не обеспечивают надлежащего качества воды, потребляемой для хозяйственно-питьевых нужд.
1.3. Физико – химические основы очистки природных вод.
На сооружениях водоподготовки г. Омска для очистки речной воды применены отстойники и фильтры. Для повышения эффективности процессов
фильтрации и осаждения в очищаемую воду вводят реагенты – коагулянты и
флокулянты. Под их действием происходит укрупнение коллоидных и взвешенных частичек, интенсифицируются процессы отстаивания, фильтрования.
По характеру процессов, протекающих при очистки воды, метод очистки
следует классифицировать как физико-химический с применением в разных сочетаниях реагентов. Коагулянты – низкомолекулярные, неорганические или органические электролиты (ионы солей), приводящие к слипанию между собой
частиц, загрязняющих воду. К флокулянтам относят неорганические или органические высокомолекулярные соединения (полимеры), объединяющие на каждой из своих макромолекул по несколько загрязняющих воду частиц. Вода с
загрязняющими её компонентами – это дисперсная система, где вода – дисперсная среда, примеси - дисперсная фаза. По размеру частиц (степени дисперсности) дисперсные системы делятся на:
1. грубодисперсные (взвеси, суспензии, эмульсии)
2. высокодисперсные (коллоидные растворы)
Поверхность большинства коллоидов природных вод заряжена отрицательно. При введении в дисперсную систему флокулянтов или коагулянтов (несущих положительный заряд на своей поверхности) заряд частиц компенсируется, силы отталкивания ослабевают. В качестве коагулянта на станции водоподготовки г. Омска применяется флокулянт анионного типа. При его исполь468
зовании уменьшилась бактериологическая загрязнённость очищенной воды;
исчезла зависимость качества очистки питьевой воды от её температуры; привнесен значительный экологический эффект.
1.4. Подготовка питьевой воды на очистных сооружениях водопровода.
Ленинская очистная водопроводная насосно-фильтровальная станция
обеспечивает бесперебойное снабжение населения качественной питьевой водой и производственное водоснабжение предприятий города. На городских
очистных сооружениях водопровода осуществляется очистка и обеззараживание заборной из Иртыша воды и её подача с помощью насосных станций в разводящую сеть города.
Система подготовки питьевой воды включает в себя сложные технологические процессы. Забор воды осуществляется двумя водозаборами руслового
типа и ковшевого типа. В дальнейшем на очистных сооружениях в речной воде
загрязняющие вещества при взаимодействии с флокулянтом образуют крупные
хлопья и удаляются в процессе отстаивания и фильтрации. Очистные сооружения фильтровальной станции имеют 3 параллельные технологические линии.
Поступающая во II и III блоки очищаемая вода последовательно проходит первичное обеззараживание газообразным хлором в смесителях и отстаивание в
горизонтальных отстойниках со встроенными камерами хлопьеобразования захламленного типа, где происходит взаимодействие загрязнений с реагентами,
укрупнение взвесей и выпадение осадка. После отстаивания вода поступает на
скорые фильтры, где оставшиеся взвеси задерживаются слоями фильтрующего
материала. После вторичного хлорирования вода поступает в резервуары чистой воды. По мере необходимости в период паводка производится профилактическое хлорирование.
Очистные сооружения водопровода обеспечивают полное соответствие
качества воды санитарно – гигиеническим нормативам. Высокое качество питьевой воды подтверждается результатами лабораторных исследований химикобактериологической лаборатории водопровода МУП “Водоканал” и центров
Госсанэпиднадзора.
1.5 Система контроля качества питьевой воды.
Качество питьевой воды контролируется непрерывно на всех этапах ёё
подготовки и транспортировки от источника водоснабжения до потребителя.
Функции контроля качества питьевой воды осуществляется химико– бактериологической лабораторией водопровода ( ХБЛВ ). Работа ХБЛВ построена в
строгом соответствии с нормативными документами под контролем органов
Госсанэпиднадзора. С января 1999 г. вступили в силу новые федеральные стандарты обеспечения и контроля качества питьевой воды, разработанные с учё469
том рекомендаций Всемирной организации здравоохранения. С 1999 г. ХБЛВ
перешла на работу в условиях повышенных требований СанПиН и ГОСТ. На
основе нормативных документов федерального уровня с учетом экологического
состояния р. Иртыш на предприятии разработана по согласованию с органами
Госсанэпиднадзора индивидуальная рабочая программа лабораторно- производственного контроля питьевой воды.
Ежедневно на очистных сооружениях и сетях водопровода отбирается
порядка 60 проб воды и проводится более 1000 анализов всего по более чем 40
показателям. Особо строгий “паводковый “ режим контроля вводится на весенне-летний период.
2. Оценка качества водопроводной воды
Питьевую воду население Центрального района получает преимущественно из централизованной водопроводной системы города Омска. Здесь осуществляется постоянный контроль за качеством подаваемой населению воды. Но, к
сожалению, техническое состояние водопроводных труб города снижает качество воды. Для изучения качества воды нами было проведено 2 исследования: первое – в школьной лаборатории, второе – в лаборатории Омскводоканала.
При исследовании воды в школьной лаборатории были взяты пробы из
различных локальных источников: водопровод в школе, колонка, домашние водопроводы учащихся школы. Методика оценки качества питьевой воды представлена в приложении 2, анализ проводился в лаборатории «Омскводоканал».
В результате исследования проб питьевой воды были получены следующие данные: Запах воды при температуре 20°С 2- 3 балла в зависимости от
времени суток. Утром, пока вода еще не пробежала, запах выражен более ярко.
Запах природного происхождения, болотный. Цвет воды от светложелтого до желтого. Мутность воды слабомутная.
После недельного отстаивания воды в пластиковой бутылке объемом 0,5
литра наблюдается выпадение осадка желтого цвета, и взвешенные частицы
буроватого и зеленоватого цвета на высоте 1,5 – 2 см. от дна бутылки.
Была исследована вода, которая отстаивалась в течение трех суток в ведре, а также вода, прошедшая через фильтр. Результаты исследования представлены в приложении 1. Сравнительный анализ показывает относительную чистоту питьевой воды.
Все образцы и по физическим свойствам и по органолептическим показателям соответствуют допустимым СЭС нормам.
Исследование воды в лаборатории Омскводоканала показало, что по исследуемым показателям соответствует допустимым СЭС нормам.
470
Выводы:
1.Ознакомившись с технологическим регламентом очистки заборной воды из Иртыша, мы выяснили, что “ Водоканал ” г. Омска обеспечивает санитарную и экологическую чистоту воды, а также охрану окружающей водной
среды.
2.Существует несколько способов очистки заборной воды, такие как
фильтрование и отстаивание.
3.На сегодняшний день результаты лабораторных исследований качества
питьевой воды позволяют отнести Омск к наиболее благополучным по качеству
питьевой воды среди городов, использующих для водоснабжения поверхностные источники.
4. Качественная питьевая вода нам необходима, каждый из нас мог бы
повлиять на экологическую ситуацию в городе. Мы предлагаем воспользоваться нашими рекомендациями о том, как очистить воду самостоятельно в бытовых условиях, имея подручные средства. (Приложение 3)
5. Чтобы наш город был чистым, экологически здоровым, надо каждому
жителю помнить, что это его дом, самим соблюдать чистоту и приучать своих
детей. Сделаем наш дом чистым!
Библиографический список
1. Н.Ф. Винокурова, В.В.Трушин « Глобальная экология»: учебник для
10-11 классов профильной школы- М.: Просвещение, 1998 год.
2. Книга для чтения по охране природы. Сост. А.Н.Захлебный. М.: Просвещение, 1986;
3. Криксунов Е.А., Пасечник В.В. Экология. 9 класс. М: Дрофа, 1999;
4. Химия окружающей среды. Под ред. Дж.О.М.Бокриса. М.: Химия,
1982;
5. Чернова Н.М., Галушкин В.М., Константинов В.М. Основы экологии.
Учебник для 10-11 классов. М: Дрофа, 1999;
6. Энциклопедия для детей. Т. 3. География. М: Аванта+, 2001;
7. Энциклопедия для детей. Т. 17. Химия. М.: Аванта+, 2000.
8. http://www.ecosystema.ru/07referats/vodokan.htm
9. http://www.omskvodokanal.ru/
10. http://www.sibecolog.ru/
11. http://shungit-water.ru/
471
Приложение 1
Сравнение данных, полученных в результате исследования»
Параметры
сравнения.
Водопроводная вода,
балл/характеристика.
Запах воды при
температуре 20°С
2-3 в зависимости от времени суток/ запах природного происхождения, болотный.
2 - 3/ запах природного
происхождения, болотный.
От светло-желтого до
желтого.
От слабомутной до мутной
Запах воды при
температуре 60°С
Цвет воды
Мутность воды
Наличие взвешенных частиц.
После отстаивания хорошо заметны частицы буроватого и зеленоватого
цвета.
Вода, которая
отстоялась в течение
3 суток
Слабо ощутим (1
балл).
Вода, прошедшая
через фильтр.
1 балл
0
Слабо желтоватая
Без цвета
Не мутная, но не
достаточно прозрачная
Практически отсутствуют.
Прозрачная
Результаты анализа проб воды от 17.01.
Показатель,
единица измерения
Остаточный активный
хлор (суммарное содержание свободного и связанного), мг/дм3
Нитрит-ион, мг/дм3
Нитрат-ион, мг/дм3
Хлорид-ион, мг/дм3
Сульфаты, мг/дм3
Фторид-ион, мг/дм3
Алюминий, мг/дм3
Барий, мг/дм3
Бериллий, мг/дм3
Бор, мг/дм3
Ванадий, мг/дм3
Висмут, мг/дм3
Железо общее, мг/дм3
Кадмий, мг/дм3
Калий, мг/дм3
Кальций, мг/дм3
0
Нет
Приложение 2
Результат
анализа
( зеленая бутылка, частный дом)
Результат
анализа
( светлая бутылка)-1,0 л
Результат
анализа
( светлая бутылка)- 1,5 л
Нормативы ПДК
СанПиН
2.1.4.1074-01
(питьевая вода),
не более
отсутствие
отсутствие
отсутствие
1,2
<0,2
1,63
7,66
27,1
0,153
<0,04
0,027
<0,0001
0,030
<0,001
<0,05
<0,05
<0,0001
1,3
38,0
<0,2
1,89
8,34
27,8
0,175
<0,04
0,026
<0,0001
0,035
<0,001
<0,05
<0,05
<0,0001
1,3
38,0
<0,2
1,79
8,50
27,5
0,193
<0,04
0,025
<0,0001
0,035
<0,001
<0,05
<0,05
<0,0001
1,3
37,5
3,0
45
350
500
1,2
0,5
0,1
0,0002
0,5
0,1
0,1
0,3
0,001
Не нормируется
Не нормируется
472
Кобальт, мг/дм3
Литий, мг/дм3
Магний, мг/дм3
Марганец, мг/дм3
Медь, мг/дм3
Молибден, мг/дм3
Мышьяк, мг/дм3
Натрий, мг/дм3
Никель, мг/дм3
Олово, мг/дм3
Свинец, мг/дм3
Селен, мг/дм3
Серебро, мг/дм3
Стронций, мг/дм3
Сурьма, мг/дм3
Титан, мг/дм3
Хром, мг/дм3
Цинк, мг/дм3
<0,001
<0,01
5,9
0,0024
0,0030
<0,001
<0,005
9,5
<0,001
<0,005
<0,001
<0,005
<0,005
0,18
<0,005
<0,01
<0,001
0,020
<0,001
<0,01
6,2
<0,001
0,0027
<0,001
<0,005
9,6
<0,001
<0,005
<0,001
<0,005
<0,005
0,18
<0,005
<0,01
<0,001
<0,005
<0,001
<0,01
6,2
<0,001
0,0028
<0,001
<0,005
9,6
<0,001
<0,005
<0,001
<0,005
<0,005
0,19
<0,005
<0,01
<0,001
<0,005
0,1
0,03
Не нормируется
0,1
1,0
0,25
0,05
200
0,1
Не нормируется
0,03
0,01
0,05
7,0
0,05
Не нормируется
0,05
5,0
Приложение 3
Рекомендации
1 метод. Использование бытовых фильтров
У многих учащихся, принявших участие в анкетировании, дома имеются
фильтры для очистки воды. Проанализировав результаты исследования, мы видим улучшение качества воды, пропущенной через фильтр. Поэтому мы всем
предлагаем их использование.
2 метод. Отстаивание
Самый простой способ домашней доочистки воды. Вода из крана перед
кипячением должна спокойно постоять 5—6 ч. За это время «выдохнется» хлор,
которым обеззараживают воду, а твердые вещества осядут на дно емкости. Надо приготовить стеклянные банки, в которых отстаивать воду. Выливая в чайник, оставлять четверть жидкости, чтобы вредные вещества и крупные частицы
оставались на дне.
3 метод. Простое перемешивание
Самый простой способ избавиться от «излишков» соединений железа, которые есть в воде, — это просто перемешать воду. Двигаясь в емкости, они
вступают в реакцию с кислородом, окисляются и в качестве осадка выпадают
на дно.
4 метод. Насыщение полезными элементами
Положить в нее несколько кристаллов кремния, чтобы потом здоровье было кремниевое. Или напитать серебром, опустив в сосуд серебряную вещь.
5 метод. Обогащение воды микроэлементами
Возьмите воду, желательно, из родника, и, на ночь, положите в нее раз473
ные травки - крапиву, одуванчик, сныть, листья липы, березы, земляники, смородины - все, что захотите. Утром процедите и пользуйтесь этой водой. Можно
и варить на ней, но лучше пить сырой
6 метод. Обработка ультрафиолетовыми лучами
Выставить на солнышко на несколько часов, чтобы вода зарядилась энергией Солнца. Кстати, ВОЗ обратила пристальное внимание на такой дешевый
способ обеззараживания воды, как выдержка ее на солнце в течение 5 часов в
пластиковых бутылях. За это время ультрафиолетовые лучи полностью уничтожают бактерии в воде.
7 метод.
Можно, наконец, гармонизировать воду классической музыкой, пением
птиц, шумом прибоя, записанными на кассету. Исследователи утверждают, что
информация хорошо "записывается" на водных структурах, сливаясь потом с
организмом. И он зазвучит мощно, словно океанский прибой; слаженно, словно
хороший оркестр; гармонично и гибко, как скрипка.
8 метод. Протиевая вода
Делается это так: воду в эмалированной посуде поставить в морозильную
камеру холодильника или на мороз. Через полтора - три часа, в зависимости от
объёма замораживаемой воды и места где вода замораживается, на стенках посуды и сверху образуется ледок. Это первая замерзшая вода, которая является
"тяжёлой". Тяжёлая вода имеет более высокую точку кипения и замерзания.
Она первой замерзает и последней испаряется. В одном из трудов по геронтологии, утверждалось, что тяжёлая вода оказывает довольно ощутимое состаривающее действие на организмы подопытных животных. Этот образовавшийся
ледок следует удалить. И продолжить замораживание воды. В момент, когда в
ёмкости заморозится примерно две трети объёма воды, замораживание прекращается.
Незамёрзшую воду, содержащую растворы солей, сливают и не используют. Оставшийся в кастрюле лед и есть протиевая вода в замерзшем виде. Ее
размораживают перед употреблением только при комнатной температуре. Ни в
коем случае нельзя ее нагревать, так как потеряются ее лечебные свойства! И
употреблять ее, конечно, лучше в чистом виде.
9 метод. «Оживление воды»
Для этого потребуется два стакана или чашки (металлическая посуда не
подойдет). Наливаем в один из них воду, примерно до половины, и начинаем
переливать ее из стакана в стакан, поднимая верхний повыше, создавая маленький водопад. И так примерно 40-50 раз. Падающая с высоты вода насытится
кислородом, заиграет искрами и словно улыбнется. Это уже будет почти настоящая целебная вода горной реки.
474
Кстати, водой можно лечиться! Не пить горстями таблетки, а чистую воду! Это древний способ йогов. При должной настойчивости и регулярности,
поддаются лечению почти все заболевания. Итак, берете стакан чистой, прохладной воды, лучше протиевой. Ставите его на левую ладонь, а правой сверху
прикрываете стакан. И тихонечко начинаете покачивать стакан, чтобы вода в
нем начала вращаться. Попытайтесь ощутить воду, ее прохладу, движение. Почувствовали? Прекрасно! Вода восприняла Ваш добрый настрой и благожелательность. Словно сроднилась с Вами. Теперь она стала целебной. Выпейте ее
маленькими глоточками, смачивая каждый глоток слюной. Представьте, как
вода заполняет Вас волнами света, очищает от шлаков и токсинов. Максимально сосредоточьтесь на больном органе, почувствуйте радость, что он наполнился энергией, стал здоровее.
10 метод. Действие лимонной кислоты
Чтобы избавить воду от множества микроорганизмов, способных нарушить микрофлору желудка, достаточно добавить в нее несколько капель лимонной кислоты. Раствор рекомендуется приготовить раствор: на 500 г воды
пойдет 0,25 г кристаллической лимонной кислоты. Одной ложки полученного
раствора хватит на то, чтобы «дезинфицировать» 2,5 л воды. Действие этого
раствора скажется через несколько минут — животные и растительные микроорганизмы погибнут, выпадут в осадок, а вода станет гораздо чище. Раствор
следует приготовить перед самым употреблением. Он безвреден для организма
человека и не чувствуется в воде.
11 метод. Омагничивание
Воду можно омагнитить, пропустив её через магнитную воронку или на
некоторое время положив магнит рядом. Омагниченная вода обладает удивительными свойствами. Она становится словно более текучей, легче всасываясь в
кровь и проникая по мельчайшим капиллярам, растворяя отложения солей и
выводя их прочь. Проверить очень легко: накипь на чайнике при использовании
омагниченной воды почти не образуется.
12 метод. Кипячение
Однако этот метод лишает наш организм кислорода, растворённого в воде. Употребляя только кипяченую воду, мы наполняем свой организм мертвой
водой, которая, может быть, отнимает у нас годы жизни. При кипячении
уменьшается содержание кислорода в воде, выпадают в осадок кальций, магний
и другие микроэлементы. А ведь они так необходимы для организма человека.
Вода, обогащенная кислородом, очень полезна взрослым, поскольку дает прекрасный омолаживающий эффект. Недостаток кислорода является причиной
многих заболеваний. Кислород — источник жизни всех клеток. Один литр
питьевой воды содержит только 4—8 мг кислорода. Вода, обогащенная кисло475
родом, попадает через желудок в тонкий, а затем в толстый кишечник. Здесь
кислород отделяется от воды и проникает в систему кровообращения. Поскольку нередко кровь содержит малое количество кислорода, то врачи рекомендуют
пить воду, обогащенную кислородом, несколько раз в день. Если вы хотите,
утоляя жажду, сохранять и поправлять свое здоровье и заботиться о собственном внешнем виде, то пейте чистую воду, обогащенную кислородом и минеральными веществами. Очень полезны кислородные коктейли.
Буряк Анастасия, 10 кл. БОУ г. Омска «СОШ № 61»
Молчанова Ирина, 10 кл. БОУ г. Омска «СОШ № 61»
Руководитель: Михалева Т. С., учитель химии БОУ г. Омска «СОШ № 61»
ХЛЕБ, КОТОРЫЙ МЫ ЕДИМ
Введение
Роль хлеба в питании человека невозможно переоценить. Хлеб – главное
блюдо на любом столе, в любой семье, в любом поколении. Он является основой основ рациона любого человека. Для многих народов хлеб является одним
из основных продуктов питания. Основное сырье для производства хлеба —
мука, преимущественно из пшеницы и ржи. В меньших количествах употребляют также муку ячменную, гороховую и соевую. В пшеничном и ржаном зерне содержится комплекс жизненно необходимых человеку пищевых веществ,
таких как: белки, углеводы, витамины, минеральные соединения, которые могут длительное время сохранять свою биологическую активность. Кроме этого
зерновые культуры позволяют человеку приумножать их в разы, то есть выращивать и собирать урожай. В этом то и отличаются зерновые культуры от других продуктов питания. Именно поэтому объектом исследования мы выбрали
хлеб.
Цель исследования: оценить качество хлеба, реализуемого на потребительском рынке города Омска.
Объект исследования: хлеб, произведенный «ОАО Хлебодар» г. Омска:
«Пшеничный», «Урожайный», «Бородинский».
Предмет исследования: качественный и количественный состав хлеба.
Задачи:
1. Провести анализ литературных источников по истории возникновения
и составу хлеба, контролю качества хлеба по установленным стандартам
ГОСТов.
2. Провести анкетирование среди учащихся десятых классов БОУ г. Омска «СОШ № 61»
476
3. Подобрать и освоить методику определения качества хлеба.
4. Изучить и дать сравнительную характеристику разным видам хлеба,
реализуемых ОАО «Хлебодар».
5. Оценить качество хлеба по показателям установленным ГОСТом.
Гипотеза: по проведенным органолептическим и физико-химическим результатам анализов хлеба можно определить его качество и соответствие
ГОСТу.
Глава I. Хлеб - всему голова
1.1. История возникновения хлеба
Судьба хлеба удивительным образом переплетается с судьбой человека,
рассказ о хлебе и хлебопечении – это рассказ о развитии человека, стран.
Когда-то (примерно 15 тыс. лет назад) человек употреблял в пищу сырые
зерна диких злаков. С появлением гончарной посуды зерно стали варить. Миновало много веков, прежде чем человек совершил следующий шаг – научился
растирать зерна между камнями и смешивать их с водой. Дробленую крупу
или, если говорить применительно к хлебу, – грубую муку заливали водой и
ставили в горшках на раскаленные камни. Получалась каша, ставшая прародительницей хлеба. [2]. Археологи предполагают, что однажды во время приготовления зерновой каши часть ее вылилась и превратилась в румяную лепешку.
Тогда-то наши далекие предки из густой зерновой каши стали выпекать пресный хлеб в виде лепешки. Плотные не разрыхлённые подгорелые куски бурой
массы мало напоминали современный хлеб, но именно с того времени и возникло на земле хлебопечение. Прошло еще много времени и свершилось еще
одно чудо. Древние египтяне научились готовить хлеб со сброженного теста.
Считают, что по недосмотру раба, готовившего тесто, оно подкисло и, чтобы
избежать наказания, он все же рискнул испечь лепешки [3]. С этого времени
человек стал готовить не просто кашу, а тесто – основу для лепешек, стал печь
пшеничный хлеб из пресного теста – самый древний хлеб [2].
1.2. Структура и состав хлеба, его пищевая и биологические ценности
Основное сырье для производства хлеба — мука, преимущественно из
пшеницы и ржи. В меньших количествах употребляют также муку ячменную,
гороховую и соевую. Пшеничную муку выпускают пяти сортов: крупчатку,
высшего, первого, второго сортов и обойную. Ржаная хлебопекарная мука вырабатывается трех сортов: сеяная, обдирная, обойная [4]. Зерновое питание
способно в значительной мере покрыть потребность человека во многих пищевых веществах. В среднем в зерне пшеницы и ржи содержится 10—13% белка,
60—70% углеводов, 2,5—4% жиров. По данным специалистов диетологов, при
питании человека ржаным и пшеничным хлебом организм покрывает свою потребность в белках в среднем на 25—30%, в углеводах — на 30—40% и более
477
[5]. Пищевая ценность хлеба велика: в 100 граммах его содержатся в зависимости от сорта от 4,7 до 8,4 процента белка, витамины группы В, различные минеральные соли, балластные вещества. В 100 граммах пшеничного хлеба содержится от 40 до 45 и более процентов углеводов, благодаря чему он дает в зависимости от сорта от 180 до 240 килокалорий. Кроме хлеба, в наше ежедневное меню должны входить овощи, фрукты, молочные, мясные, рыбные, крупяные блюда. Вот почему при разнообразном и полноценном питании вполне
достаточно 300, максимум 400 граммов хлеба в день. Людям, склонным к полноте, хлеб ограничивается еще в большей степени—до 200 граммов в день,
причем сокращается в первую очередь более калорийный пшеничный. А вот
50—100 граммов ржаного хлеба, или выпеченного из пшеничной муки грубого
помола, или с добавлением отрубей рекомендуется включать в рацион даже
тучным людям, так как он содержит балластные вещества, стимулирующие работу кишечника. Сейчас хлебопекарная промышленность выпускает диетические сорта хлеба, которые могут есть люди, страдающие различными заболеваниями. Хлеб надо есть в меру, и покупать его следует столько, чтобы не выбрасывать излишки. К хлебу надо относиться бережно, ведь в него вложен огромный труд! (Приложение 1) [6]
1.3. Контроль качества хлеба
Органолептические показатели: форму, поверхность и цвет контролируют
осмотром всего хлеба или хлебобулочных изделий, отобранных в соответствии
с требованием п.1.2. [12]
Органолептические показатели (кроме формы, поверхности и цвета) контролируют в изделиях, отобранных в соответствии с требованием п.2.2, посредством органов чувств (обоняния, осязания, зрения) [12].
Требования к качеству хлеба: Форма и поверхность изделий соответствующие виду изделия, без боковых наплывов, поверхность — гладкой, без
трещин, окраска от светло-желтой, золотистой до коричневой. Состояние мякиша изделий характеризуется его пропеченностью, промесом, пористостью,
эластичностью и свежестью. У пропеченных изделий мякиш сухой, нелипкий,
не влажный на ощупь, без комочков и следов непромеса, эластичный. Вкус и
запах должны быть характерными для данного вида - без посторонних запахов
и вкуса [7-9].
Физико-химические показатели определяют в течение установленных
сроков реализации продукции, но не ранее чем через час для мелкоштучных
изделий массой 200 г и менее, и не ранее чем через три часа для остальных изделий [12].
По физико-химическим показателям хлеб исследуется на процентное содержание влажности в мякише; кислотности в градусах и пористости в процен478
тах; наличие сахара и массовой доли жира в процентах в пересчете на сухое
вещество, а так же массовую долю начинки к массе изделия, массовую долю
витаминов и минеральных веществ [7-9].
Глава II. Исследование хлеба, производимого ОАО «Хлебодар»
2.1. Анкетирование учащихся БОУ г.Омска «СОШ №61»
В процессе нашей научно-исследовательской работы мы решили провести анкетирование в 10 классах и задали ряд вопросов старшеклассникам:
1.Хлеб, какой фабрики вы предпочитаете?
а) ООО «Форнакс»; б)ОАО «Хлебодар»; в)ООО «Хлебник»; г)Свой вариант
2. Какой вид хлеба вы предпочитаете?
3. Знаете ли вы, что входит в состав хлеба? (Если да, то что?)
4. Необходимо ли человеку ежедневно употреблять в пищу хлеб? (Если
да, то сколько?)
5. По каким показателям определяется качество хлеба? (Приложение 2)
На основании проведенного анкетирования мы выбрали наиболее популярную среди ответов учащихся фабрику по производству хлеба - ОАО «Хлебодар», и проводили исследования качества хлеба этой фабрики. Больше всего
учащихся проголосовало за хлеб: «Пшеничный» и «Урожайный», меньше всего
голосов набрал «Бородинский» хлеб. Эти виды хлебы мы взяли для нашего исследования.
2.2. Определение органолептических показателей качества хлеба
Мы исследовали три вида хлеба: «Пшеничный», «Урожайный», «Бородинский». В наших опытах участвовало по три образца от каждого вида хлеба.
К органолептическим показателям относятся внешний вид (форма, поверхность, цвет), состояние мякиша (пропеченность, промес, пористость), вкус,
запах. Органолептическая оценка качества хлеба и булочных изделий проводился в соответствии с требованиями: «Пшеничный»- ГОСТ 27842-88, «Урожайный»- ГОСТ P 52961-2008, «Бородинский»- ГОСТ 2077-84.
1) Внешний вид:
Форма. Должна соответствовать хлебной форме, в которой производилось выпечка, и данному виду изделия [7-9]. У «Пшеничного» и «Бородинского» - без боковых выплывов [7,9].У «Пшеничного»- несколько выпуклая боковая корка [7]. У «Бородинского»- Соответствующая хлебной форме, в которой
производилась выпечка, без боковых выплывов [9].
Исследуемые образцы соответствуют данному показателю. У «Пшеничного» - не наблюдалось боковых выплывов, верхняя корка была несколько выпуклая, соответствовали хлебной форме. У «Урожайного» - форма соответствовала данному виду изделия. У «Бородинского»- Соответствовала хлебной форме, в которой производилась выпечка, без боковых выплывов.
479
Поверхность. Должна соответствовать данному виду изделия [7-9]. У
«Пшеничного»- без крупных трещин и подрывов, с наколами или надрезами,
или без них в соответствии с технологическими инструкциями [7]. У «Бородинского»- с глянцем, без крупных трещин и подрывов. Наличие кориандра, тмина
или аниса [9].
При исследовании мы выявили у «Бородинского» хлеба отклонение от
ГОСТа - у него не наблюдалось глянца, в соответствии с ГОСТом мы не нашли
крупных трещин или подрывов, образцы данного вида были с включением кориандра, поэтому поверхность была не гладкой. У остальных видов хлеба нами
не были обнаружены отклонения от ГОСТа. У «Пшеничного»- не наблюдалось
крупных трещин и подрывов, наколов или надрезов. Образцы «Урожайного» вид соответствовал данному виду изделия.
Цвет. У «Пшеничного» от светло-желтого до темно-коричневого [7].
У «Урожайного» - от светло-коричневого до темно-коричневого [8].У «Бородинского» - темно-коричневый [9].
В результате исследования этого показателя мы не обнаружили несоответствия ГОСТам. У «Пшеничного» цвет светло желтый, ближе к верхней корки темно-коричневый. У «Урожайного» - светло-коричневый. У «Бородинского» - темно-коричневый.
2) Состояние мякиша:
Пропеченность. У «Пшеничного» и «Бородинского» мякиш должен быть
эластичным, после легкого надавливания должен принимать изначальную форму, пропеченный, не влажный на ощупь [7,9]. «Урожайный» должен быть пропеченным, без следов непромеса (8).Мякиш «Бородинского» не должен быть
липким [9].
Исследуемые образцы соответствуют требованиям ГОСТов по этому показателю. Мякиш у «Пшеничного» и «Бородинского» эластичен, пропеченный,не влажный на ощупь. У «Урожайного» пропеченный, без следов непромеса. Мякиш «Бородинского» не липкий.
Пористость. Развитая, без пустот и уплотнений [7-9].
В двух из трех образцах «Пшеничного» хлеба нами были обнаружены
пустоты. (Приложение 4).Образцы «Урожайного» и «Бородинского» соответствуют по этому показателю ГОСТам. В них мы не обнаружили пустот или уплотнений.
3) Вкус:
Свойственный данному виду изделия, без постороннего привкуса [7-9]. У
«Бородинского»- сладковатый [9]. У «Урожайного» и «Бородинского» - привкус внесенной добавки [7-8].
Исследуемые образцы соответствуют данному показателю по ГОСТам.
Их вкус соответствовал данному виду изделия, нами не были выявлены посто480
ронние привкусы. У образцов «Бородинского» хлеба присутствовал привкус
кориандра.
4) Запах:
Свойственный данному виду изделия, без постороннего запаха [7-9].
У «Урожайного» - запах, свойственный внесенной добавки [8]. У «Бородинского» -легкий аромат тмина, аниса или кориандра [9].
Исследуемые образцы соответствуют требованиям ГОСТов по этому показателю. Их запах был свойственным данным видам изделия. «Урожайный»
хлеб был без добавок. У «Бородинского» наблюдался легкий аромат кориандра.
(Приложение 3)
2.3. Определение физико-химических показателей качества хлеба
Мы исследовали три вида хлеба: «Пшеничный», «Урожайный», так как в
проведенном нами анкетировании больше всего голосов было отдано им, и
«Бородинский», так как его учащиеся указывали реже всего. В наших опытах
участвовало по три образца от каждого вида хлеба.
Нами были проведены исследования физико-химических показателей:
кислотность, пористость и влажность мякиша.
1) Кислотность мякиша [10] (ускоренным методом)
Порядок и проведение анализа:
Мы взешали 25,0 г крошки хлеба. Поместили в сухую бутылку 500 см , с
хорошо пригнанной пробкой.
Мерную колбу вместимостью 250 см наполнили до метки дистиллированной водой, подогретой до температуры 60 °С. Около
взятой дистиллированной воды перелили в бутылку с крошкой, быстро растерли деревянной лопаточкой до получения однородной массы, без заметных комочков и не растёртой крошки. К полученной смеси прибавили из мерной колбы всю оставшуюся
дистиллированную воду. Бутылку закрыли пробкой и энергично встряхивали в
течение 3 мин. После встряхивания дали смеси отстояться в течение 1 мин и
отстоявшийся жидкий слой осторожно слили в сухой стакан через частое сито
или марлю. Из стакана отобрали пипеткой по 50 см раствора в две конические
колбы вместимостью по 100-150 см каждая и титровали раствором молярной
концентрации 0,1 моль/дм гидроокиси натрия или гидроокиси калия с 2-3 каплями фенолфталеина до получения слабо-розового окрашивания, не исчезающего при спокойном стоянии колбы в течение 1 мин.
Правила обработки результатов анализа:
Кислотность, град., вычислили по формуле
,
(1)
- объем раствора молярной концентрации 0,1 моль/дм гидроокиси нагде
трия или гидроокиси калия, израсходованного при титровании исследуемого
раствора, см;
- объем дистиллированной воды, взятой для извлечения кислот из исследуемой продукции, см;
- коэффициент пересчета на 100 г навески;
- поправочный коэффициент приведения используемого раствора гидроокиси натрия или гидроокиси калия к раствору точной молярной концентраций 0,1 моль/дм ;
- коэффициент приведения раствора гидроокиси натрия или гидроокиси калия молярной концентрации 0,1 моль/дм к 1,0 моль/дм ;
ки, г;
- масса навес-
- объем исследуемого раствора, взятого для титрования, см .Для хлебобулочных изделий формулу (1) можно представить
,
[2]
[9]
или
Результаты исследований:
«Пшеничный». При исследовании кислотности у трех образцов «Пшеничного» хлеба объем раствора молярной концентрации 0,1 моль/дм гидроокиси натрия или гидроокиси калия, израсходованного при титровании исследуемого раствора в первом случае равен 0,0049дм3,во втором 0,0052дм3,в
третьем 0,005дм3.Поправочный коэффициент приведения используемого раствора гидроокиси натрия или гидроокиси калия к раствору точной молярной
концентраций 0,1 моль/дм равен 234,69. Подставив эти данные в формулу(1)
мы вычислили кислотность образцов «Пшеничного» хлеба. Средний результат
вычислений приблизительно равен 2,3. Значит, образцы данной марки соответствуют ГОСТу [9].
«Урожайный». При исследовании кислотности у трех образцов «Уро-
жайного» хлеба объем раствора молярной концентрации 0,1 моль/дм гидроокиси натрия или гидроокиси калия, израсходованного при титровании исследуемого раствора в первом случае равен 0,0081дм3,во втором 0,0078дм3,в
третьем 0,0079дм3.Поправочный коэффициент приведения используемого раствора гидроокиси натрия или гидроокиси калия к раствору точной молярной
482
концентраций 0,1 моль/дм равен 604,9. Подставив эти данные в формулу(2)
мы вычислили кислотность образцов «Урожайного» хлеба. Средний результат
вычислений приблизительно равен 9,6. Значит, образцы данной марки соответствуют ГОСТу [9].
«Бородинский». При исследовании кислотности у трех образцов «Бородинского» хлеба объем раствора молярной концентрации 0,1 моль/дм гидроокиси натрия или гидроокиси калия, израсходованного при титровании исследуемого раствора в первом случае равен 0,0092 дм3,во втором 0,0087дм3,в
третьем 0,0089дм3.Поправочный коэффициент приведения используемого раствора гидроокиси натрия или гидроокиси калия к раствору точной молярной
концентраций 0,1 моль/дм равен 521,74. Подставив эти данные в формулу(2)
мы вычислили кислотность образцов «Бородинского» хлеба. Средний результат
вычислений приблизительно равен 9,3. Значит, образцы данной марки соответствуют ГОСТу [9] .
2) Пористость мякиша [11]
Порядок и проведение анализа:
Из куска мякиша на расстоянии не менее 1 см от корок сделали выемки
цилиндром прибора, для чего острый край цилиндра, предварительно смазали
растительным маслом, ввели вращательным движением в мякиш куска. Заполненный мякишем цилиндр уложили на лоток так, чтобы ободок его плотно входил в прорезь, имеющуюся на лотке. Затем хлебный мякиш выталкнули из цилиндра, примерно на 1 см, и срезали его у края цилиндра острым ножом. Отрезанный кусочек мякиша удалили. Оставшийся в цилиндре мякиш вытолкнули
втулкой до стенки лотка и отрезали у края цилиндра. Сделали три цилиндрических выемки (27±0,5) см каждая для образцов «Пшеничного» хлеба, четыре
выемки образцов «Урожайного» и «Пшеничного», тем же объемом. Приготовленные выемки одновременно взвешали [10].
Правила обработки результатов анализа:
Пористость , %, вычислили по формуле
,
где
(1.1)
- общий объем выемок хлеба, см ;
- масса выемок, г;
- плотность беспористой массы мякиша [10].
Результаты исследований:
«Пшеничный». При исследовании пористости у трех образцов «Пшеничного» хлеба общий объем выемок хлеба в первом случае был равен 81
см3,во втором 81,9 см3, в третьем 79,8см3 .При этом масса выемок в первом
случае была равна 37г,во втором 38 г,в третьем 36,9г.Плотность беспористой
массы равна 1,31 [10].Подставив эти данные в формулу(1.1) мы вычислили пористость образцов «Пшеничного» хлеба. Во всех трех случаях приблизительный результат равен 64%. Значит, наблюдается отклонение от ГОСТа [6].
«Урожайный». При исследовании пористости у трех образцов «Урожайного» хлеба общий объем выемок хлеба в первом случае был равен 108,8см3,во
втором 107,2см3, в третьем 110см3.В первом и третьем случае масса выемок
была равна 53г,во втором 52,4г. Плотность беспористой массы равна 1,25 [10].
Подставив эти данные в формулу(1.1) мы вычислили пористость образцов
«Урожайного» хлеба. Во всех трех случаях приблизительный результат равен
61%. Значит, образцы данной марки соответствуют ГОСТу [7].
«Бородинский». При исследовании пористости у трех образцов «Бородинского» хлеба общий объем выемок хлеба в первом случае был равен 109,8
см3,во втором 109,2см3, в третьем 109,6см3.В первом случае масса выемок была равна 90,4г,во втором 83,5г,в третьем 83г. Образцы выбранного нами хлеба
были произведены из смеси ржаной обойной муки, пшеничной муки второго
сорта и ржаной обдирной муки, поэтому плотность беспористой массы равна
1,21. Подставив эти данные в формулу(1.1) мы вычислили пористость образцов
«Бородинского» хлеба. Во всех трех случаях приблизительный результат равен
37%. Значит, наблюдается отклонение от нормы ГОСТа [8].
3) Влажность мякиша
Порядок и проведение анализа:
Мякоть каждого из образцов скатали в шарообразные формы равной массой. Положили их в теплое, сухое место на 9 дней и по истечении срока взвесили.
Правила обработки результатов анализа:
(1.2)
где m1- т2 — разница между массами образца до высушивания и после, г;
а — масса исследуемого образца до высушивания, г:
Результаты исследований:
Мякоть каждого из образцов скатали в шарообразные формы масса каждого 15 грамм. После 9 дней в теплом, сухом месте масса двух образцов «Пшеничного» хлеба стала по 6г,масса третьего 5,8г.Масса первого образца «Урожайного» хлеба стала равной 6,49г,масса второго 6,6г,третьего 6,5г.Масса первого образца «Бородинского» стала 6,4г, второго 6,7г, третьего 6,5г.
Средняя разница между массами образцов «Пшеничного» хлеба до высушивания и после равна 6, «Урожайного» - 6,5; «Бородинского» - 6,5г. Подставляя данные в формулу(1.2) получим, что средняя влажность «Пшеничного»
равна 40%, «Урожайного» - 43,3%; «Бородинского»-43,3%.
484
Из результатов исследований образцов можно сделать вывод, что влажность мякиша у всех марок хлеба соответствует установленными показателями
ГОСТов. (Приложение 5)
4) Дополнительные исследования образцов хлеба.
а. Выращивание плесени. Обычно от плесени стараются избавиться и вообще заранее предотвратить ее появление. Но мы решили провести эксперимент и положили по пол булки хлеба от каждой исследуемой марки на 9 дней в
закрытые полиэтиленовые мешочки в темное место.
Результаты:
«Пшеничный хлеб стал плесневеть на четвертые сутки, «Бородинский» на
седьмые, а «Урожайный» на восьмые.(Фотографии опыта в приложении 6)
Интересно, что заводской хлеб, принесенный из магазина, покрывается
плесенью быстрее, чем домашний, испеченный в хлебопечке или духовке.Наиболее вероятная из причин – это заражение хлеба плесневым грибом в
процессе производства в цеху фабрики или во время перевозки. Другими словами, микрофлора промышленных продуктов питания далеко не всегда соответствует нормам санитарии [13].
Легче наблюдать за процессом заплесневения белого хлеба, потому что
на его поверхности цветные пятна грибков выделяются более контрастно и потому заметны сразу же после появления.
б. Проверка образцов на черствость
Так же мы провели опыт, который заключался в вычислении времени, за
которое почерствеет образец каждой марки хлеба и сравнении результатов.
Мы положили по пол булки хлеба от каждой исследуемой марки в одно
место, с одинаковыми условиями.
Результаты:
«Бородинский» полностью зачерствел на 5 сутки, «Урожайный» на восьмые, «Пшеничный» на девятые. (Фотографии опыта в приложении 7).
Вывод из двух опытов:
Сделаем вывод, что в результате наших исследований «Пшеничный» хлеб
сохранится дольше всех в опыте на черствость, но заплесневел быстрее, чем
хлеб других марок. «Бородинский» зачерствел быстрее других образцов, а в
опыте с плесенью он не показал не самого лучшего, не самого хорошего результата. Ситуация с «Урожайным» хлебом в опыте на черствость та же самая,
что и с «Бородинским» в опыте на плесень, за то он показал самый лучший результат в опыте с плесенью.
3. Заключение
Эта работа посвящена экспертизе качества хлеба, так как он считается
одним из основных продуктов питания, потребляемый круглый год.
В этой работе мы провели анализ литературных источников по истории
485
возникновении и составу хлеба. Так же нами было проведено анкетирование
среди учащихся десятых классов БОУ г. Омска «СОШ №61». Сделав вывод из
его результатов мы исследовали три вида хлеба произведенных ОАО «Хлебодар», два набравших больше всего голосов: «Пшеничный», «Урожайный», и
«Бородинский», который является самым непопулярным у наших участников.
Экспериментальная часть выполнена в условиях лаборатории школы БОУ
г. Омска «СОШ №61». Для этой работы проводились испытания по органолептическим показателям: внешний вид (форма, поверхность, цвет), состояние мякиша (пропеченность, промес, пористость), вкус, запах в соответствии с ГОСТ
27842-88 , ГОСТ Р 52961-2008, ГОСТ 2077-84 и физико-химическим (пористость и кислотность) показателям в соответствие с требованиями ГОСТ 567096, ГОСТ 5669-96. Влажность мы определяли в соответствии с дополнительными литературными источниками.
При осмотре установлено, что у марок хлеба форма соответствующая
хлебной форме, в которой производилась выпечка, с несколько выпуклой верхней коркой, без боковых выплывов, поверхность без крупных трещин и подрывов, цвет от светло – желтого до темно – коричневого, пропеченный не влажный на ощупь, пористость развитая без пустот у «Урожайного» и «Бородинского» хлеба, у «Пшеничного» нами были обнаружены пустоты, у «Бородинского»
хлеба не наблюдалось глянца.
Проведя исследование можно дать заключение о том, что «Урожайный»
хлеб по физико-химическим показателям соответствует допустимым нормам, а
у «Пшеничного» и «Бородинского» пористость меньше установленных нормами ГОСТов.
Библиографический список
1. http://www.baltic-bread.ru/main/articles/newsid/1296.aspx
2. Кулинария/«Твоя пекарня»/Елена Маслякова /Издание 2000 г.
3.http://www.eda-server.ru/cook-book/muchnye/raznoe/st00228.htm
4. «Хлеб на обеденном столе»/ Кочерга А.И., Ковтуненко Л.Я., Подъяблонская Л.М /Издание1985 г./ Рецензенты: Смоляр В.И. д-р мед. наук, Салий
Н.С. канд. мед. наук.
5.http://hlebopekar.ru/hleb/питательные-свойства-хлеба
6. Журнал Здоровье/«Сколько нужно есть хлеба»/ Т. А. ЯППО, кандидат
медицинских наук.
7. ГОСТ 27842-88 «Хлеб из пшеничной муки. Технические условия».- М.:
ИПК Издательство стандартов, 2002
8. ГОСТ Р 52961-2008 «Изделия хлебобулочные из ржаной и смеси ржаной и пшеничной муки. Общие технические условия».- М.: Стандартинформ,
2008
486
9. ГОСТ 2077-84 «Хлеб ржаной, ржано-пшеничный и пшенично-ржаной.
Общие технические условия».- М.: ИПК Издательство стандартов, 2002
10. ГОСТ 5670-96 «Хлебобулочные изделия. Методы определения кислотности». М.: ИПК Издательство стандартов, 1997
11. ГОСТ 5669-96 «Хлебобулочные изделия. Метод определения пористости». М.: ИПК Издательство стандартов, 2001
12. ГОСТ 5667-65 «Хлеб и хлебобулочные изделия. Правила приемки,
методы отбора образцов, методы определения органолептических показателей
и массы изделий»- М.: ИПК Издательство стандартов, 1997
13. http://kakimenno.ru/raznoe/1807-kak-vyrastit-plesen-na-hlebe.html
Приложение 1
Пищевая ценность хлеба на 100г продукта
На 100 грамм продукта:
Белков
Жиров
Углеводов
Калорий
Хлеб пшеничный из муки
первого сорта
(«Пшеничный»)
7,9
0,8
52,3
253
Хлеб ржано-пшеничный
(«Урожайный»)
6,5
0,8
42,1
214
Хлеб «Бородинский»
6,5
1,3
40,5
199
Приложение 2
Анкетирование учащихся БОУ г. Омска «СОШ №61»
Вопрос № 1. Хлеб, какой фабрики вы предпочитате?
16%
ОАО "Хлебодар"
40%
19%
ООО "Форнакс"
ООО "Хлебникъ"
Свой вариант
25%
487
Вопрос № 2. Какой вид хлеба вы предпочитаете?
7%
4%
"Пшеничный"
25%
11%
"Урожайный"
"Отрубной"
"Злаковый"
15%
"Ароматный"
20%
"Ржаной"
"Бородинский"
18%
Вопрос № 3. Знаете ли вы, что входит в состав хлеба? (Если да,то что?)
4%
3% 2%
Мука
Вода
5%
Не знают состава
16%
Дрожжи
7%
Яйца
14%
Соль
10%
Сахар
Молоко
13%
11%
Белок
12%
Пшеница
Рожь
Вопрос № 4. Необходимо ли человеку ежедневно употреблять в пищу
хлеб? (Если да,то сколько?)
11%
38%
23%
100г
50г
28%
150г
200
488
Вопрос № 5. По каким показателям определяется качество хлеба?
7%
5%
3%
Запах
Мягкость
26%
8%
Цвет
Внешний вид
Вкус
13%
20%
16%
Сорт муки
Марка производителя
Срок годности
Приложение 3
Органолептическая оценка качества хлеба
1. Сравнение органолептических показателей «Пшеничного» хлеба по
ГОСТ27842-88 и результатам исследования
Наименование
Характеристика показателя
показателя
по ГОСТу
Внешний вид: Соответствующая хлебной форме,
форма
в которой производилась выпечка,
с несколько выпуклой верхней
коркой, без боковых выплывов.
Поверхность
Цвет
Состояние
мякиша:
пропеченность
Без крупных трещин и подрывов,
с наколами или надрезами, или
без них в соответствии с технологическими инструкциям; гладкая
или шероховатая. Допускается:
мучнистость для подового хлеба,
наличие шва от делителяукладчика для формового хлеба.
От светло-желтого до темнокоричневого. Допускается: белесоватость для пшеничного хлеба
из обойной муки.
Пропеченный, не влажный на
ощупь. Эластичный, после легкого надавливания пальцами мякиш
должен принимать первоначальную форму.
489
Результаты
исследования
Соответствует хлебной форме, в которой производилась
выпечка; несколько
выпуклая верхняя
корка; без боковых
выплывов.
Без крупных трещин
и подрывов; без наколов или надрезов;
немного шероховатая.
Соответствие
ГОСТу
+
Основной цветсветло-желтый;
верхняя корка темно-коричневая
Пропеченный;
Не влажный на
ощупь. Эластичный
(После легкого надавливания пальцами мякиш принимает первоначальную
форму)
+
+
+
Промес
Без комочков и следов непромеса.
пористость
Развитая, без пустот и уплотнений.
Вкус
Свойственный данному виду изделия, без постороннего привкуса.
Сладкий у сладкого пшеничного
хлеба.
Запах
Свойственный данному виду изделия, без постороннего запаха.
Без комочков и следов непромеса
Развитая, без уплотнений; наблюдаются
небольшие пустоты.
Свойственный данному виду изделия,
без постороннего
привкуса. Не сладкий.
Свойственный данному виду изделия,
без постороннего
запаха.
+
+/-
+
+
2. Сравнение органолептических показателей «Урожайного» хлеба по
ГОСТ Р 52961-2008 и результатам исследования
Наименование
показателя
Внешний вид:
форма и поверхность
цвет
Состояние мякиша (пропеченность, промес,
пористость)
Вкус
Запах
Характеристика
показателя по ГОСТу
Результаты
исследования
Соответствие
ГОСТу
Соответствующие виду изделия
От светло-коричневого до
темно-коричневого
Пропеченный, без следов непромеса.
Соответствуют данному виду изделия
Светло-коричневый
+
Свойственный изделию конкретного наименования, без
постороннего привкуса. При
использовании вкусоароматической добавки, вкусоароматического препарата или
вкусоароматического вещества - привкус, свойственный
внесенной добавке (препарату, веществу)
Свойственный изделию конкретного наименования, без
постороннего запаха. При
использовании вкусоароматической добавки, вкусоароматического препарата, вкусоароматического вещества
или пищевого ароматизатора
- запах, свойственный внесенной добавке (препарату,
веществу) или ароматизатору
490
Пропеченный, без
следов непромеса, пористый.
+
+
Свойственный данному изделию, без постороннего привкуса.
+
Свойственный изделию конкретного наименования, без постороннего запаха.
+
3. Сравнение органолептических показателей «Бородинского» хлеба по
ГОСТ 2077-84 и результатам исследования
Наименование
показателя
Внешний вид:
форма:
формового
поверхность:
формового
цвет
Состояние
мякиша:
пропеченность
промес
пористость
Вкус
Запах
Характеристика показателя
по ГОСТу
Результаты
исследования
Соответствие
ГОСТу
Соответствующая хлебной
форме, в которой производилась выпечка, без боковых
выплывов
С глянцем у бородинского
хлеба; гладкая, без крупных
трещин и подрывов у остальных видов хлеба; с наличием тмина или аниса у
ржаного заварного хлеба,
кориандра, тмина или аниса
у бородинского хлеба; допускается наличие шва от
делителя-укладчика
Темно-коричневый для бородинского хлеба;
Соответствует хлебной
форме, в которой производилась выпечка, без боковых выплывов
Без глянца, без крупных
трещин и подрывов, из-за
наличия кориандра не
гладкий.
Пропеченный, не липкий, не
влажный на ощупь, эластичный. После легкого надавливания пальцами мякиш
должен принимать первоначальную форму.
Пропеченный,
не липкий,
не влажный на
ощупь, эластичный
(после легкого надавливания пальцами мякиш принимает первоначальную форму)
Без комочков и
следов непромеса
Развитая, без пустот и уплотнений.
Без комочков и следов непромеса
Развитая, без пустот и уплотнений. Для заварного
хлеба мякиш немного уплотненный
Свойственный данному виду
изделия, без постороннего
привкуса. У бородинского
хлеба - сладковатый
Свойственный данному виду
изделия, без постороннего
запаха. У ржаного заварного
хлеба, московского, бородинского, минского, рижского, пеклеванного "Виру" с легким ароматом тмина,
аниса или кориандра
491
+
+/-
Темно-коричневый
Свойственный данному виду изделия,
слегка сладковатый, без постороннего привкуса.
Свойственный данному виду изделия,
без постороннего
запаха, легкий аромат кориандра
+
+
+
+
+
+
Приложение 4
Органолептические показатели: состояние мякиша, пористость.
В двух из трех образцах «Пшеничного» хлеба нами были обнаружены
пустоты:
Образец № 1
Образец №2
Приложение 5
Физико-химическая оценка качества хлеба
1. Сравнение физико-химических показателей «Пшеничного» хлеба по
ГОСТ27842-88 и результатам исследования
Показатель
По ГОСТу
45,0
Результаты исследования
40,0
Соответствие
ГОСТу
+
Влажность мякиша,
%, не более
Кислотность мякиша,
град, не более
Пористость мякиша,
%, не менее
3,0
2,3
+
68,0
64,0
-
2. Сравнение физико-химических показателей «Урожайного» хлеба по
ГОСТ Р 52961-2008 и результатам исследования
Показатель
По ГОСТу
19,0-53,0
12,0
Результаты
исследования
43,3
9,6
Соответствие
ГОСТу
+
+
Влажность мякиша, %
Кислотность мякиша,
град, не более
Пористость мякиша,
%, не менее
46,0
61
+
492
3. Сравнение физико-химических показателей «Бородинского» хлеба по
ГОСТ 2077-84 и результатам исследования
Показатель
По ГОСТу
Влажность мякиша, %, не более
Кислотность мякиша, град, не более
Пористость мякиша, %, не менее
46,0
10,0
48,0
Результаты
исследования
43,3
9,3
37,0
Соответствие
ГОСТу
+
+
-
Приложение 6
Проверка образцов на появление плесени
Плесень на «Пшеничном» хлебе:
Плесень на «Урожайном» хлебе:
Плесень на «Бородинском» хлебе:
Проверка образцов на черствость
Опыт на черствость:
Приложение 7
Аракелян Кристина, 10-5 кл., БОУ г. Омска «Лицей № 143»
Руководитель:Шокурова М. И., учитель химии
БОУ г. Омска «Лицей № 143»
ЭКОЛОГИЯ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ»
Введение
Вода – весьма распространенное на Земле вещество. Почти ¾ поверхности земного шара покрыты водой, образующей океан, моря, реки и озера. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосферу; в виде
огромных масс снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и
в полярных странах.
Она может оказывать на здоровье людей не только положительное, но и
отрицательное влияние. Оно было отмечено еще в глубокой древности, но сейчас в связи с ухудшением экологической ситуации проблема, связанная с качеством воды стала наиболее актуальной.
Давно отмечена связь между заболеваемостью населения и характером
водоснабжения. Еще в древнем мире были известны некоторые признаки воды,
опасной для здоровья. Однако лишь в середине XIX в. эпидемиологические наблюдения и последующие бактериологические открытия Л. Пастера и Р. Коха
позволили установить с достаточной достоверностью, что вода, содержащая
патогенные микробы, может способствовать возникновению и распространению заболеваний среди населения. Обращали люди внимание и на химический
состав воды как возможную причину заболеваний инфекционной природы.
Целью нашего исследования является исследование качества питьевой
воды.
494
Задачи исследования:
• на основе литературных источников определить основные показатели
качества питьевой воды;
• провести эксперимент по определению физико-химических показателей качества воды.
Методы исследования: анализ литературных источников, органолептические и физико-химические.
1. Теоретическая часть
Вода может оказывать на здоровье людей не только положительное, но и
отрицательное влияние. Прежде всего, это связано с качеством употребляемой
воды: ее органолептическими свойствами, определяемыми цветом, вкусом и
запахом, а также химическим и бактериальным. Влияние качества воды на здоровье человека было отмечено еще в глубокой древности. Например, Гиппократ
рекомендовал употреблять кипяченую воду.
По подсчетам специалистов, 800 млн. человек на земном шаре страдают
от болезней, вызванных нехваткой питьевой воды. Среди них желудочнокишечные заболевания, катаракты, болотная лихорадка и т.п. Болезни, которые
она может вызвать приведены в таблице 1. (см. приложение 1)
При повышенных концентрациях фтора развивается (особенно у детей) –
флюороз. Зубы темнеют, крошатся и ломаются. Признак флюороза – пятнистость зубной эмали. Оптимальное для человека содержание фтора составляет в
среднем 0, 7 – 1, 5 мг/л.
Из других микроэлементов, вызывающих заболевания у человека, можно
назвать свинец и мышьяк. Опасны случаи отравления свинцом при использовании свинцовых труб для водопровода. В России применение свинцовых труб
запрещено законом.
Отравления мышьяком известны при употреблении питьевой воды в районах разработки полиметаллических руд с повышенным содержанием в них
мышьяка. В принятом стандарте для питьевой воды установлена предельно допустимая концентрация мышьяка 0, 05 мг/л.
Качества питьевой воды длительно сохраняются благодаря ее обогащению ионами серебра. Но превышенная концентрация серебра вызывает изменения сосудистой и нервной тканей головного и спинного мозга. Предельно допустимая концентрация ионов серебра в воде – 0, 05 мг/л.
Долгое время присутствие в воде нитратов рассматривали как косвенный
признак бытового загрязнения, так как нитраты являются конечным продуктом
распада органических веществ, попадающих в водоисточник главным образом
с загрязнением. Например, в загрязненных колодцах их содержание достигает
100 мг/л и более. Однако превышенные концентрации нитратов были обнару495
жены и в природных подземных водах, в которых нитраты образуются в результате восстановительных процессов, протекающих в почве и воде. Концентрация нитратов на уровне 10 мг/л является безопасной и принята в качестве
предельно допустимой в питьевой воде.
Без всякого преувеличения можно сказать, что высококачественная вода – одно из непременных условий сохранения здоровья людей. Вкусная вода –
земной истинный дар. И на охране ее стоит государственный стандарт.
2. Экспериментальная часть
Экспериментальная часть исследования заключалась в использовании органолептических и физико-химических методов исследования качества питьевой воды.
Качество воды определяется физическими, химическими и биологическими показателями. В нашей работе мы уделяем внимание первым двум группам (см. таблицу 1).
Таблица 1
Физико-химические показатели качества воды
Показатели
1.Органолептические
- цвет (окраска)
- прозрачность
- запах
2.Химические
- pH
- ионы аммония
- хлорид ионы
- сульфат ионы
- фенол
-нитрит ионы
- железо общее
- окисляемость (наличие кислорода)
Единицы
измерения
Нормативы ПДК
для водоёмов
Окраска не должна обнаруживаться в
столбце жидкости высотой 20 см.
см
≤2балла
6,5 до 8,5
2,6
350
500
0,1
0,002
0,3
до 4
мг
/л
мг
/л
мг
/л
мг
/л
мг
/л
мг
/л
мг
/л
Определение физико-химических показателей
8. Запах (см. таблицу 2).
9. Окраска
Определение цвета (окраски) воды в столбике высотой 20-10 см.
10. Прозрачность
Прозрачность – это светопропускание. Светопропускание воды зависит от
мутности и цветности. Для определения прозрачности используется стеклянный сосуд – цилиндр под дно, которого подложил типографский шрифт, хоро496
шо освещенный. Сосуд наполнен пробной водой до такой высоты, что бы буквы, рассматриваемые сверху, стали плохо различимы.
Таблица 2
Сила и характеристика при пятибалльной шкале
Баллы
Степень
Характер запаха
0
Нет запаха
Запах совсем не ощущается
1
Очень слабый
Запах обычно не наблюдается, определяется
только опытным путем.
2
Слабый
Запах обнаруживается потребителем
3
Заметный
Запах легко замечается, заставляет воздержаться от
питья.
4
Очень слабый
Запах резко выраженный, вода непригодна для питья.
11. Содержание кислорода в воде
Данный показатель дает возможность судить о количестве органических
веществ в воде. Органика окисляется в воде, в результате вода обедняется кислородом, кроме того, на субстрате начинают развиваться сине-зеленые и красно-коричневые водоросли. Для определения окисляемости необходимо налить
в пробирку 10 мл образца. Добавить 0,5 мл 30%-ной серной кислоты и 1 мл
0,01%-ного раствора перманганата калия (марганцовки). Смесь перемешать и
оставить на 20 минут. О количестве органических веществ можно будет судить
по цвету жидкости, чем светлее жидкость, тем органических веществ больше.
Если раствор остался ярко-розовым, то содержание растворенного кислорода в воде можно считать = 1мг/л., если окраска раствора стала лиловорозовой, то 2мг/л.,если слабо лилово-розовой, то 4мг/л., если бледно-лиловорозовой, то 6мг/л., если бледно-розовой, то 8мг/л., если желтой, то 16мг/л.
12. Определения сульфатов.
В пробирку вносят 10 мл исследуемой воды, 0,5 мл раствора соляной кислоты (1:5) и 2 мл 5% раствора хлорида бария, перемешивают. По характеру
выпавшего осадка определяют ориентировочное содержание сульфатов: при
отсутствии мути - концентрация сульфат - ионов менее 5 мг/л; при слабой мути,
появляющейся не сразу, а через несколько мин.-5-10 мг/л; при слабой мути, появляющейся сразу после добавления хлорида бария,-10-100мг/л; сильная, быстро оседающая муть свидетельствует о достаточно высоком содержании сульфат- ионов (более100мг/л)
13. Определения хлоридов в воде.
497
Для определения хлоридов к 5 мл воды добавить 2 капли 30%-ной азотной кислоты и 3 капли 10%-ного раствора нитрата серебра.
14. Определение общего железа
В пробирку помещают 10 мл исследуемой воды, прибавляют 1 каплю
концентрированной азотной кислоты, несколько капель раствора пероксида водорода и примерно 0,5 мл раствора роданида калия. При содержании железа 0,1
мг/л появляется розовое окрашивание, а при более высоком - красное.
8. Кислотность среды pH (определение с помощью индикаторной бумаги)
Полученные результаты исследования представлены в таблице 3.
Таблица 3
Результаты исследования
Показатели
Полученные результаты
запах
окраска
прозрачность
содержание кислорода
содержание сульфатов
содержание хлоридов
содержание железа
кислотность среды pH
3 балла
бесцветная
более 30 см
1 мг/л
10-100 мг/л
6,5
Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что установленным
санитарным нормам качества образцы воды соответствует. Но запах воды все
же вызывает отсутствие желания пить.
Заключение
Для того чтобы вода была пригодна для питья, ее надо очистить от вредных микроорганизмов, минеральных и органических примесей.
В нашей стране качество воды регламентировано. Воду очищают на специальных станциях. Сначала фильтруют через слой песка, затем обрабатывают
окислителями - хлором или озоном. Особенно строго следят за качеством питьевой воды в период таяния снегов и весенних паводков, так как в воду попадают различные примеси, удобрения с полей.
Исследуемая нами вода пригодна для питья, но имеет стойкий неприятный запах, возможно причина этого кроется в состояние труб.
Практическая значимость работы заключается в том, чтобы узнать, какую
воду мы пьем, каким показателям качества она должна соответствовать. Эта
работа для многих людей может быть информативна: вредит ли нашему здоровью вода, какую воду можно пить в целях сохранения собственного здоровья и
заботы о нем.
498
Библиографический список
1. Габриелян О.С. Химия 8 класс. Учебник, 16-е издание, переработанное
– М.: Дрофа, 2010. – 270 с.
2. Кукушкин Ю. Н. «Химия вокруг нас» - М; «Высшая школа», 1992.
3. Новиков Ю.В., Сайфутдинов М.М. «Вода и жизнь на Земле» - М; Наука, 1981.
4. СанПиН 2.1.4.1074-01 «Гигиенические требования и нормативы качества питьевой воды» Минздрав России, М., 2003
5. Ширшина Н.В. «Химия. Проектная деятельность учащихся» - Волгоград: Учитель, 2007.
Екимова Екатерина, 10 «Б» кл., БОУ г. Омска «Гимназия № 159»
Руководитель: Полякова Т. А., учитель химии
БОУ г. Омска «Гимназия № 159»
АРОМАТЕРАПИЯ
Введение
Ароматы окружают человека повсюду, глубоко действуя на подсознание.
Сила обоняния связана с глубинной биологической природой человека.
Обоняние - столь древнее чувство, что не заметить его мощный сигнал,
или пренебречь им - чрезвычайно трудно. Обоняние играет очень важную роль
в нашей жизни. Человек окружил себя привлекательными ароматами парфюмерных средств и пряностей для пищи, он использует тысячи ароматизаторов для развлечения и для работы; а от неприятных запахов - пытается защитить
себя различными средствами. Ароматы могут исцелить, но некоторые летучие
вещества могут нанести большой вред. В этом случае результат зависит от определённого влияния данного запаха на данного человека.
Индивидуальность человека скрыта не только в его генетическом коде, но
и в его воспитании, образе жизни, и в его работе над собой. Она отчетливо проявляется в здоровье и отражается, в частности, в отношении человека к запахам. Любимые ароматы придают ему уверенность, и он всегда может использовать возможность зарядиться от своего предпочтительного аромата в любом
месте и в любое время. Ароматерапия пробуждает в людях потребность развивать обоняние, если они хотят пользоваться дарами природы. Благоухание цветов, трав и деревьев чаще всего объясняется присутствием в них эфирных масел. Каждое эфирное масло имеет свой уникальный ароматический букет и обладает определёнными целебными свойствами.
499
Цель работы: Изучение состава и свойств эфирных масел. Воздействие
их на человека.
Задачи:
1. Проведение литературного обзора по теоретическим вопросам темы
исследования.
2. Определение свойств и химического состава эфирных масел.
3. Проведение практической части.
1. История ароматерапии.
Ароматерапия – древнейшее искусство, приносящее пользу человечеству.
История ароматерапии насчитывает более 6000 лет. Древние люди отлично понимали ароматические и терапевтические свойства растений. Современная же
цивилизация только лишь начинает понимать ценность этих скрытых “сокровищ”.
С древних времён были известны и широко использовались антисептические, противомикробные, ранозаживляющие свойства эфиромасличных растений. Ароматические растения и экстракты пользовались вниманием великих
народов – от Вавилона и Персии до Индии и Китая. В древнейших медицинских текстах этих стран, написанных около 3000 лет назад, перечислено множество растений с указанием цели их использования. В далёкие времена считалось, что выгнать недуг из больного можно, сжигая ароматические растения.
Этот процесс обычно был связан с различными жреческими ритуалами и религиозными обрядами. Иногда сжигали также и растения, способные влиять на
сознание, - чтобы создать мистическую обстановку.
На протяжении столетий при различных религиозных церемониях курили
фимиам – сжигали благовонные вещества, дающие ароматический дым. У многих камедей и смол, используемых для фимиама, сильные терапевтические
свойства – они действуют на органы дыхания и создают медитативное состояние сознания у самих служителей культа. Наиболее полные и достоверные сведения об использовании растительных запахов в лечебных целях дают одни из
самых древних письменных свидетельств, найденные в междуречье Тигра и
Евфрата, в землях Месопотамии. Некоторые подробные описания обнаружены
в древнеегипетских надписях. Египтяне применяли благовония очень широко –
от парфюмерии и косметики до медицины и ритуала бальзамирования усопших. Некоторые сосуды для мазей даже спустя 3000 лет всё ещё не потеряли
свой запах. Также они использовали ароматы для ухода за кожей, ароматизации
одежды, добавляли в пищу и вино. Жрецы влияли на сознание людей, и, умело,
используя нужные ароматы, вводили собравшихся в транс, обладая также способностью создавать определённое настроение в храме. Египетский народ хорошо знал о способности благовоний повышать настроение и приобрел репута500
цию знатоков парфюмерии, однако они не были знакомы со способами выделения эфирных масел из растений: они пользовались только настоями и притираниями. Согласно современным представлениям, Древний Египет был колыбелью не только медицины, фармакопеи, но и парфюмерии. 6000 лет назад египтяне в совершенстве владели искусством массажа, ухода за кожей и познаниями в косметике (приложение1).
Разнообразнейшие ароматизирующие вещества, растительные масла и
смолы использовали для бальзамирования и религиозных церемоний. Но эфирные масла применялись не только для бальзамирования, но и использовались
жрецами для лечения различных заболеваний. Ладан они посвящали богу солнца Ра, зажигая его на восходе. Он был и излюбленным компонентом косметических средств. В конце концов, использование природных ароматов распространилось в Израиль, Грецию и Рим. Эти культуры развивали свои уникальные направления в искусстве ароматов – парфюмерии. Древние греки и римляне уже
широко применяли эфирные масла в медицине и общественных банях – это был
ежедневный ритуал, доставляющий им наслаждение. Многие греческие врачи
служили в римской армии и несли свои знания через множество стран. Гален,
личный врач Марка Аврелия, изобрёл чудодейственный крем и написал много
работ, касающихся здоровья и медицины. В числе других его работы создали
основу медицины для многих европейских стран.
Древнегреческие же философы считали, что эфирные субстанции (гормоны растений) были дарованы людям богами Олимпа в качестве элемента высочайшего света, пробуждающего любовь. История развития ароматерапии неотделима от имени Гиппократа, родоначальника современной научной медицины
(приложение 2). Он составил первое дошедшее до нашего времени сочинение,
где описано 236 растений и их применение в медицине. Отражая состояние
греческой философии своего времени, Гиппократ подходил к больному, как к
единому целому части природы. Он считал, что лекарственные вещества содержатся в природных продуктах в оптимальном сочетании, и поэтому они оказывают лучшее действие на организм в непереработанном виде или в виде натуральных соков.
После упадка Римской империи отрасли парфюмерии распространились и
на востоке, в Византии. Арабские страны усовершенствовали знания в области
ароматерапии. Арабы впервые применили дистилляцию (паровую перегонку)
для извлечения масла из лепестков роз – это изобретение приписывают Авиценне, философу и врачу Средней Азии (приложение 3). Он описал более 800
лекарственных средств, большая часть из которых – растительного происхождения. В его «Каноне лекарственных растений» описан метод получения масла
путём перегонки соков, который используется до сих пор. Постепенно опыт
501
Востока перенимала Европа. В период «крестовых походов» арабские благовония распространились по всей Европе. Камеди и смолы из Азии были труднодоступны, поэтому использовали природные средиземноморские растения, такие как розмарин и лаванда. Особенно их применением увлеклись французы.
Они заложили основы современного парфюмерного производства, а также терапевтического значения эфирных масел.
В 19-ом веке с развитием формальдегидного направления врачевания натуральные методы лечения отодвинулись на второй план. Дальнейшее развитие
химической науки принесло человечеству грандиозные возможности, однако
имело и свою теневую сторону – природные продукты всё чаще заменялись
синтетическими аналогами. Французский химик Гаттефосс считается отцом
ароматерапии, он ввёл этот термин в 1937 году (приложение 4). Он интересовался косметическими и дерматологическими аспектами использования эфирных масел и делал лишь первые попытки их внедрения в другие области медицины. Французский врач Жан Вальнэ значительно расширил использование
ароматических веществ, в частности в традиционной области – для дезинфекции и обработки ран, для снятия спазмов внутренних органов. В 1964 году
Вальнэ опубликовал «Искусство ароматерапии», дав этим начало ароматерапическому движению в Европе.
Примерно в то же время мадам Маргерит Маури создала первые ароматерапические клиники в Париже, Великобритании и Швейцарии (приложение 5).
В них исследовались очевидные омолаживающие свойства эфирных масел. Ж.
Вальнэ серьезно занялся подготовкой врачей – ароматерапевтов. Два его ученика отправились в Великобританию, благодаря их усилиям, в этой стране ароматерапия обрела популярность. Ж. Вальнэ считается классиком ароматерапии;
у него имеются труды по фито - и арома - терапии, многие из которых были несколько раз переизданы. К сожалению, с течением времени, многие секреты
ароматерапии были утеряны, но и сейчас медики и учёные соглашаются, что
ароматы растений благотворно действуют на человека.
Современная ароматерапия – это, прежде всего профилактический и оздоровительный способ поддержания хорошей психоэмоциональной и физической формы, терапия, позволяющая снять ежедневные стрессы и не допустить
развития недугов. Применение метода ароматерапии перспективно в создании
индивидуальных и общих программ для регуляции психического состояния и
внедрении в лечебные и профилактические учреждения. В наши дни ароматерапию практикуют тысячи целителей по всему миру. В странах Западной Европы, США, Канаде и Японии действуют сотни кабинетов ароматерапии, публикуются книги и работают научные институты. Здесь ароматерапия развивается
как часть системы, которая пытается исцелять и уравновешивать личность че502
ловека. Солидные медицинские учреждения Франции всерьез интересуются лечебными свойствами эфирных масел, которых известно около 300 .
2. Эфирные масла как основа ароматерапии.
Самый распространенный компонент ароматерапии – эфирные масла.
Эфирные масла или благовония - это класс летучих органических соединений,
получаемых из эфиромасличных растений обладающие характерным запахом и
жгучим вкусом. Из плодов овощей, мякоти фруктов и ягод эфирных масел не
получают, а отдушки с запахом клубники, манго, арбуза - всегда синтетические
продукты.
Многие ароматические вещества и масла, ранее получаемые из растений,
например, масло гвоздики или лилии, сегодня производятся синтетическим путем. В фармацевтической промышленности эти искусственные химические
продукты называют «идентичными натуральным». В парфюмерии и производстве ароматизаторов требуется постоянство запахов, тогда как природное сырье
подвержено изменениям, связанным с природными условиями. Однако так называемые идентичные натуральным и натуральные ароматические масла совершенно различны по своему характеру, что сказывается на их цене - синтетические продукты намного дешевле натуральных. Сырьем для получения благовоний являются свежие или вяленые части растений: кора, корни, стебли растений, древесина, смола, листья, лепестки, соцветия, семена и коробочки.
Часто из одного и того же растения получают совершенно разные по составу, действию и аромату эфирные масла. Скрытые в крошечных желёзках
растений сильнодействующие летучие вещества обладают множеством полезных свойств. В ароматерапии используются такие основные методы введения
масел в организм, как ингаляции, втирания и ванны.
Эфирные масла – летучие вещества, быстро испаряющиеся на воздухе;
при вдыхании они попадают в организм через органы обоняния. В разведённом
виде, при втирании, молекулы эфирных масел проникают в организм через
кожные покровы. Ванны позволяют впитывать масла одновременно посредством вдыхания или через кожу. Попав в организм, эфирные масла служат восстановлению нарушенной в нём гармонии и функциональному обновлению
давших сбой систем или органов. Если человек занимается ароматерапией самостоятельно и использует эфирные масла в соответствии с предписаниями по
лечению или профилактике заболеваний, то в скором времени выяснится, какой
аромат будет ему полезен.
Если аромат приятен человеку, значит, оно больше подходит для употребления и принесёт желаемый эффект. Эфирные масла оказывают лечебный
эффект при условии их высокого качества, а значит, они должны быть чистыми, без примесей и, желательно, полученными от растений, выращенных в оп503
тимальных условиях (без минеральных удобрений). Они обостряют ощущения
и, если взять себе за правило применять масла ежедневно, то можно значительно повысить свой порог восприятия и обрести новый вкус к жизни. Наблюдения показывают, что эфирные масла являются бесценными натуральными, укрепляющими защитные механизмы организма и иммунную систему; применяя
масла, мы ставим барьер перед инфекциями.
Масла воздействуют таким образом, что все органы и системы человека,
участвующие в борьбе с чужеродными организмами и в уничтожении токсинов,
сохраняют свою активность и устойчивость. Но масла дадут стойкий оздоровительный эффект, если применять их, ведя спокойную и размеренную жизнь.
2.1.Химический состав эфирных масел.
В состав эфирных масел входят:
1. Углеводы:
а) Жирные. Из жирного ряда в эфирных маслах содержатся нередко предельные и этиленовые углеводороды высокого атомного веса. Они составляют
в некоторых маслах (розовом и ромашковом) стеароптен, выпадающий из раствора уже при обыкновенной температуре. В других маслах они содержатся в
меньших количествах и потому остаются в растворе часто даже при охлаждении.
б) Ароматические. Из ароматических углеводородов в эфирных маслах
встречаются стирол и цимол (приложение 6). Терпены из всех углеводородов
всего чаще содержатся в эфирных маслах. Замечательно, что содержание терпенов в них тем выше, чем растения, из которых они получены, находились в
не развитом состоянии. Из терпенов чаще всего в маслах встречаются лимонен
и пинен; реже камфен, фелландрен и терпинен (приложение 6).
Из других до сих пор известны эфиры этилового, изобутилового, изоамилового, нормального гексилового, пропилового и, наконец, нормального октилового спиртов. Гораздо большее значение имеют три спирта терпеновых с открытыми цепями: цитронелол, линалол и гераниол (приложение 6). Спирты эти
входят в состав различных эфирных масел и сами по себе, и в виде сложных
эфиров, представляя в том и другом случае очень важную составную часть, так
как являются носителями запаха. Из ароматических спиртов в эфирных маслах
в виде эфиров спирты: бензиловый, коричный и фенилпропиловый (приложение 6). Из непредельных спиртов с замкнутым, но не ароматическим строением
в эфирных маслах встречаются очень часто и составляют, как сами по себе, так
и виде сложных эфиров, большую составную часть: борнеол и терпинеол;
реже – ментол.
в) Альдегиды. Предельные жирные альдегиды. Изредка сопровождают
эфирные масла как нежелательная примесь; ввиду низкой температуры их ки504
пения, они легко отделяются. Зато очень важной составной частью эфирных
масел являются непредельные альдегиды: цитраль и цитронеллаль (приложение
6). Из альдегидов ароматических, как ценные составные части масел, встречаются: альдегиды: бензойный, салициловый, анисовый, коричный и некоторые
другие.
г) Кетоны. Из жирных предельных кетонов ацетон встречается в небольших количествах во всех маслах, получаемых из листьев разнообразнейших
растений. Метиламилкетон содержится в гвоздичном масле и придает его запаху известный характерный оттенок. Метилнонилкетон является главной составной частью рутового масла (приложение 6). Однако чаще всего в маслах из
жирных кетонов попадается непредельный кетон — метилгептенон. Важную
роль в маслах играют обладающие в большинстве случаев тонким и ароматическим запахом терпенные кетоны. Из них наиболее распространенным надо признать камфору (приложение 6).
д) Фенолы и их эфиры. Соединения эти часто встречаются в эфирных
маслах и имеют большое значение, обладая в большинстве случаев ценным запахом. Наибольшим распространением отличается тимол; затем идут: карвакрол, хавикол, анетол и сафрол (приложение 6). Кислоты, как жирные, так и
ароматические, встречаются в маслах в виде сложных эфиров, и если иногда
могут быть открыты в свободном состоянии, то образованием своим обязаны
распадению этих эфиров.
е) Другие соединения. Из окисей в маслах встречается только одна — цинеол, но зато она содержится в громадном количестве разнообразнейших масел.
Соединения, содержащие азот и серу, имеются в тех маслах, который получаются перегонкой из частей растений, богатых белковыми веществами. Аммиак,
триметиламин, цианистый и сернистый водород при этом чаще всего улетают
вовсе, реже растворяются и остаются в воде и очень редко переходят в масло.
Сернистые соединения в небольших количествах встречаются в маслах (приложение 6).
2.2. Методы производства эфирных масел.
В настоящее время существуют три основных метода производства эфирных масел из листьев, корней, плодов, цветов, ветвей, стволов, коры и смол:
1) Метод дистилляции. Большинство эфирных масел на сегодняшний
день производятся методом дистилляции. Подаваемый под давлением в закрытую камеру с растительным сырьем пар разрывает железы растения и освобождает содержащиеся в них масла, которые потом после охлаждения сливаются в
отстойник. Каждое растение высвобождает свои масла при специфических дистилляционных условиях. При кажущейся простоте метода, для выработки одного фунта масла требуется сотни, а иной раз и тысячи фунтов растительного
505
сырья. Настоящая паровая дистилляция - это искусство, часто передаваемое из
поколения в поколение. Свойства каждого растения уникальны. Чтобы не допустить утрату этих уникальных свойств, процесс возгонки должен производиться предельно аккуратно, последовательно в соответствии с данными конкретными условиями. При точной дистилляции желаемые свойства масел могут
быть оптимизированы.
2) Метод экстрагирования. Современная технология, применяется для более деликатных, нежных растений, не переносящих воздействия паром – жасмина, розы, цветков апельсина. Наилучшие результаты достигаются следующим двухстадийным процессом. На первой стадии воздействием углеводородного раствора извлекается твёрдая субстанция, содержащая растительные воски
и летучие масла. На второй стадии к полученной субстанции добавляется растворитель, позволяющий разделить воски и масла. Затем воски удаляются, а оставшийся раствор масел подвергается испарению. Этот этап повторяется несколько раз, до тех пор, пока чистое масло полностью не экстрагировано. Удаление остатков растворителя достигается мягким экстрагированием под давлением.
3) Метод холодного давления. Используется исключительно для получения цитрусовых масел. Внешняя оболочка цитрусовых плодов – кожура – отжимается, а из полученной в результате субстанции фильтруются ароматические масла.
3. Свойства эфирных масел и их воздействие на организм человека.
Различные фармакологические свойства эфирных масел позволяют определить и объяснить оказываемое ими благоприятное действие на здоровье человека и его эмоциональное состояние. Влияние ароматов можно даже рассматривать на клеточном уровне. Эфирные масла действуют деструктивно на
цитоплазматические мембраны микроорганизмов, снижают их проницаемость,
уменьшая активность аэробного дыхания микробов. Изменяя экологические условия, которые допускали развитие микробов, эфирные масла противодействуют их выживанию, не дают возможности создать защиту.
Противовирусное действие обусловливается наличием в составе альдегидов, кетонов, эфиров. Более того, они препятствуют возрождению микробов как немедленному, так и спустя длительное время. Таким образом, не происходит изменений в генетическом аппарате микробных клеток, т. е. эфирные масла
не обладают мутагенным действием. При этом для эфирных масел характерна
высокая проникающая способность, которая определяется молекулярным весом
и формой.
Ароматические углеводороды проникают через кожу, слизистые, легкие,
желудочно-кишечный тракт, что обуславливает разнообразие методик их при506
менения. Важно отметить, что агрессивность эфирных масел по отношению к
микробам сочетается с их совершенной безвредностью для организма человека.
Эфирные масла и природные антибиотики, содержащиеся, например, в зверобое (иманин), бессмертнике (аренанин), шалфее лекарственном (сальвин), чистотеле и т. д., действуют только против микробов, но не против высших организмов. Антисептическая способность эфирных масел не слабеет, не уменьшается со временем, и организм не привыкает к ароматическим лечебным средствам. Что касается антибиотиков, то, если сравнивать действие эфирных масел
на организм с их действием, можно сказать, что длительное применение антибиотиков снижает механизмы защиты, при этом нередки случаи развития лекарственной аллергии и кандидозной (грибковой) инфекции. Как результат
этой жизнедеятельности низших организмов появляются микроорганизмы, устойчивые к применению антибиотиков. Микробы же при длительном контакте
с эфирными маслами практически не вырабатывают к ним устойчивости.
Эфирные масла создают для микробов такую среду обитания, в которой они не
могут нормально развиваться и гибнут, не приспособившись к новым условиям,
они также способствуют проникновению антибиотиков в клетки человека и
этим дают возможность снизить дозы антибиотиков при тяжелых заболеваниях.
В связи с тем, что белковая среда сыворотки человека не является препятствием для эфирных масел, они, помимо собственной активности, могут служить носителями для многих других лекарств, которые требуется приложить
или ввести локально для получения необходимого эффекта. Таким образом, в
медицине и косметологии известно, что все природные эфирные масла имеют
бактерицидное и противовоспалительное действие, обладают положительными
косметическим и дерматологическим действием; часть известных эфирных масел активизирует иммунную систему. Большая часть имеет обезболивающее
действие, а также около половины известных эфирных масел благотворно
влияют на органы дыхания, кровообращения и пищеварения (приложение 7).
С другой стороны, длительное отсутствие во вдыхаемом воздухе ароматических веществ растительного происхождения сопровождается нарушением
биологического равновесия на клеточном уровне, а, значит, развитием дефицита ароматических веществ, которые необходимы организму для синтеза биологически активных веществ. С помощью эфирных масел можно противостоять
различным инфекциям. Ароматерапия дает такие результаты, которые невозможно получить никакими другими современными средствами.
Наибольшей загадкой, а вместе с тем, важным свойством эфирных масел
является их неслыханно сложный состав. Большинство из них состоит из сотен
компонентов, содержащихся в разных количествах. Эта особенность масел является причиной того, что они оказывают очень разнородное воздействие на
507
человека. Эфирные масла, создают тончайшие физические или атмосферные
среды, высокопроводимые для благотворных воздействий на разнообразные
системы организма, и, таким образом, позволяют нам поднимать ощущение
здоровья и полноценности бытия в целом на более высокий уровень. Масла,
обладающие такой способностью многостороннего воздействия, меняющегося
в зависимости от потребности организма, называются адаптогенами.
Известно, что из всех чувств обоняние является наиболее чувствительным, быстрее всего переносящим в мозг внешнее раздражение. В верхней части
носовой полости находятся реснички обоняния – рецепторы, при контакте которых с молекулой пахучего химического соединения возникает импульс электрического характера, который мгновенно проходит в обонятельную луковицу,
где обрабатываются полученные данные, а оттуда – к мозговому центру обоняния, где определяется многообразное воздействие на весь организм (приложение 7). Запахи способны оказывать мощное эмоционально-психическое воздействие, а также влиять на ход физиологических процессов. Приятные запахи
способствуют улучшению самочувствия человека, а неприятные могут оказывать угнетающее влияние, вызывать различные отрицательные реакции, вплоть
до тошноты, рвоты, обмороков (от сероводорода, бензола и пр.); они способны
изменять температуру тела, вызывать отвращение к еде, обострять чувствительность нервной системы, вести к подавленности, раздражительности. В исследованиях ученых-физиологов было показано, что раздражение обонятельного анализатора человека «приятными запахами» (розовым, бергамотовым маслами) вызывает падение кровяного давления, замедление пульса, повышение
температуры тела. "Неприятные запахи" (уксусной кислоты, аммиака, гнили)
вызывают, наоборот, повышение кровяного давления, учащение пульса и понижение температуры.
Принцип действия эфирных масел в последнее время связывают с их способностью изменять электромагнитное поле человека, передавать колебания на
вегетативную систему. Именно эти особенности действия ароматических веществ определяют их мощное влияние на функционирование нервной системы,
гормональный статус организма человека. Действие эфирных масел даже сравнивают с действием гормонов.
Удивительно высокая проникающая способность эфирных масел позволяет получить быстрое терапевтическое воздействие. Правильное использование ароматических веществ растений обеспечит не только лечение, но и профилактику многих заболеваний, поможет в эффективной психосоматической
регуляции организма.
Эфирные масла можно рассматривать как универсальные профилактические вещества, имеющие целый ряд преимуществ перед другими профилакти508
ческими средствами. Что касается сердечно-сосудистой системы, то известно,
что с помощью эфирных масел можно благотворно влиять на нарушения сердечного ритма, поскольку некоторые компоненты растительных ароматических
веществ и их композиции способны расширять коронарные сосуды, что способствует улучшению снабжения мышц сердца кислородом и глюкозой. Улучшают процессы проводимости, снимают аритмии. В случаях, связанных с эндокринной системой, воздействие ароматов приводит к стимуляции выработки
гормонов и восстановлению организма. Особое внимание было обращено на
иммуномодулирующие и антиоксидантные свойства эфирных масел. Иммуностимулирующая активность в отношении В-звена иммунной системы.
Эфирные масла являются потенциальными радиопротекторами. Эфирные
масла способствовали также значительному снижению постлучевых бактериальных осложнений, являющихся основной причиной гибели животных. В процессе применения улучшается мышечный тонус, эфирные масла - эффективное
средство против усталости. Особенно благотворно эфирные масла действуют
на нервную систему человека, оказывают успокаивающее влияние на психику.
Эфирные масла способны оказывать противовоспалительный, отхаркивающий
эффект, увеличивать функциональную активность респираторной системы легких.
4. Применение эфирных масел в быту.
Существует много способов применения масел – можно вдыхать их запах
из флакона, разбрызгивать в комнате, использовать для массажа. В зависимости
от способа применения ароматов достигается различный эффект действия.
Способы применения эфирных масел:
1. Ингаляции. Ароматы, попадая на рефлексогенные точки носа (точки
Боннье), массируют их, вызывая импульсы, которые воздействуют на определенные зоны головного мозга, соответствующие тому или иному органу или
системе органов. Вещества, составляющие ароматы, оказывают прямое воздействие на органы дыхания, устраняя застойные и воспалительные реакции.
2. Ванны. Аромавещества соприкасаются со всей поверхностью тела. За
счет высокой проникающей способности быстро всасываются кожей, попадая в
лимфатическую сеть, омывают вместе с лимфой все органы. Необходимо только добавить в воду указанное количество эфирного масла, которое предварительно смешивается с эмульгатором, который позволяет эфирному маслу легче
смешиваться с водой.
3. Компрессы. Вещества, содержащиеся в эфирных маслах, проникают
через участок кожи, находящийся в прямой проекции к больному органу, попадают в лимфу и оказывают противовоспалительное, противоотечное, обезболивающее, спазмолитическое воздействие.
509
4. Растирания. Методика, при которой используют энергичное втирание,
прекрасно помогает при воспалительных явлениях в мышечной, нервной, соединительной ткани, воздействуя на лимфатическую систему, позвоночный
столб, системы дыхания и кровообращения.
5. Массаж. Является одним из наиболее активных методов воздействия на
организм. Обеспечивает быстрое проникание аромавеществ в лимфу и кровяное
русло, что дает эффект полного влияния на организм. Помимо получения приятных ощущений, у человека происходит оздоровление печени, кишечника и
желез внутренней секреции. Также очень действенным является точечный массаж, который проводится рефлексотерапевтом и наносится на рефлексогенные
точки.
4.1. Воздействие запахов на психику человека.
Действие эфирных масел на организм многогранно, в частности, оказывает влияние на психологическую сторону. Действие выражено в двух аспектах:
общем и индивидуальном действии эфирного масла. Общее действие проявляется в характерных особенностях лечебного эффекта отдельного эфирного масла. Индивидуальное действие выражается в проявлении характерного состояния, которое наиболее оптимальное для данного момента. Определённый подход позволяет отрегулировать эмоциональное состояние с помощью подобранных специально для человека эфирных масел и их комбинаций (приложение 5).
Учитывая выше сказанное, можно сделать вывод, что применение метода ароматерапии перспективно в создании индивидуальных и общих программ для
регуляции психического состояния и внедрении в лечебные и профилактические учреждения. Эфирные масла при грамотном использовании не оказывают
вредных побочных эффектов. Ароматерапия с помощью эфирных масел пробуждает и усиливает жизненную энергию и способность пациента к самоисцелению. Эфирные масла способны глубоко влиять на физиологическое равновесие в организме и регулировать дисбаланс, удаляя "почву", на которой расцветает болезнь. Они действуют, затрагивая как тело, так и мозг, душу человека.
Эфирные масла помогают ощутить красоту и чудо жизни, они дают нам мощный импульс для поиска ее смысла. Спектр физиологического действия эфирных масел очень широк, каждый человек может найти для себя нечто полезное,
узнавая о применении того или иного эфирного масла, а также лекарственного
сырья, из которого его получают.
Положительные переживания, позитивный эмоциональный настрой оказывают существенное влияние на физиологию и течение патологических процессов, в ряде случаев именно вера и положительные настрой на результат помогали остановить злокачественные процессы, и добиться полного излечения.
Таким образом, сейчас ведётся активный поиск способов достижения такого
510
лечебного состояния. Известно множество методов управления своим психическим состоянием. Обонятельный анализатор обеспечивает восприятие оставшихся 5% информации, которая поступает из окружающего мира. Эта информация особенно важна для человека, потому как обонятельный анализатор
обеспечивает активность жизненно важных инстинктов, а обонятельный мозг
относиться к центральным структурам мозга.
Возможно, этим объясняется действие на эмоции, ассоциативную память
и целом на психическую сферу. Обоняние практически не подвержено контролю, но если запах для человека имеет негативную окраску, то он испытает отрицательные эмоции, когда этот запах будет в окружающей атмосфере. Обоняние влияет на кору головного мозга, действуя на мозговую активность, работоспособность, психическую активность.
Восприятие запаха и его эмоциональная окраска строго индивидуальна,
каждый имеет собственную коллекцию запахов «счастья» и «горя». Формирование личного восприятия связано с ситуациями и переживаниями и длительным воздействием одного или нескольких ароматов. Действие экстрактов ароматических растений в отношении психического и физиологического состояния
характеризуется как биорегулирующее. Приятные запахи уравновешивают
эмоциональное состояние, позволяют быстро отреагировать на скрытые стрессовые ситуации и снять психологическую проблему. Запах, имеющий негативную эмоциональную окраску, вызывает торможение функций центральной и
периферической нервных систем, что отображается на работе всего организма.
Восприятие запаха зависит от эмоциональности и отличается у мужчин и
женщин. Женщины более эмоциональны и восприимчивы к запахам, и для них
аромат имеет большее значение, чем для мужчин. Все эти свойства ароматических масел обусловлены воздействовать на человека ионными компонентами
эфирных масел, которые повышают восприимчивость, открытость к энергии
Космоса. Ароматы могут помочь восстановить ауру, обрести вкус к добру и
справедливости, устранить комплексы и недоброжелательство.
Аромапрофилактика расширяет адаптационные возможности человека,
является одним из путей укрепления здоровья и повышения устойчивости организма к воздействию неблагоприятных факторов внешней среды.
В реакциях привыкания для человека особенно важен психологический
фактор. Экстремальные условия, помимо своего физического воздействия на ткани и системы, могут вызывать отрицательную психологическую реакцию. Поэтому использование эфирных масел целесообразно при эмоциональном стрессе. На
этот момент у человека возникают неоправданно большие сдвиги в ряде функциональных систем организма, что является, по-видимому, одной из основных
причин сосудистых катастроф, являющихся даже опасными для жизни.
511
4.2.Практическая часть.
Сегодня в центре внимания очень оригинальное хобби – создание натуральных духов из эфирных масел. Приготовить натуральный парфюм из эфирных масел не так уж сложно – необходимы эфирные масла и несущая субстанция. Существует всего две основные несущие субстанции, применяемые для
приготовления натуральных парфюмов: масло жожоба и спирт.
Аромат состоит из трех нот: начальной, средней и конечной. Эти названия соответствуют времени их действия в аромате. Однако у них есть более
«романтичные» наименования. Начальную ноту, например, еще называют головной нотой или топом парфюма; среднюю – центральной нотой или нотой
сердца, конечную – базовой нотой, основной нотой и фондом (приложение 4).
Для проведения практической части мне потребовались несколько эфирных масел, небольшие сосуды для дозирования и смешивания масел, флакончик для духов и несущая субстанция. Аромат в несущих субстанциях раскрывается по-разному и что предпочесть – дело вкуса. Кроме того, существуют и
иные различия: ароматы в масле жожоба держатся немного дольше и созревают
быстрее, эти духи прекрасно переносятся кожей людей, не переносящих спирт.
Исходя из того, что у меня нет масла жожоба, я решила поэкспериментировать
со спиртом.
Я взяла несколько эфирных масла, которые мне больше всего понравились, и сделала пару ароматов. В первый аромат входили: масло базилика (базовая нота), лаванды, ромарина (головная нота) и шалфея (нота сердца). Я смешала их, поочередно добавляя одно к другому. Когда смесь была готова, я добавила в нее совсем немного несущей субстанции и перелила ее в заранее приготовленный флакон. После того как все компоненты были смешаны, духи дозревали четыре недели в темном месте. Получились несколько духов с травяным, пряным и зимним ароматом. В моем эксперименте участвовало всего 10
компонентов, а на настоящем производстве для получения парфюмерной композиции ингредиентов может быть и больше.
5. Проблемы и перспективы развития ароматерапии.
Главная проблема на сегодняшний день — цивилизованное, научно обоснованное применение эфирных масел для профилактики и лечения различных
заболеваний и психологических проблем». Но существует и ряд других трудностей, связанных с развитием ароматерапии: это, прежде всего качество эфирных масел, которое позволяет использовать их в медицинских целях. Удешевленный и ускоренный метод экстракции эфирных масел различными химическими растворителями требует тщательной дополнительной очистки эфирных
масел. В настоящее время в Москве, да и в России, сертификация эфирных масел проводится только для парфюмерных целей и в косметологии, что недостаточно для медицинского применения.
512
Еще одна проблема: подготовка специалистов в области ароматерапии –
врачей, провизоров, фармацевтов и среднего медперсонала — на высоком профессиональном уровне, а также преподавателей этой дисциплины, которые
должны быть аттестованы.
К одной из самых важных проблем развития относится проблема финансирования научных исследований в этой области, но с такой проблемой государства пытаются справиться, выделяя средства на научные разработки. Таким
образом, вооруженные новыми технологиями в химии и биологии и обширными знаниями по иммунологии и нейрохимии, ученые предприняли в последние
годы новые серии исследований, направленных на утверждение действительной роли психологического и эмоционального стрессов, как причины почти
всех физических болезней. Эти работы показали, что эмоции, действуя через
мозг, способны изменять функционирование нервной системы, уровни гормонов и иммунологические ответы организма, таким образом, воздействуя на чувствительность человека к ряду органических заболеваний.
Заключение.
Ароматы заняли особое место в современной жизни. В наше время нет
людей, не использующих эфирные масла в различных промышленных продуктах. Совершенно естественно, не акцентируя свое внимание на этом факте, люди используют в пищу и в быту эфирные масла с рождения до самой смерти, не
нуждаясь в специальном обучении или терминах. Ароматы - неотъемлемая
часть жизни, как вода, еда, сон и т.п.
Таким образом, изучив теоретический материал и сделав практическую
часть, я выяснила, что существует большое количество эфирных масел и каждое из них влияет на самочувствие человека по-своему в зависимости от химического состава и самого человека. Но нельзя применять эфирные масла, не
зная определенных правил, так как кроме положительного воздействия на организм, они могут оказывать и отрицательное.
Библиографический список
1. Аромагия. www.aromagia.ru
2. Брокгауз и Эфрон. Большой энциклопедический словарь. «Терра», М.,
1997.
3. Журнал «Клуб здоровья». Выпуск 44. 2002.
4. Журнал «Новый шаг». №2, 1998.
5. Журнал «Фармацевтический вестник». №8, 2003.
6. Лоулесс Д. Энциклопедия ароматических масел. «КРОН-ПРЕСС», М.,
2000.
7. Мир ароматерапии. www.aromaworld.ru
8. Саков И. В. Регуляция психического состояния с помощью эфирных
масел, 2004. www.aromaru.ru
513
Первые создатели ароматерапии
1. Ароматерапия в Древнем Египте
3. Философ и врач Авиценна
Приложение 1
2. Гиппократ
4. Французский химик Гаттефосс
5. Мадам Маргерит Маури
514
Приложение 2
Формулы углеводов
Стеароптен – C5H24O Метилгептенон – C6H11
Стирол – C8H8 Камфора – C10H16O
Цимол – CH3C6H4CH(CH3)2 Тимол – C6H3CH3(OH)(C3H7)
Лимомен – C10H16 Карвакрол – C6H3CH3(OH)(C3H7)
Пинен – C10H16 Хавикол – C9H10O
Камфен – C10H16 Анетол – C10H12O
Фелландрен - C10H16 Сафрол – C10H10O2
Терпинен - C10H16 Цинеол – C10H18O
Этиловый спирт – C2H5(OH) Аммиак – NH3
Изобутиловый спирт – (CH3)2CHCH2OH Триметиламин – (CH3)3NO
Изоамиловый спирт – (CH3)2CHCH2CH2OH Цианистый водород - HCN
Гексиловый спирт – C6H13OH Сернистый водород – H2S
Пропиловый спирт – C3H7OH
Октиловый спирт – C8H18O
Цитронеллол – C10H20O
Линалол – C10H18O
Гераниол – C10H18O
Бензиловый спирт – C7H8O
Коричный спирт – C9H10O
Цитронеллаль – C10H18O
Бензойный альдегид – C6H5CHO
Салициловый альдегид – C7H6O2
Анисовый альдегид – C8H8O2
Коричный альдегид – C9H8O
Ацетон – C3H6O
Метиламилкетон – C5H11
Метилнонилкетон – C9H19
Фенилпропиловый спирт – C9H12O
Борнеол – C10H18O
Терпинеол – C10H18O
Ментол – C10H20O
Цитраль – C10H16O
515
Влияние ароматических веществ
на обонятельную систему человека
Приложение 3
Приложение 4
Краткая характеристика эфирных масел по действию
Название масла
Анисовое масло
Запах
Пряно-сладкий аромат.
Апельсиновое масло
Свежий фруктовый аромат
Бергамотовое масло
Аромат, напоминающий лимон
Гераневое масло
Горьковатый цветочный
аромат
Цветочный пряно-сладкий
аромат
Масло иланг-иланг
516
Где применяется
Вселяет оптимизм, активизирует умственную деятельность. Применяется также для
массажа при желудочнокишечных расстройствах на
нервной почве и для ингаляций при бронхите.
Создает радостное, веселое
настроение. Используется для
массажа при целлюлите, для
полосканий при лечении и
профилактике воспалительных заболеваний полости рта.
Концентрирует внимание, вызывает чувство бодрости.
Применяется наружно при
проблемной коже, для полосканий при ангине, для компрессов при варикозном расширении вен.
Повышает умственную и физическую активность.
Снимает страх и беспокойство.
Применяют для массажа, при
грибковых поражениях стоп,
при отслаивании ногтей.
Кардамонное масло
Тёплый пряный аромат
Коричное масло
Теплый, сладкий, бальзамический аромат
Лавандовое масло
Свежий травянистый аромат
Лимонное масло
Свежий фруктовый аромат
Мандариновое масло
Свежий, сладкий, цветочный
аромат
Масло мяты перечной
Свежий резкий аромат
Масло пачули
Древесно-бальзамический
аромат с едва заметными
фруктовыми нотами
Розовое масло
Свежий цветочный аромат
Масло чайного дерева
Терпкий горьковато-пряный
аромат
Эвкалиптовое масло
Свежий пряный аромат
517
Снимает боль и облегчает
кашель.
Согревает, способствует
творческой деятельности. Используется для массажа при
ревматических болях, для ингаляций при простуде.
Обладает антисептическим,
ранозаживляющим, успокаивающим действием.
Очищает воздух от табачного
дыма, помогает преодолеть
депрессию. Устраняет пятна
на коже при фурункулах.
Применяется для полосканий
при воспалениях в ротовой
полости.
Восстанавливает силы после
болезни, снимает переутомление и бессонницу. Используется для массажа увядающей кожи и удаления растяжек.
Активирует работу мозга.
Очищает воздух.
Наружно при люмбаго, опоясывающем лишае, укусах насекомых. В сауне оказывает
потогонное, спазмолитическое действие.
Снимает депрессию, стресс.
Для наружного применения
используют при экземе, угревой сыпи, аллергии.
хороший антидепрессант, используют при аллергии. Наружно для увядающей кожи,
при разрывах капилляров на
щеках.
Стимулирует интеллектуальную активность. Обладает
спектром противомикробного
действия.
Оптимизирует работу мозга.
Применяется наружно при
мигрени, ревматизме. Используется для ингаляций при
насморке, кашле, болях в горле.
Три ноты, из которых состоит аромат
Приложение 5
Приложение 6
Правила использования эфирных масел:
• Не наносите неразбавленное масло на кожу и слизистые оболочки, поскольку они очень концентрированные, и это может вызвать раздражение кожи
(кроме масла чайного дерева и масла лаванды).
• Не используйте масло в дозировках, превышающих допустимые! Начинайте пользоваться маслами с минимальных доз, возможно для вас они будут
достаточными, так как у всех людей чувствительность к ароматам различна.
• Проверьте, нет ли у вас аллергии на какое-либо масло! Для этого нанесите 1 каплю масла на локтевой сгиб и проследите, нет ли аллергических реакций на коже - припухлостей, отёков, кроме обычного покраснения и лёгкого
жжения. Проверка аллергии на запах - 1 каплю масла нанесите на носовой платок и подносить его к носу в течение дня. Признаки аллергических реакций насморк, слёзотечение, чихание.
• При приеме ароматических ванн первые 2 сеанса не должны длиться
более 5 минут. В аромалампах первые 2 сеанса - не более 20 минут. Если самочувствие после ванны хорошее, время можно постепенно увеличивать. Никогда
не наливайте в воду эфирные масла без предварительного их растворения в каком-либо носителе (молоко, мёд, спирт, соль для ванн и прочее).
• С осторожностью использовать наружно фототоксичные эфирные масла (повышающие чувствительность кожи к солнечному излучению). Наносить
не менее чем за 2-4 часа до принятия солнечных ванн (все цитрусовые и некоторые другие).
518
• При беременности и эпилепсии рекомендуется использовать эфирные
масла в ограниченном количестве и под наблюдением врача! Концентрация их
должна быть в 2 раза меньше обычной.
• При непереносимости запаха (особенно во время беременности) эфирные масла не применять.
• При сердечных заболеваниях, бронхиальной астме и астматических состояниях масло применять только после консультации с врачом.
• Курс ароматерапии не должен превышать 3-х недель.
• При приеме эфирных масел внутрь, в виде ванн и массажа необходимо
пить (головокружение, тошнота, слабость, озноб) в связи с массовым выходом
токсинов из организма.
• При параллельном приеме лекарственных препаратов и эфирных масел
необходимо учитывать, что эфирные масла усиливают действие антибиотиков,
но нейтрализуют гомеопатические, йода - и железосодержащие препараты.
Много жидкости для улучшения вывода шлаков, токсинов, ядов (не менее 2-х
литров в день). Впервые 2 дня могут наблюдаться признаки интоксикации.
• При смешивании использовать не более семи эфирных масел, причем
они должны быть синергичны, т.е. усиливать и дополнять действие друг друга,
а не подавлять.
• Эфирные масла (как и вина) любят температурное постоянство. Если
масло побывало на морозе, перед применением оно нуждается в 30 минутах
отогревания для восстановления богатства ароматического букета.
• Хранить масла нужно плотно закрытыми, в темном месте, недоступном
для детей.
Матвеев Егор,8 б кл., БОУ г. Омска «СОШУИОП № 56»
Руководитель: Свердлова О. А., учитель химии
БОУ г. Омска «СОШУИОП № 56»
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА
Введение
Воздух – это «легкие» планеты. Газовая оболочка нашей планеты, состоит из азота и кислорода. Одним из способов изучения чистоты воздуха в условиях школьной химической лаборатории является исследование снега. Снеговой покров накапливает в своем составе практически все вещества, поступающие в атмосферу. В связи с этим снег можно рассматривать как своеобразный
индикатор чистоты воздуха.
519
Поэтому, я решил провести анализ талой воды на содержание в ней химических веществ.
Цель проекта: определить безопасные с экологической точки зрения места отдыха для жителей нашего микрорайона.
Задачи проекта:
1. Провести органолептический и химический анализ снега.
2. Выявить источники загрязнения воздуха (снега) в нашем микрорайоне.
3. Определить влияние загрязнителей атмосферы на здоровье человека.
4. Донести полученные результаты до жителей нашего микрорайона.
Методы исследования:
1. Изучение литературы и материалов Интернет-сайтов.
2. Отбор пробы снега.
3. Проведение анализов (органолептические, химические методы).
4. Обработка полученных результатов.
Гипотеза:
Чем дальше источник искусственного загрязнения воздуха, тем чище
снег.
1. Загрязнение атмосферы.
Чистый воздух сегодня становится дефицитным ресурсом во многих местах нашей планеты. Забирая всё больше кислорода для своих нужд, выбрасывая
в атмосферу огромные облака углекислого газа и различных примесей, человечество тем самым готовит себе, может быть, самое трудное испытание [1].
Многие вещества, выбрасываемые промышленными предприятиями и автотранспортом в воздух, являются токсичными или потенциально токсичными,
а также содержат канцерогенные вещества. В составе отработанных газов автомобилей содержится около 200 токсичных веществ, из них подлежащие контролю – окись углерода, углеводороды, сажа. В нашей стране для обеспечения
экологической безопасности принят ряд законов: «Об охране окружающей природной среды», «Об охране атмосферного воздуха» и другие, в соответствие с
которыми осуществляется экологический контроль загрязнения атмосферного
воздуха [6].
Максимального сокращения вредных выбросов в атмосферу можно достигнуть путём применения замкнутых, циклических процессов, безотходных
технологий, совершенствованием аппаратов, установок, механизмов, переходом к новым источникам энергии. Например, производства серной кислоты уже
сейчас используют в качестве сырья отходы предприятий цветной металлургии,
которые ранее выбрасывались в окружающую среду. Воздушные бассейны городов становятся чище при замене твёрдого топлива газообразным [5]. Мощное
средство борьбы с загрязнением атмосферы – широкое внедрение химических и
520
физических методов очистки газов, а также герметизация технологического
оборудования и целых технологических процессов.
Важно помнить, что Земля наша не так уж велика. Вот почему всё взятое
у неё должно быть по-хозяйски использовано и по возможности возвращено
обратно [3].
1.1. Причины загрязнения воздуха.
Основные вещества - загрязнители воздуха: СО (угарный газ), SO2, NO,
NO2, углеводороды, сажа, СО2, соединения свинца и др. Автомобильные выхлопные газы — смесь примерно 200 веществ [9]. В них содержатся углеводороды—не сгоревшие или не полностью сгоревшие компоненты топлива, доля
которых резко возрастает, если двигатель работает на малых оборотах или в
момент увеличения скорости на старте, т. е. во время заторов и у красного сигнала светофора. Именно в этот момент, когда нажимают на акселератор, выделяется больше всего несгоревших частиц: примерно в 10 раз больше, чем при
работе двигателя в нормальном режиме. К несгоревшим газам относят и обычный оксид углерода, образующийся в том или ином количестве повсюду, где
что-то сжигают. В выхлопных газах двигателя, работающего на нормальном
бензине и при нормальном режиме, содержится в среднем 2,7% оксида углерода. При снижении скорости эта доля увеличивается до 3,9%, а на малом ходу—
до 6,9% [2].
1.2. Влияние загрязнения воздуха на здоровье человека.
По свидетельству медиков, наиболее уязвимыми к вредному воздействию
загрязненного воздуха является детский организм. Результаты исследования
ученых показывают, что у детей, живущих в городских кварталах с интенсивным автомобильным движением и, соответственно, высоким уровнем загрязнения атмосферы, коэффициент интеллекта ниже, чем у их сверстников, проживающих в экологических чистых районах. Вредные вещества в воздухе нарушают химические, в частности окислительные процессы в мозге, в конечном
счете, заканчивается ухудшением памяти и других интеллектуальных способностей [7].
Медициной установлена связь между загрязнением атмосферой транспортом и числом заболеваний людей хроническим бронхитом, эмфиземой легких, астмой и др. болезнями [9]/
Подрыв здоровья, прежде всего, характерен для жителей крупных городов и промышленных районов. Известно, что автомобильные выбросы концентрируются вдоль автотрасс, а самой активной зоной загрязнения является 8-10м
от кромки дороги [8].
Хронические действия атмосферных загрязнителей выражается в ослаблении иммунозащитных сил, увеличении общей заболеваемости. Твердые и
521
жидкие частицы, содержащиеся в атмосферном воздухе, приводят к значительному загрязнению оконных стекол, снижая освещенность внутри помещений.
Пыль, сажа, загрязняя внутреннюю обстановку, одежду, а также вызывает
ощущение неприятных запахов. Все это вынуждает людей реже проветривать
помещения и пользование чистым свежим воздухом ограничивается.
В результате загрязнения атмосферного воздуха возрастает облачность,
увеличивается частота туманов, снижается видимость и происходит значительная потеря ультрафиолетовой радиации. Подобные изменения природной среды
оказывают негативное влияние на здоровье людей [10].
1. Оксид углерода (II) инактивирует гемоглобин, обуславливая кислородную недостаточность тканей, вызывая расстройства нервной и сердечнососудистой системы, а также способствует развитию атеросклероза.
2. Оксиды азота резко раздражают легкие и дыхательные пути, способствуя возникновению воспалительных процессов в них. Под влиянием оксидов
азота образуется метгемоглобин, понижается кровяное давление, возникают головокружения, рвота, одышка.
3. Углеводороды раздражают дыхательные пути, появляется тошнота,
головокружение, сонливость, расстройство дыхания и кровообращения.
Некоторые углеводороды, особенно полициклические ряда бензо[а]перена, канцерогенны.
4. Автомобильный транспорт является поставщиком в окружающую среду свинца. Свинец является ядом, который действует на все живое. Симптомами заболевания при отравлении свинцом являются изменения в крови и сосудах, расстройство нервной системы, паралич конечностей. Свинец аккумулируется в организме [11].
Для повышения октанового числа бензина в него в качестве антидетонатора добавляют тетраэтилсвинец (C2H5)4Pb, который при температуре свыше
2000С распадается на свинец и четыре этильных радикала. Использование чистого (C2H5)4Pb осложняется высаждением свинца на стенках цилиндров и
поршней, что выводит двигатель из строя. Для предотвращения этого нежелательного эффекта тетраэтилсвинец смешивают с алкилгалогенидами, которые
при высокой температуре разлагаются и образуют со свинцом летучие галогениды, удаляемые из двигателей вместе с выхлопными газами:
(C2H5)4Pb + C2H4X2 + 16O2 = PbX2 + 10 CO2 + 12H2O [7].
X = Cl, Br
Таким путем ядовитые свинцовые соединения попадают в атмосферу,
оседают на почву и растительность вдоль дорог.
522
1.3. Изменения территории парка им. 30 лет ВЛКСМ.
Парк имени 30 лет. ВЛКСМ как парк культуры и отдыха открылся 18 мая
1940 года. ПК и О расположен в Октябрьском округе. Площадь парка составляет 79,3 гектара. В октябре 2002 года в парке была заложена аллея молодоженов
и новорожденных. Парк культуры и отдыха им. 30-летия ВЛКСМ не имеет сейчас статуса главного городского, но для многих омичей он по-прежнему – главный, а еще важнее – любимый [11].
В 2011 году департамент архитектуры и градостроительства администрации города Омска выдал три разрешения на строительство капитальных объектов на территории ПКиО имени 30-летия ВЛКСМ.
В конце июня 2012 года ночью в парк им. 30-летия ВЛКСМ зашла строительная техника. Было выломано ограждение со стороны улицы Масленникова,
установлен новый бетонный забор. В результате на треть сократилась территория конного клуба «Карусель», где занимаются около сотни детей, в том числе
с ограниченными физическими возможностями. В клубе для таких больных детей проводятся уникальные курсы иппотерапии. Работы начала фирма «Кедр»,
которая приступила к строительству на территории парка теннисных кортов с
административно-хозяйственным блоком. Но, это лишь часть больших планов
по застройке зеленой территории старейшего городского парка – мэрия Омска
согласовала возведение здесь целого ряда капитальных объектов.
Согласно этой утвержденной архитектурной концепции, зеленую территорию парка планируется отодвинуть вглубь от улицы Б. Хмельницкого примерно на 120 метров. А отрезанная от парка часть должна быть застроена объектами различного назначения. Общая территория парка им. 30-летия ВЛКСМ
составляет 79,3 гектара, а при выделении из него зоны под застройку уменьшится до 69,1 гектара.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.
2.1. Образцы пробы снега.
Отбор образцов снега проводился в нескольких точках:
- во внутреннем дворе школы № 56,
- вдоль дороги по ул. Масленникова (8 – 20 линия),
- на территории парка им. 30 лет ВЛКСМ.
Отбор снега проводился на открытом участке поверхности в разных точках. Снег брался с 1 м2, помещался в пакет с этикеткой, приносился домой, снег
таял. Полученную талую воду использовали для анализов.
В качества стандарта была взята чистая дистиллированная вода.
2.2. Органолептический анализ [12].
2.2.1. Внешний вид снега.
Перед отбором образца снега поверхность снежного покрова осматривалась на определение внешнего вида снега. Цвет может быть - белый, светло се523
рый, серый, грязный или другой. Так же определялось, что обуславливает цвет
снега – пыль, песок, гарь, копоть … Результаты представлены в таблице (Приложение № 1).
2.2.2. Запах талой воды.
Для определения запаха талой воды взять 500 мл при комнатной температуре, налить в колбу с широким горлом, накрыть стеклом и встряхивать вращательными движениями. Открыв стекло, быстро определить запах. Различают
ароматический, болотный, гнилостный, древесный, плесневелый, сероводородный, неопределенный и т.д. запах. Интенсивность определяют в баллах: 0- не
ощущается, 1- очень слабый, 2- слабый, 3 – заметный, 4 – отчетливый, 5 – очень
сильный.
По ГОСТу интенсивность запаха воды при 20º С не должна превышать
двух баллов. Результаты представлены в таблице (Приложение № 1). Все изученные образцы показали качество, соответствующее требованиям ГОСТа для
питьевой воды.
2.2.3.Цвет воды [12].
Качественную оценку цветности воды проводим методом сравнения ее с
дистиллированной водой. В цилиндр из бесцветного стекла помещаем пробы
анализируемой воды. На фоне листа белой бумаги сравниваем цвет, фиксируем
результат в таблицу по критериям (бесцветная, светло-бурая, желтоватая, серая,
мутная, и т.д.). Результаты представлены в таблице (Приложение № 1).
2.3. Определение прозрачности воды.
2.3.1. Уровень читаемости текста [7].
На лист печатного текста установить плоский цилиндр. Наливаем воду,
измеряем высоту столбика жидкости, при которой текст остается читаемым. Результаты занести в таблицу (Приложение № 1). Самый чистый снег в парке:
можно прочитать текст через столб жидкости в 9,5 см.
2.3.2. Измерение уровня светопропускания раствора.
С помощью цифровой лаборатории «Архимед» проводим измерение
уровня светопропускания. В кювету прибора помещаем пробу талого снега, записываем показание прибора (Приложение № 1). Уровень светопропускания в
пробе талого снега из парка составил 83 единицы.
2.3.3. Измерение электропроводности раствора.
С помощью цифровой лаборатории «Архимед» проводим измерение электропроводности проб талого снега, взятых в разных местах для исследования,
датчиком электропроводности. Результаты заносим в таблицу (Приложение
№ 1). Наличие ионов в растворе обуславливает эдектропроводность. Чистая вода – плохой проводник, чем больше ионов в пробе снега, тем больше значение.
Самый загрязненный снег – у дороги.
524
2.4. Определение доли твердых частиц [7].
Основные источники пыли в воздухе – автотранспорт и промышленные
выбросы. Природа сама создала уникальные «ловушки» для сбора загрязнителей, например снежный покров. Исследуя его, можно узнать степень запылённости за зимний период. Для определения взвешенных частиц воду отстоять в
течение суток, определить, образуется ли осадок после отстаивания воды. Если
осадок образуется, то его интенсивность, цвет, массу. Взвесить бумажный
фильтр. Профильтровать по 100 мл пробы снега через бумажный фильтр.
Фильтр высушить. Определить массу твердого остатка на фильтре. Рассчитать
степень наличия взвешенных частиц в пробе снега. Заполнить таблицу (Приложение № 1).
Твёрдые загрязняющие частицы загрязняют снег преимущественно за
счёт технического фактора через осаждение пыли, золы, сажи (агломераты углеродных частиц), дыма. Источниками твёрдых веществ в г. Омске являются
автомобильный транспорт и тепловые станции, работающие на угле и мазуте
(ТЭЦ – 5 и ТЭЦ – 6). В зимний период времени масса сжигаемого топлива данного вида достигает максимума, и твёрдые вещества в результате гравитационного осаждения загрязняют снег. Попадание таких компонентов в снег, а затем
в почву вызывает подкисление или подщелачивание среды [10].
Данные исследований показывают, что наибольшее количество твёрдых
загрязняющих веществ находится во внутреннем дворе школы и равно 3,1 г/л.
Масса твердого остатка в пробе снега вдоль дороги составила 0,3 г/л, в пробе из
парка – 0,09 г/л. После проведения исследования осадок на фильтрах был темно-серого цвета.
2.5. Наличие углеводородной пленки [7].
Наличие легких углеводородов в снеге определяем по присутствию на
поверхности проб талого снега радужной пленки. В изученных нами образцах
углеводороды не обнаружены (Приложение № 1).
2.6. Определение плотности воды.
Плотность воды определяем ареометром. Плотность зависит от содержания
в воде растворенных частиц. Ареометр позволяет определить плотность до
третьего знака (Приложение № 1). Наибольшая плотность в пробе снега у дороги.
2.7. Химический анализ.
2.7.1. Определение кислотности снега [7].
Промышленные предприятия выбрасывают в атмосферу оксиды азота и
серы; соединяясь с водой, они образуют кислоты.
В результате наших исследований с помощью универсального индикатора снегового фильтрата на кислотность было обнаружено, что рН фильтратов равно 7 (Приложение № 1). Все образцы показали одинаковый результат.
525
Определение кислотности рН-метром цифровой лаборатории «Архимед»
показало различие в значениях (Приложение № 1). Более кислая среда раствора
в пробе снега в школьном дворе (рН=6,4), а более щелочная в пробе снега в
парке (рН=7,4). .
2.7.2.Определение химических загрязнителей [12].
При исследовании снеговых фильтратов с разных с экологической точки
зрения участков было установлено, что качественные реакции на ионы, определяющие загрязнение атмосферного воздуха, дали отрицательный результат. Поэтому можно сделать вывод, что химическое загрязнение воздуха является минимальным, неопределяемым в условиях школьного эксперимента. В анализе
использованы качественные реакции на ионы:
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Химические
Реактив
Признак реакции
загрязнения
SO42BaCl2
Помутнение
2SO3
KMnO4
Розовый цвет исчезает
2
S
Pb(CH3COO)2
Почернение
2S
AgNO3
Слабое помутнение
Cl
AgNO3
Слабое помутнение
+
NH4
NaOH
Запах аммиака
+
Na
Пламя спиртовки Ярко-жёлтое окрашивание
3+
Fe
KCNS
Бледно-бурый цвет
Фенол
FeCl3
Фиолетовое окрашивание
Полученные результаты представлены в таблице (Приложение № 1).
Сульфат-ионы накапливаются в снеге за счёт осаждения аэрозолей диоксида серы из воздуха вместе с пылью под действием сил гравитации. В наших
исследованиях содержание ионов в пробах снега было незначительно.
Хлорид ионы обнаружены в пробе снега, взятой вдоль дороги. Поступление хлорид иона в снег обусловлено применением хлорида натрия (NaCl) для
очистки автострад от снега и льда. Ионы хлора относятся к токсичным, как и
все хлориды. Хлориды влияют на биологическую устойчивость древесных пород используемых в озеленении города. Некоторые из них, например липа
сердцелистная (T.Cordate), могут выступать своеобразными биоиндикаторами
загрязнения почв хлоридами.
3.3.3. Наличие окисляемых углеводородов [2].
К пробе исследуемой воды добавляем по каплям 5% раствор перманганата калия. Розовая окраска остается без изменения – органические примеси отсутствуют. Исчезновение розовой окраски в исследуемой пробе указывает на
присутствие окисляемых органических соединений. В изученных пробах углеводороды не обнаружены (Приложение № 1).
526
2.8. Определение источников химического загрязнения воздуха.
Проведя анализ проб снега, взятых в разных местах нашего микрорайона,
я решил выяснить: что является источником химического загрязнения воздуха.
Я построил розу ветров, использовав данные о погоде с октября по март.
За этот период времени преобладал юго-западный ветер (61 день), 32 дня - северо-западный и 27 дней – юго-восточный. (Приложение № 2)
На карте города Омска я отметил самые крупные предприятия нефтеперерабатывающего и топливного комплекса. Оказалось, что предприятия и
вносят основной вклад в загрязнение воздуха.
Твёрдые частицы загрязняют снег преимущественно за счёт технического
фактора через осаждение пыли, золы, сажи, дыма. Источниками твёрдых веществ в г. Омске являются автомобильный транспорт и тепловые станции, работающие на угле и мазуте. В зимний период времени масса сжигаемого топлива данного вида достигает максимума, и твёрдые вещества в результате гравитационного осаждения загрязняют снег. Максимальное количество сажи в
образце снега во дворе школы объясняется близким расположение частного
сектора, использующего твердое топливо для отопления.
А самый запылённый снег – у автодороги, образующейся из выхлопных газов – продуктов сгорания топлива и распыляемой колёсами автомобилей почвы.
2.9. Социальный проект «Сохраним парк им. 30 лет ВЛКСМ»
Люди не могут жить без чистого воздуха, чистой воды, свежей зелени,
солнечных лучей, даже без общения со зверьками и птицами. Это наши земляки, мы вместе с ними живём на Земле. Природа наделила их самым удивительным, самым дорогим, что есть на Земле - Жизнью. Они чувствуют боль и ласку,
они по-своему радуются и огорчаются, они чего-то хотят и чего-то боятся. Они
живут. Живут не совсем, конечно, как мы с вами, но всё же живут. А всякая
жизнь требует внимания и уважения. Космонавты говорят, что Земля, если посмотреть на неё из космоса, не такая уж и большая. И вот на этой небольшой
Земле теплится жизнь. Какая же она драгоценная, эта жизнь! Каждая былинка,
каждая живая пылинка! А мы часто её не бережём. Весной мы собираем большие букеты голубых перелесок, которые вянут прежде, чем мы довезём их до
дома. Мы ломаем целые веники вербы с барашками, огромные охапки черёмухи. И вот уже вокруг городов не осталось больше голубых перелесок, черёмухи,
вербы. Наша школа № 56 расположена рядом со старейшим парком города –
им. 30 лет ВЛКСМ. Жители микроучастка школы проводят свободное время в
парке. Обучающиеся 6-х классов, в рамках изучения темы «Природные сообщества» курса биологии, подготовили листовки-плакаты, напоминающие о бережном отношении к природе. Мы поместили эти плакаты на информационных
стендах во дворах жилых домов.
527
Сохранение природы начинается с конкретных дел. Осенью обучающиеся
школы № 56 сохранили 33 дерева от вырубки: мы собрали более 2 т макулатуры (60 кг макулатуры сберегают 1 дерево).
Выводы:
1. Атмосферный воздух является жизненно важным компонентом окружающей среды. Его состояние зависит от выбросов загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу от транспорта и промышленных предприятий.
2. Качество (воздуха) снега в микрорайоне различно:
А) Цвет снега – светло-серый, слабый запах присутствует, органические
соединения (окисляемые углеводороды, фенол) не обнаружены, содержание
твердых частиц в пробе снега во внутреннем дворе школы – 3 г/л, в парке –
0,09 г/л.
Б) рН пробы снега во дворе школы -7.0, у дороги - 6.4, в парке - 7.4.
В) в пробах снега содержатся ионы: сульфаты, хлориды, железа, марганца.
3. Самый грязный снег во внутреннем дворе школы № 56, самый чистый в парке культуры им.30-лет ВЛКСМ.
4. Результаты работы были доведены до сведения жителей микрорайона:
лучше гулять в парке, а не во дворе дома.
5. Обучающиеся 6-х классов школы подготовили социальный проект
«Сохраним парк им. 30 лет ВЛКСМ»: на информационных стендах микроучастка школы разместили плакаты, напоминающие о необходимости бережного
отношения к природе.
6. Обучающиеся школы №56 сохранили 33 дерева от вырубки: собрали
более 2 т макулатуры (60 кг макулатуры сберегает 1 дерево).
Библиографический список
1 .Астанин Л. П. Охрана природы / Астанин Л. П., Благосклонов К. Н. –
М.: Колос 1984.
2. Гильманшина С.И., Мукамедшина Р. М. Пути интеграции химических
и валеологических знаний // Химия в школе. – 2002. № 8.
3.Демина Т. А. Экология, природопользование, охрана окружающей среды / Демина Т. А. – М.:Аспект-пресс, 1995.
4.Енякова Т. М. Внеклассная работа по химии. – М.: Дрофа, 2004.
5.Лозановская И.Н., Орлов Д.С., Садовникова Л.К. Экология и охрана
биосферы при химическом загрязнении. – М.: Высшая школа, 1998.
6. Сивоглазов В. И. Экология России / Сивоглазов В. И., Сухова Т. С. –
М.: Просвещение, 1998.
7. Химия и экология. 8 – 11 классы: материалы для проведения учебной и
внеурочной работы по экологическому воспитанию / сост. Фадеева Г. А. – Волгоград: Учитель, 2004.
528
8. Экологическое образование: концепции и технологии / Под ред. Глазачева С. Н. – Волгоград. – Перемена, 1996.
9. www.ru.european-lung-foundation.org/17466--.htm
10. ru.wikipedia.org/wiki/Загрязнение_атмосферы_Земли
11. www.krugosvet.ru/.
12. http://www.milkon-nt.ru/kachestvo_vody
Результаты анализа проб снега
№
Характеристика
1
Цвет снега
2
3
4
Цвет талой воды
Интенсивность запаха
Наличие углеводородной
пленки
Наличие окисляемых
органических соединений
Присутствие фенола
Наличие осадка, мутность
Содержание твердых частиц,
г/л
Плотность, г/см3
Читаемость текста, см
Светопропускание
рН
Электропроводность, мСм
Ионы SO42Ионы SO32Ионы ClИоны S2Ионы Zn2+
Ионы Pb2+
Ионы Мn2+
Ионы Fe3+
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
Во дворе
школы
Светлосерый
Светло-серая
Слабый
нет
Приложение 1
У дороги
В парке
серый
Светло-серый
Светло-серая
слабый
нет
Светло-серая
слабый
нет
нет
нет
нет
Нет
сажа, песок
3,1
Нет
Сажа, песок
0,3
нет
сажа
0,09
0,991
7.5
109
7.0
1.96
+
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
+
+
0,993
6
88
6.4
2.88
+
Нет
+
Нет
Нет
Нет
+
+
0,990
9.5
83
7.4
1.32
+
нет
нет
нет
нет
нет
+
+
529
Роза ветров (октябрь 2012 –апрель 2013)
и крупные предприятия города Омска
530
Приложение 2
Схема парка им. 30 лет ВЛКСМ
Хвойные: сосна, пихта, ель.
Лиственные: тополь, клён, ива, берёза, рябина.
531
Приложение 3
Приложение 4
Листовки – плакаты обучающихся 6-х классов школы № 56
(
532
533
534
535
536
Смирнова Екатерина, 8-1 кл. БОУ г. Омска «СОШ № 118»
Руководитель: Уткина Т. А., учитель химии
БОУ г. Омска «СОШ № 118»
ИССЛЕДОВАНИЕ ПУТЕЙ ПОПАДАНИЯ ИОНОВ АЛЮМИНИЯ
В ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА ЧЕРЕЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
АЛЮМИНИЕВОЙ ПОСУДЫ
Введение
Давно известен вред, который оказывают на человека тяжелые металлы:
ртуть, кадмий, свинец. Недавно был исследован считавшийся нетоксичным Аl,
и оказалось что и этот металл, не являющийся тяжелым, может оказывать вредное влияние на организм человека.
Алюминий попадет в организм человека в основном с водой. Из воды поступает 5-8% алюминия. В настоящее время в технологии подготовки питьевой
воды используют коагулянты на основе алюминия. Существуют также другие
источники попадания ионов алюминия в организм человека, которые на данный
момент изучены гораздо меньше. Считается, что алюминий может попасть в
организм человека также через воздух (вдыхание паров), косметические и пар537
фюмерные средства (помада, дезодоранты), лекарственные препараты, а также
через алюминиевую посуду, в которой готовится пища.
Еще лет тридцать тому назад некоторые медики не рекомендовали пользоваться алюминиевой посудой людям с заболеваниями желудочно-кишечного
тракта. В течение многих лет ходят слухи об алюминиевой посуде. Некоторые
люди считают, что алюминий токсичен, другие говорят о связи между алюминиевой посудой и болезнью Альцгеймера. Столовые приборы из алюминия в
школах и детских садах категорически запрещены (п. 2.10.8 СанПиН 2.4.1.124903, п. 4.12 СанПиН 2.4.5.2409-08).
Актуальность исследования: мы сами дома часто пользуемся алюминиевой посудой и не видим в ней, какой – либо опасности. Действительно ли
использование алюминиевой посуды опасно для нашего здоровья?
В связи с этим объектом исследования являются ионы металла: Al3+.
Предмет исследования: алюминиевая посуда
Цель исследования: исследовать возможные пути попадания ионов алюминия в организм человека через использование в быту алюминиевой посуды.
В соответствии с целью были поставлены задачи:
• Теоретическим путем изучить химические свойства алюминия.
• Изучить влияние и возможное негативное воздействие на живой организм ионов Al3+.
• Определить рН среды различных видов пищи, которую готовят в алюминиевой посуде.
• С помощью качественного анализа растворов исследовать их на наличие ионов Al3+.
• На основе проведенных исследований сделать вывод о пользе или вреде алюминиевой посуды и дать рекомендации по её правильному использованию.
Для того чтобы достигнуть цели нашей работы были использованы следующие методы: анкетирование, наблюдение, сравнение, анализ, эксперимент.
Практическая значимость работы заключается в том, что наработанный
материал может быть использован для проведения классных часов, внеклассных занятий по химии и биологии.
Структура работы. Исследовательская работа состоит из введения, 2
глав, заключения, списка используемой литературы.
Глава 1. Теоретические аспекты
1.1. Свойства алюминия
Физические свойства алюминия:
Алюминий – лёгкий, серебристо-белый, пластичный металл, хорошо проводит электрический ток и тепло. Температура плавления равна 660оС. Природный алюминий состоит из одного изотопа 27 Аl13
538
Химические свойства:
Алюминий – металл. На внешнем электронном слое у атома алюминия
три электрона в состоянии …3s23р1. В реакциях алюминий отдаёт эти электроны и превращается в положительно заряженный ион Al3+. Алюминий – сильный
восстановитель, он находится в левой части электрохимического ряда напряжений металлов. Алюминий реагирует со многими простыми и сложными веществами.
Взаимодействия алюминия с простыми веществами
Алюминий легко соединяется с кислородом при комнатной температуре,
при этом на поверхности алюминия образуется оксидная плёнка (слой Al2O3).
Эта плёнка очень тонкая (~ 10-5 мм), но прочная. Она защищает алюминий от
дальнейшего окисления, поэтому называется защитной плёнкой:
4Al + 3O2 = 2Al2O3
Взаимодействие алюминия со сложными веществами
Если с поверхности алюминия удалить оксидную пленку, то он активно
взаимодействует с водой:
2Al + 6Н2О = 2Al(ОН)3 + 3Н2
Взаимодействие с разбавленными кислотами (НCl, H2SO4) алюминий выделяет Н2:
2Al +6HCl=2AlCl3 +3Н2
2Al + 3Н2SO4 = Al 2(SO4)3 +3Н2
Взаимодействие алюминия со щелочами.
Алюминий, как металл, образующий амфотерный оксид и гидроксид,
взаимодействует с растворами щелочей.
2Al + 2 NaOH + 2 H2O = 2NaAlO2 + 3H2
Соединения алюминия
Оксид алюминияAl2O3 – белое твердое вещество, не растворяется в воде,
температура плавления 2050С. Оксид алюминия проявляет амфотерные свойства и взаимодействует с кислотами и основаниями:
Al2O3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O
Al2O3 + 2NaOH = 2NaAlO2 + H2O
1.2. Применение в быту алюминия и его солей, влияния алюминия на
организм человека.
Лёгкость алюминия и его сплавов и большая устойчивость по отношению
к воздуху и воде обусловливают их применение в машиностроении, авиастроении, судостроении, быту.
Некоторые соли алюминия применяют в медицине для лечения кожных
заболеваний: KAl (SO4)2 12H2O – алюмокалиевые квасцы: (CH3COO4)3Al- ацетат алюминия. Оксид алюминия Al2O3 используется в качестве адсорбента в
539
хроматографии. Хлорид алюминия AlCl3 применяется в качестве катализатора в
органической химии. Сульфат алюминия Al2(SO4)3 18H2O используется для
очистки воды.
Бытовало мнение, что алюминий инертен, так как он защищен оксидной
пленкой, и поэтому не оказывает вредного влияния на здоровье человека. Алюминий действительно выполняет в живом организме важную биологическую
роль: принимает участие в построении эпителиальной и соединительной тканей, участвует в процессе регенерации костной ткани, оказывает активирующее
или ингибирующее действие на реакционную способность пищеварительных
ферментов (в зависимости от концентрации в организме), участвует в обмене
фосфора.
Более 30 лет назад определили, что так называемый пищевой алюминий
опасен для нашего здоровья. Московский институт гигиены подтвердил выводы о небезопасности алюминия. Оказывается, он изменяет энергообмен в клетках. Последние, в результате, теряют способность к нормальному размножению, и начинают делиться хаотично, порождая опухоли.
Алюминий обладает способностью к накоплению в организме, вызывая
ряд тяжёлых заболеваний. Медики обнаруживают всё новые негативные последствия контактов с ним. Установлено, что алюминий отрицательно влияет
на обмен веществ, особенно минеральный, на функцию нервной системы, воздействует на размножение и рост клеток. К важнейшим клиническим проявлениям нейротоксического действия относят нарушения двигательной активности, судороги, снижение или потерю памяти, психопатические реакции. Избыток солей алюминия снижает задержку кальция в организме, уменьшает адсорбцию фосфора, одновременно в 10-20 раз увеличивается содержание алюминия в костях, печени, мозге и в паращитовидной железе. Избыток алюминия
тормозит синтез гемоглобина, вызывает флюороз зубов и специфическое повреждение костей (костный флюороз); может вызвать или усилить новообразования костей. Физическими признаками отравления алюминием могут быть
ломкие кости или остеопороз, нарушение почечной функции.
Особенно склонны к негативному воздействию алюминия дети и пожилые люди.
У детей избыток алюминия вызывает повышенную возбудимость, нарушения моторных реакций, анемию, головные боли, заболевание почек, печени,
колиты. Гиперактивность, повышенная возбудимость, агрессивность подростков, нарушения памяти и трудности в учёбе, могут быть результатом даже небольшого повышения количества ионов алюминия в организме. Алюминий
также оказывает общее отравляющее и засоряющее действие на организм человека.
540
Алюминий обнаружен у некоторых пожилых людей, страдающих потерей
памяти, рассеянностью или слабоумием, и может приводить к деградации личности. В некоторых исследованиях алюминий связывают с поражениями мозга,
характерными для болезни Альцгеймера (в волосах больных наблюдается повышенное содержание алюминия).
Одним из путей попадания алюминия в организм человека является алюминиевая посуда.
1.3. Промышленное производство алюминиевой посуды, возможности ее применения в быту и в общепите.
Алюминий и его сплавы в производстве посуды используются совсем недолго, меньше 100 лет, в отличие от меди, бронзы, золота, серебра и железа, известных уже несколько тысячелетий. Алюминий хорошо проводит тепло, поэтому пища в таких кастрюлях готовится очень быстро. Ассортимент посуды из
алюминия весьма разнообразен: толстостенные литые гусятницы, казаны, сковороды и кастрюли. Вспомогательные кухонные предметы: дуршлаги, вилки,
ложки, фляги, миски.
Когда-то ее производили в больших количествах, так как ее себестоимость в промышленном масштабе была невысока. Однако, после того как учеными были установлены негативные воздействия алюминия на организм человека, во многих странах мира отказались от производства посуды из алюминия.
Но в России есть предприятия, на которых по-прежнему выпускается алюминиевая посуда: это Балезинский литейно-механический завод, Белгородецкий
завод металлоизделий, Каменск-уральский металлургический завод, Кукнарский завод металлопосуды, Ступинский металлургический комбинат и другие.
То есть такая посуда используется хозяйками на кухнях.
Ионы алюминия могут попасть в организм человека через посуду. Вопервых, это металл нежный, он легко соскребается со стенок посуды. Мы съели
уже немало алюминиевой стружки. Когда тщательно вытираешь полотенцем
алюминиевую кастрюльку, на нем остаются серые пятна. Можно себе представить, сколько ионов алюминия мы получаем, когда такая кастрюлька сильно
нагревается при приготовлении! То есть, очевидно, что алюминий попадет в
организм через пищу, приготовленную в такой посуде.
Специалисты, занимающиеся испытанием и сертификацией посуды, в том
числе и алюминиевой, советуют ее использовать только для кипячения воды —
все остальные вещества при высокой температуре провоцируют в алюминиевой
посуде активную реакцию.
Недаром, алюминиевая посуда запрещена для использования в детских
учреждениях общепита. Так, в постановлении Главного государственного санитарного врача РФ от 23 июля 2008 г. № 45 "Об утверждении СанПиН
541
2.4.5.2409-08" говорится: 4.12. Не допускается использование кухонной и столовой посуды деформированной, с отбитыми краями, трещинами, сколами, с
поврежденной эмалью; столовые приборы из алюминия; разделочные доски из
пластмассы и прессованной фанеры; разделочные доски и мелкий деревянный
инвентаря с трещинами и механическими повреждениями.
Кроме того, в быту в нашей стране широко используется упаковка на основе алюминия (пищевая фольга, а также широко разрекламированный «ТетраПак» (бумажные пакеты на основе алюминиевой фольги). В то же время, во
всех развитых странах считают, что единственный экологически чистый вид
упаковки для молочных продуктов - стеклянная бутылка, которая позволяет сохранить все ценные свойства напитков. По заявлениям учёных, алюминиевосодержащая тара негодна для хранения большинства продуктов, особенно круп,
соли и сахара: мягкий металл остаётся на твёрдой поверхности, и переходит в
пищу. При хранении или тепловой обработке продуктов, особенно кислых, в
алюминиевой таре, содержание этого элемента в продуктах может возрасти
почти в два раза.
Алюминий также может быть выщелочен из алюминиевой фольги или
консервной банки в пищу, напитки. Главные «виновники» – содовая вода (с
фосфорной кислотой), томатный соус, ананасы, кофе в алюминиевых банках, и
еда, завёрнутая в алюминиевую фольгу. Томатный соус часто готовят в огромных алюминиевых котлах, и кислотность томатов может вызвать выщелачивание алюминия в готовый продукт. Кофе, который готовят в алюминиевых котлах, также может быть токсичным.
Глава 2. Экспериментальное исследование по определению ионов
алюминия.
2.1. Социологический опрос
Далее мы решили выяснить, почему хозяйки используют алюминиевую
посуду: не знают о ее вреде или не считают эту информацию существенной?
Для ответа на этот вопрос исследования нами был проведён социологический
опрос среди учителей и родителей нашей школы об использовании алюминиевой посуды в быту, который включал следующие вопросы:
• Какую посуду вы используете дома?
• Можно ли использовать алюминиевую посуду?
• Знаете ли вы, какую пищу можно готовить в алюминиевой посуде, без
вреда организму человека?
• Можно ли в алюминиевой посуде готовить молочную кашу?
• Можно ли в алюминиевой посуде варить морс, компот, борщ?
• Знаете ли вы, что алюминиевая посуда запрещена к использованию в
детских садах, школах?
542
Выводы по результатам социологического опроса
• При проведении социологического опроса 20% респондентов ответили,
что используют алюминиевую посуду для приготовления пищи.
• 40 % не знает о вреде, который может быть нанесен организму человека, если он использует алюминиевую посуду для приготовления пищи.
• 35 % респондентов не знает, какую пищу можно готовить в алюминиевой посуде, чтобы не нанести вреда здоровью.
• 25% респондентов думают, что молочную кашу и другие молочные
блюда можно готовить в алюминиевой посуде, а 35% считают, что она пригодна для приготовления борща, морсов, киселей.
• Кроме того 60% респондентов не знают, что алюминиевая посуда запрещена к использованию в детских садах, школах.
На основании социологического опроса нами был сделан вывод, что
население недостаточно информировано о вреде, который алюминиевая посуда
может нанести здоровью человека при неправильном её использовании.
2.2. Химические исследования по определению ионов алюминия.
Опыт№1. Исследование взаимодействия алюминия с растворами кислот
и оснований.
Нами были проведены опыты взаимодействия алюминия с раствором соляной кислоты и раствором гидроксида натрия. В обоих случаях наблюдали
выделение Н2, а поэтому пришли к выводу, что алюминий особый металл, который взаимодействует и с кислотами и с основаниями, то есть проявляет свойства переходного элемента.
Опыт № 2. Определение среды распространенных пищевых блюд.
Нами были проверены наиболее распространенные блюда, которые готовят в школьной столовой индикаторами и была определена среда этих блюд.
№ п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
Блюда
Рисовая каша
Гречневая каша
Картофельное пюре
Борщ
Рассольник
Гуляш
Печень
Компот из кураги
Среда
Щелочная
Щелочная
Щелочная
Кислая
Кислая
Кислая
Кислая
Кислая
Вывод: Нами было обнаружено, что различные блюда имеют различную
среду растворов: молочные каши имеют щелочную среду, мясные блюда, приготовленные с добавлением томатного соуса – кислую среду, все компоты и
морсы имеют кислую среду.
543
Опыт № 3. В алюминиевой посуде проведено кипячение чистой воды в
течение 15 минут. Затем остудили раствор и проверили его на наличие ионов
алюминия раствором гидроксида натрия.
Наблюдения: Никаких изменений в пробе воды, которая кипятилась в
алюминиевой посуде, не наблюдали и ионов алюминия не обнаружили.
Опыт № 4. В алюминиевой посуде проведено кипячение раствора соляной кислоты с концентрацией 0,01 моль/л в течение 15 мин. Затем остудили
раствор и проверили его на наличие ионов алюминия раствором гидроксида натрия.
Наблюдения: в пробе воды с добавлением соляной кислоты, которая кипятилась в алюминиевой посуде, при добавлении раствора гидроксида натрия
наблюдалось выделение светлого студенистого осадка, а значит, в растворе
присутствуют ионы алюминия.
Опыт № 5. В алюминиевой посуде проведено кипячение раствора гидроксида натрия с концентрацией 0,01 моль/л в течении 15 мин. Затем остудили
раствор и проверили его на наличие ионов алюминия раствором соляной кислоты с концентрацией 0,001 моль/л.
Наблюдения: в пробе воды с добавлением гидроксида натрия, которая
кипятилась в алюминиевой посуде, при добавлении раствора соляной кислоты
наблюдалось выделение светлого студенистого осадка, а значит, в растворе
присутствуют ионы алюминия.
Вывод: слабокислая среда раствора и слабощелочная среда раствора способствует незначительному переходу ионов алюминия в раствор.
Опыт № 6. В алюминиевую посуду, взятую для исследований, налили
дистиллированную воду и оставили на 10 суток. Затем проверили воду на наличие ионов алюминия, добавляя раствор гидроксида натрия.
Наблюдения: В пробе воды, взятой из алюминиевой посуды, при добавлении раствора гидроксида натрия, наблюдали выпадение слабого светлого
студенистого осадка.
Вывод: при нахождении в контакте с алюминиевой посудой длительное
время, вода также насыщается ионами алюминия. Интенсивность перехода ионов в раствор, отраженная в данном опыте, говорит о том, что хранение продуктов в металлической посуде небезопасно с точки зрения насыщения их ионами алюминия.
Заключение
Алюминий не любит контакта с кислотами и щелочами. Потому, что кислоты и щелочи, содержащиеся в продуктах, защитную пленку все-таки разрушают, и тогда металл переходит в пищу. Но щи, компоты как раз и есть такие
реактивы, которые имеют, кислую среду, а молоко имеет щелочную реакцию. В
544
результате в наши блюда со стенок кастрюль переходят соединения, не предусмотренные кулинарными рецептами. Нельзя хранить продукты, содержащие
серу, кальций (яйца, молочные продукты, рассолы) в алюминиевой посуде.
• Соцопрос населения показал, что многие люди не знают, либо не придают особого значения тому, что алюминиевая посуда не безопасна для использования на кухне и по-прежнему используют её для приготовления пищи.
• Опытным путем подтверждена небезопасность алюминиевой посуды,
потому что при приготовлении пищи в ней ионы алюминия переходят в пищу.
• Наиболее интенсивный переход наблюдается, когда готовят пищу,
имеющую кислую или щелочную среду.
• Наиболее опасно приготовление в алюминиевой посуде молочных
блюд и блюд с добавлением молока, имеющих слабощелочную среду, а также
овощных и фруктовых блюд, имеющих слабокислую среду. При кипячении
чистой воды перехода ионов в раствор практически не наблюдается, так как вода имеет нейтральную среду.
• Алюминиевая посуда непригодна для хранения пищевых продуктов и
воды, так как при долгом хранении наблюдается переход ионов алюминия в
раствор.
Библиографический список
1. Культура питания: Энциклопедический справочник/ Под ред. И.А. Чаховского. - Минск Белорусская литература,1993.-с.550.
2. Научно-методический журнал « Химия в школе»1999г №1,3,4; 2000 г
№ 1,5.
3. Пищевые добавки. Организм человека: Универсальный иллюстрированный справочник для всей семьи.- М: Маршалл Кавердиш,2004.-(серия «Древо познания»)
4. Свободная энциклопедия «Википедия»/ http://ru.wikipedia.org/
5. «Популярная библиотека химических элементов» / http://nt.ru/ri/ps/pb013.htm
6. А.Дроздов «Алюминий. 13-й элемент» (энциклопедия) //Москва, «Библиотека «РУСАЛа», 2007г.
7. М.Бойко «Элемент с несчастливым номером, но счастливой судьбой» //
НГ Ex Libris, 2008г.
545
Приложение 1
Приложение 2
546
Приложение 3
Переходный элемент
Приложение 4
Вода
547
Приложение 5
Соляная кислота
548
Приложение 6
Гидроксид натрия
549
Антоненко Анна, 10 хим-био кл., БОУ г. Омска «Лицей № 66»
Руководитель: Яринская Л. Г., учитель химии
БОУ г. Омска «Лицей № 66»
ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО И МЕТАЛЛОСОДЕРЖАЩЕГО
ПОКРЫТИЯ В ШКОЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИИ
Введение.
Пиролиз солей имеет большое практическое значение.
Пиролиз - это термическое разложение органических и многих неорганических соединений. В общем смысле его понимают как разложение любых соединений на составляющие менее тяжелые молекулы, или элементы под действием повышенной температуры.
С его помощью на производствах среднего машиностроения, имеющих
узкую специализацию, делают огромное количество необходимых для жизни
вещей (об этом речь пойдет чуть позже). Это заводы КамАЗ, ГАЗ, Челябинский
тракторный завод и др.
В лаборатории этот процесс можно использовать для получения оксидов,
кетонов, альдегидов (при не очень высокой температуре), нитритов и некоторых других веществ. Ещё одним важным применением пиролиза является получение металлов из солей некоторых кислот. Причём металл выделяется в виде мелкодисперсного порошка или тонкого покрытия.
В настоящее время металлические покрытия имеют очень широкий
спектр применения. Их чаще используют в приборостроении и машиностроении. Вот несколько примеров использования металлических покрытий:
• Цинково-алюминиевое антикоррозионное покрытие. На заводе металлический кузов погружают в ванну, в которой находится расплавленный цинк,
и на его поверхности образуется слой прочного ферро-цинкового сплава. В основном слой наносится на часто пачкающиеся места: дверные ручки, корпуса
стеклоочистителей и зеркал, детали отделки салона и кузова и др.
• В ДПИ (декоративно-прикладное искусство) активно используют золочение и серебрение. Это придает изделиям блеск, отражение и прочность.
• Хромирование. Еще один процесс, связанный с производством автомобилей. Хромированные диски очень популярны в странах Североамериканского
континента. Процесс обеспечивает большую твердость, износоустойчивость,
жаростойкость, высокую отражательную способность, значительную коррозионную стойкость.
• Лужение. применяют для защиты изделий от коррозии в органических
кислотах, содержащихся в пищевых продуктах; значительное количество олова
расходуется на изготовление консервной жести. Покрытия улучшают электро550
проводность и облегчают пайку контактов. Лужение производят в кислых,
а также щелочных электролитах.
Однако промышленный способ получения этих покрытий достаточно
технически сложен.
Чаще всего это гальванопластика.
Гальванический метод - это электроосаждение металла из раствора его
соли на поверхность полимера, являющуюся катодом. Для придания поверхности электропроводности на полимер предварительно наносят металлическое
покрытие. Для увеличения толщины металлического покрытия изделие последовательно погружают в растворы электролитов с возрастающей концентрацией соли. Толщина покрытия 0,2 - 0,3 мкм.
Основное ее преимущество перед другими методами - высокая точность
воспроизведения микро- и макрогеометрии рельефа.
Но для изготовления несложных по форме деталей нужен метод проще.
[ Куниянц И. Л., Зефиров Н. С. Химическая энциклопедия. – Москва.: Советская энциклопедия, 1988 – 1999 гг. ]
Цель работы: получение металлического покрытия альтернативным способом.
Наши задачи:
• Разработать способ получения металлических покрытий.
• Получить порошок и покрытие из меди.
• Исследовать их свойства, имеющие значение для практического применения.
Ход работы
2.1 Подготовка к химическому эксперименту.
Описание эксперимента.
Для получения солей мы используем уксусную и муравьиную кислоты.
Источником металла является малахит (карбонат гидроксомеди).
Для получения солей мы насыпаем малахит в чистые термостойкие колбы. В эти колбы приливаем соответственно уксусную и муравьиную кислоты, и
ставим на плитку.
Непрореагировавший малахит останется на дне колбы, а продукт реакции
будет находиться в растворе. Эту операцию проделываем несколько раз для получения нужного объема солей. Для полного растворения соли кислоту необходимо разбавить. Растворы оставляем в открытой посуде для выпадения кристаллов солей. Через это время соли кристаллизовались.
2.2 Опыты
Мы проведем несколько опытов получения и дальнейшего изучения
свойств покрытия.
551
Опыт 1. «Энергосберегающее стекло»
Кристаллы ацетата меди(2) мы просушили и растерли до порошка. Одновременно с этим мы разогрели пробирку(1) с поваренной солью примерно до
400°C, хлорид натрия нужен для замедления остывания. Порошок насыпаем в
химический стакан небольших размеров, медленно прогреваем его на электрической плитке примерно до 250-270°C и опускаем туда пробирку(1). Когда порошок начал плавится, а затем испаряться, на пробирке стал виден небольшой
налет темно-коричневого цвета – это и есть медное металлическое покрытие.
Фотография 1 и видеозапись 2
2(CH3COO)2Cu ==> 2Cu + CO2 + C + 3CH3COOH
Из-за небольшой толщины покрытие прозрачно.
Остудив меднёную пробирку(1) с покрытием и высыпав из нее поваренную соль, мы взяли другую чистую пробирку(2), и для сравнения налили в обе
одинаковое количество горячей воды. После остывания эталонной пробирки
приблизительно на 10°C остывание меднёной пробирки оказалось меньше
на 2°C.
Как результат было получено покрытие, удерживающее тепло.
Фотография 2 и видеозапись 3
Опыт 2. «Энергосберегающая ткань с бактерицидными свойствами»
1)Раствором формиата меди, который остался после кристаллизации в посуде, мы пропитали листок бумаги. Немного просушили и положили на электрическую плитку; бумага приобрела коричнево-бронзовый цвет. Бронзовый
оттенок дала образовавшаяся медь. Видеозапись 4, фотографии 3, 4
Мы получили результат, аналогичный опыту 1, а именно: из двух чистых
пробирок, одна из которых обернута меднёной бумагой, а другая — чистой, тепло лучше сохранила первая. Фотография 5
Сохранение тепла – актуальная сегодня задача. Ткани, содержащие медь,
удерживают тепло, а значит, их можно использовать как компонент утепляющих материалов в строительстве и производстве верхней одежды.
2) Плесень, выращенная на хлебе, перестала размножаться после того, как
мы ее поместили на бумажку с солью, и начала исчезать (Фотография 6,7)
Ткани, пропитанные солями меди, можно использовать в борьбе с плесенью и гнилью в местах с влажным климатом, причем для этого не требуются
специальные знания. [ https://mirtepla.wordpress.com/2012/07/07/narodnyesposoby-borby-s-plesenyu/ ]
Опыт 3. «Компонент красок и материалов»
Для этого опыта нам понадобился полистирол в виде кусочка потолочного плинтуса и ацетон как растворитель.
552
1)Красящий компонент краски – порошок меди, который надо получить.
Порошок формиата насыпаем в пробирку и разогреваем до полного изменения
окраски. Медь образовалась в виде мелкого порошка. В качестве побочного
продукта внутри пробирки образовалось прозрачное медное покрытие. Видеозапись 5 и фотография 8
Полученный порошок мы смешали с разведенным полистиролом. Получилась вязкая жидкость медно-коричневого цвета (цвета порошка меди). Фотографии 9,10
Краски подобных цветов активно используются в декорировании фасадов
зданий, домашней мебели и гарнитуров, а также обладают энергосберегающими свойствами.
Выводы
Проведённые исследования позволяют сделать следующие выводы:
Получение медных покрытий и мелкодисперсного порошка меди в
школьной лаборатории возможно.
В ходе опытов мы получили тонкие покрытия и порошки меди и изучили
их практически полезные свойства:
• образовывать покрытия, сокращающие теплопотери;
• проявлять бактерицидные и антигрибковые свойства;
• являться компонентом красок и материалов, сохраняющих тепло.
Заключение
В перспективе планируем совершенствовать технологию изготовления
покрытий и изучать новые сферы их применения.
Выражаем особую благодарность выпускнику БОУ г. Омска «Лицей
№ 66» сейчас студенту физического факультета ОмГУ Жижину Аркадию Алексеевичу за консультативную помощь в работе.
Библиографический список
1. Куниянц И. Л., Зефиров Н. С. Химическая энциклопедия. – Москва.:
Советская энциклопедия, 1988 – 1999 гг.
2.
https://mirtepla.wordpress.com/2012/07/07/narodnye-sposoby-borby-splesenyu/
553
СЕКЦИЯ 3. ФИЗИКА
Сидорова Мария, 8 кл., МОУ «Старошайговская СОШ № 2»
Старошайговского района Республики Мордовия.
Руководитель: Демкин Н.П., учитель физики и информатики
МОУ «Старошайговская СОШ № 2» Старошайговского района
Республики Мордовия
А МНЕ ЛЕТАТЬ ОХОТА
История воздушных змеев
Воздушный змей – первый летательный
аппарат, который изобрели люди. Сведения о
нем можно найти в древних китайских и
японских рукописях с подробными описаниями и рисунками; возраст этих рукописей
более 4000 лет.
Воздушным змеям придавали вид бабочек, рыб, жуков и пр., но самой излюбленной фигурой был дракон – сказочный
крылатый огнедышащий змей, который считался в Китае символом власти и
благополучия. Такие воздушные змеи с привязанными к ним цветными фонариками и ракетами были и остаются обязательной принадлежностью китайских
народных праздников и гуляний. Во всех регионах Китая до сих пор празднуют
День змея; этот День «перерос» в Международный фестиваль. Негласной столицей воздушных змеев стал город Вайфанг провинции Шаньдунь.
В Европе воздушные змеи появились значительно позже. Историки считают изобретением воздушного змея древнегреческого мыслителя Архитеса
Тарентского, жившего в IV в. до н. э. Древнерусская летопись гласит, что в
906 г. Киевский князь Олег при осаде Царьграда (Константинополя) использовал устрашения неприятеля поднятых в воздух коней и людей бумажных, вооруженных и позлащенных, т. е. фигурных воздушных змеев.
Во второй половине XVIII века воздушные змеи стали применять в научных целях. Так, М. В. Ломоносов изучал с их помощью атмосферное электричество. В 1749 году в Англии ученый А. Вильсон поднял на воздушном змее в
атмосферу термометр, чтобы определить температуру воздуха на высоте. В
1752 году известный американский физик и общественный деятель Б. Франклин с помощью воздушного змея доказал электрическую природу молнии.
В Европе точное и подробное описание этого летательного аппарата появилось в XIV веке. Итальянский путешественник Марко Поло (1254-1324), про554
живший в Китае 17 лет, дал его в своей работе. Любопытны старинные записи о
первых практических применениях воздушных змеев. В одной из них говорится,
что в девятом веке византийцы якобы поднимали на воздушном змее воина, который с высоты бросал в неприятельский стан зажигательные вещества.
Первый удачный «европейский» полет на змее датируют 1790 годом. Тогда англичанин Дансетт на плоской конструкции площадью 50 квадратных
метров поднял на высоту 90 метров некую даму. В 1856 году моряк Ж.-М. ле
Бре построил воздушный змей в виде огромной птицы, размах крыльев достигал почти 15 метров, а длина корпуса, в котором лежал пилот, - 4 метра. Угол
атаки крыльев (их наклон) пилот мог изменять с помощью проволочных тяг. На
этом аппарате Ле Бре поднимался на высоту более 50 метров.
Воздушный змей применяли в научных экспериментах И. Ньютон,
Г. В. Рихман, Л. Эйлер и другие ученые. В 1804 году благодаря воздушному
змею Д. Кейли сумел сформулировать основные законы аэродинамики.
В 1825 году был осуществлен первый полет человека на змее. Это сделал
английский ученый Д. Покок, подняв на змее на высоту нескольких десятков
метров свою дочь Марту.
Воздушный змей сыграл большую роль и в создании первых образцов самолетов, в частности биплана. В 1873 году, разрабатывая конструкцию первого в
мире самолета, А.Ф. Можайский проверил на змее возможность полета человека
на крыльях. Он летал на воздушном змее, буксируемом тройкой лошадей. А
француз К. Адер перед постройкой своей машины «Эола» провел испытания воздушного змея, который имел форму крыльев летучей мыши, сохранившуюся и у
его самолета. Форма бипланного крыла планера была заимствована американцем
О. Чэнютом, а затем братьями Райт у коробчатого змея Харграва.
Наш соотечественник изобретатель А. Ф. Можайский, работая над созданием самолета, совершил несколько полетов на большом воздушном змеепланере, буксируемом лошадьми; он проверял правильность своих предварительных расчетов о размерах будущего самолета, его массе, скорости полета и
необходимой мощности.
С 1894 года воздушные змеи начали систематически применять для изучения верхних слоев атмосферы. При помощи змеев поднимали на высоту
до 3 – 4 км самопишущие приборы, которые отмечали скорость ветра, температуру воздуха, атмосферное давление. В России такие работы начались в 1897
году в Павловской магнито - метеорологической обсерватории, где было организовано специальное «змейковое отделение», затем в Кучине, в аэродинамической лаборатории. Изобретатель радио А. С. Попов использовал воздушный
змей для подъема антенны. Проводились с помощью фотографических аппаратов, подвешенных к воздушным змеям, и аэросъемки местности.
555
В 1905-1910 годах на вооружении русской армии состоял змей оригинальной конструкции, созданный Сергеем Ульяниным. Целые взводы змеенавтов входили в состав как сухопутных, так и военно-морских частей, в том числе
Черноморского флота.
Во время первой мировой войны войска различных стран применяли для
наблюдательных постов привязанные воздушные шары, высота которых, в зависимости от условий боя, достигала 200 метров. Они давали возможность наблюдать расположение противника в глубь фронта и через телефонную связь
направлять огонь артиллерии. Когда же ветер становился слишком сильным,
вместо воздушных шаров применяли коробчатые змеи. В зависимости от силы
ветра составлялся поезд из пятидесяти больших коробчатых змеев, которые
прикрепляли к тросу на определенном расстоянии друг от друга на длинных
проволоках. У этого змея есть своя боевая история. В 1899 году на учениях Киевского военного округа кто-то догадался связать несколько коробчатых змеев
и с помощью лебедки поднялся в воздух. Подъемная сила их была настолько
велика, что в небольшой плетеной корзинке разместился офицер и с высоты наблюдал за маневрами. Опыт не пропал даром. При сильном, но довольно равномерном ветре, наблюдатель поднимался в корзине на высоту до 800 метров.
Такой способ наблюдения имел то преимущество, что он позволял подойти
ближе к передовым позициям противника. Воздушные змеи не так легко расстреливались, как воздушные шары, представлявшие собой большую мишень.
Кроме того, выход из строя отдельного змея отражался на высоте подъема наблюдателя, но не вызывал падения.
Воздушные змеи во время первой мировой войны использовали также для
защиты важных объектов от падения самолетов противника путем устройства
заграждений, состоявших из маленьких привязанных воздушных шаров и воздушных змеев, поднимавшихся до высоты 3000 метров. С шаров и змеев спускались проволочные тросы, которые создавали для самолетов противника
большую опасность.
В 1931 году на Всесоюзных соревнованиях авиамоделистов в Москве поезд из воздушных змеев, построенных киевскими авиамоделистами, поднял на
высоту 10-15 метров некоторых участников соревнований.
Конечно, сегодня это только история. Но на международных фестивалях
соревнованиях до сих пор проводят показательные запуски воздушных змейковых поездов и даже соревнования – у кого поезд длиннее. А в полете они очень
красивы, летают порой по причудливой траектории. Ведь на высоте ветер дует
с разными скоростями.
В суровые годы Великой Отечественной войны воздушные змеи выполняли роль «воздушных агитаторов». Для этого использовались коробчатые воз556
душные змеи с почтальоном. Испытанные в воздухе «воздушные агитаторы»
рассылались по различным частям фронта, где планомерно выполняли свою
работу. С их помощью удавалось за сутки забросить в расположение оккупантов по 30 тысяч листовок, в которых гневно разоблачался фашизм.
За успешное применение воздушных змеев в расположении войск противника весной 1943 года А. Ф. Григоренко наградили орденом Красной Звезды. Позднее он был награжден вторым орденом Красной звезды. А. Ф. Григоренко довелось проектировать и строить змей, способный поднять в воздух репродуктор для радиовещания с воздуха. На фронте применялся только огромный плоский змей, построенный Ю.Громовым. Этот аппарат, поднявшись в
воздух, доставлял бойцам боеприпасы, пищу, все необходимое для борьбы с
фашистами.
В наши дни эти «летательные аппараты» применяют главным образом в
авиамоделизме, при катании на лыжах, коньках и лодках в качестве паруса, а
также на международных специализированных фестивалях.
Исследовательская группа Дельфтского технологического университета
(Нидерланды) предложила использовать для генерирования экологически чистой электрической энергии не стационарные ветрогенераторы, а воздушные
змеи.
Использование змеев позволяет использовать более мощные высотные
воздушные потоки. Одиночный воздушный змей площадью 10 кв.м, поднятый
на высоту около 800 м, способен генерировать до 10 кВт электроэнергии.
Стоимость такой энергии благодаря отсутствию таких капитальных сооружений, как высокая башня традиционного ветрогенератора, обходится существенно дешевле. Разработчики полагают, что она будет сопоставима со
стоимостью электроэнергии, вырабатываемой на теплоэлектростанциях и окажется в 2 раза меньше, чем стоимость электроэнергии, вырабатываемой современными ветряками. В настоящее время ведется работа над проектом “змеевой” ветроэлектростанции мощностью 100 МВт.
Швейцарские конструкторы из компании Empa испытали новую конструкцию надувных воздушных змеев. Изобретатели использовали надувные пластиковые трубы, усиленные обвивающим их тросом и дополнительной распоркой. Новые змеи смогут поднимать до 100 кг при массе самого крыла в 2,5 кг.
Теория вопроса
Почему летает змей? Воздух, который движется (ветер), давит на находящиеся в нем тела. Когда воздух неподвижен, а в нем быстро перемещается
тело, то воздух также производит на тело давление, противодействующее его
движению. Это противодействие принято называть сопротивлением, точнее:
силой лобового сопротивления. Для того чтобы преодолеть противодействие,
557
необходимо приложить силу, равную силе лобового сопротивления по величине и противоположную ей по направлению.
Возникновение лобового сопротивления в основном объясняется разностью давлений воздуха перед телом и позади него (рис. 1), а также трением воздуха о поверхность тела. При обтекании пластинки впереди нее образуется как
бы преграда в виде зоны воздуха с повышенным давлением, которая «Вынуждает» набегающие струйки воздуха заранее расступаться перед телом. Сзади
тела струйки воздуха не успевают смыкаться, и там возникает зона с пониженным давлением, заполненная вихрями.
Рис. 1
Рис. 2
Лобовое сопротивление зависит от площади наибольшего поперечного
сечения тела, перпендикулярного потоку, скорости относительного движения и
формы тела.
Если пластинка перпендикулярна потоку воздуха, то ее обтекание симметрично и сила лобового сопротивления направлена против движения. Если
же пластинку немного наклонить к направлению потока (рис. 2), она начнет
«вырываться» вверх.
Объясняется это тем, что обтекание в данном случае несимметрично,
скорости струек воздуха вверху и внизу пластинки неодинаковы; давления воздуха под и над ней также разные: снизу больше. Вследствие этого возникает
подъемная сила, которая действует под углом к направлению потока воздуха.
Она зависит от наклона пластинки, т. е. от угла между
направлением потока и плоскостью пластинки; этот
угол называется углом атаки.
Классификация воздушных змеев
По форме и устройству аэродинамических поверхностей различают:
• Одноплоскостные - простейшие конструкции.
Самые простые в изготовлении – это плоские воздушные змеи. Они широко распространены в детском техническом творчестве. Его
основу составляют продольная и поперечная рейки. Обтяжка змея изготовляет558
ся из бумаги или легкой ткани. Уздечка делается из прочной нити. Для устойчивости змея необходим хвост из матерчатых лент. Леер оказывает большое
сопротивление ветру, увеличивает нагрузку на змей и снижает высоту полета.
Он должен быть тонким и прочным.
• Многоплоскостные — этажерочные, коробчатые и многоячеечные из
отдельных ячеек в форме тетраэдров или параллелепипедов. В 1892 году в небо
далекой Австралии поднялся первый коробчатый змей, изобретенный Л. Харгравом. Основу змея составляют четыре рейки-лонжерона и две пары крестовин. Он был устойчив и не имел хвоста.
После этого появилось много других коробчатых змеев. У змея Харгрэва
коробки были прямоугольными, другие конструкторы делали их ромбовидными, треугольными, дополняли их крыльями.
Коробчатый воздушный змей коренным образом отличается от своих
предыдущих собратьев по конструкции и обладает значительно большей подъемной силой. Хвоста этот змей не имеет. Корпус змея –
каркас в виде коробки, обтянутой шелковой или хлопчатобумажной тканью, полиэтиленовой пленкой. Каркас собирается из реек квадратного или круглого сечения.
Задача регулировки змея заключается в том, чтобы при полете змея в потоках воздуха создать равновесие между крылом и хвостовым оперением, то есть
между верхней и нижней обшивками. Это равновесие будет достигнуто тогда,
когда змей в полете займет положение под определенным углом по отношению
к действующим на него потокам воздуха. Такой угол у змея заранее выполнить
очень трудно. Его можно определить только опытным путем в процессе регулировки длины стропок при запуске.
Среди всех ныне известных воздушных змеев наилучшими аэродинамическими характеристиками обладают летальные аппараты, напоминающие
дельтапланы. От классического крыла Рогалло пилотажный змей отличается
только удлиненной центральной рейкой - это сделано для повышения продольной устойчивости. Угол между боковыми рейками-лонжеронами составляет
156° и является оптимальным. Поперечную устойчивость обеспечивают приподнятые относительно центральной рейки концы боковых лонжеронов.
Установлено, что натяжение лееров, необходимое для управления змеем,
должно составлять 2-3 кг. Такую тягу может создать крыло площадью 50-60
дм2. Чтобы змей уверенно летал и в слабый ветер, удельная нагрузка на крыло
не должна превышать 1,8 г/дм2. Отсюда получается и оптимальная масса змея не более 110 г.
559
Производители делят змеев на 3 класса: общие, трюковые, профессиональные. Первые это змеи общего назначения, которые в принципе способны
делать большинство трюков за исключением самых сложных, но по своим летным характеристикам, управляемости и чувствительности они уступают всем
остальным.
Сейчас змей состоит не только собственно из каркаса и паруса,
но и уздечки, строп и лямок. Каждый из этих элементов имеет большое значение, и, например, слишком длинные для этого змея и ветра, стропы не позволят
выполнить тот или иной трюк.
Технология изготовления змея
Первый этап – выбираем конструкцию змея.
Второй этап – подготовка материально-технической базы.
Третий этап – сборка змея.
Плоский квадратный змей
Чертеж плоского квадратного змея (рис. 4):
Материалы: силикатный клей, ножницы, катушка ниток или леска, карандаш, линейка, кисточка, листы тонкой цветной бумаги и полоски плотного картона.
Плоский пятигранный змей
Рис. 4
Рис. 5
Чертеж плоского пятигранного змея (рис. 5):
1 – пятигранный лист папиросной бумаги;
2 - горизонтальная рейка;
3 – вертикальная рейка;
4 – две картонные полоски, придающие жесткость конструкции;
5 – укрепляющая бумажная четырехугольная накладка;
560
6 - укрепляющие бумажные угловые накладки;
7 – «уздечка» из капроновой нити, оканчивающаяся петлей;
8,9 – леер;
10 – «хвост» из четырех полосок цветной креповой бумаги;
0 – центр змея, к которому привязывают уздечку.
Материалы: лист папиросной бумаги, силикатный клей, две тонкие рейки
длиной 275 и 270 мм, две полоски картона толщиной 0,5 мм, шириной 5 м и
длиной 210 мм, четыре полоски цветной папиросной бумаги длиной 800 мм и
шириной 20 мм, скотч шириной 25 мм, катушка ниток, 200 мм лески диаметром
0,1 – 0,2 мм, ножницы, циркуль, карандаш, линейка, кисточка и иголка.
Объемный змей-спутник
Эта модель имитирует в полете первый искусственный спутник Земли,
запущенный в Советском Союзе 4 октября 1957 года.
Историческая справка
Спутник представлял собой шар диаметром 580 мм, имел массу 83,6 кг,
был снабжен 4 антеннами. Корпус был изготовлен из алюминиевых сплавов и
отполирован, поэтому он был виден в отраженных солнечных лучах невооруженным глазом как светящаяся движущаяся по небосводу точка. Внутри герметичной оболочки спутника находилась аппаратура: 2 радиопередатчика, дающие 3 сигнала в секунду, система терморегуляции, датчики температуры и давления (внутри спутника), аккумуляторы. Радисты всего мира ловили сигналы
советского ИСЗ. Он пробыл на эллиптической орбите 92 суток и совершил 1400
витков вокруг Земли. 4 января 1958 года он прекратил свое существование.
Конструкция состоит из двух взаимно перпендикулярных кругов 1 и 2
диаметром 580 мм, находящимися внутри реек, соединяющего круги обруча 3,
антенн 4 (4 штуки), уздечки 5, вертлюга 6, леера 7. Вертлюг – соединительное
звено, препятствующее скручиванию нитей и состоящее из двух частей 1, которые могут вращаться вокруг своих осей 2 независимо друг от друга; одна из его
конструкций показана на выноске: там
3 – небольшие площадочки в сторонах
рамки 4, через отверстия в которых проходят оси 2.
Материалы: ивовые прутья, дюралевая проволока, резиновая нить, катушечные
нитки № 10, суровые нитки, лавсановая
фольгированная пленка, леска рыболовная
0,3 … 0,7 мм длиной 100 м, вертлюг.
561
Рис. 4. Неразборный коробчатый
змей Поттера: а - общий вид;
б - чертеж; в - каркас змея в собранном
виде; г - размеры уздечки
Рис. 5. Детали конструкции
разборного змея: а - соединение
распорных крестовин; б - распорная
рейка с лапкой; в - соединение распорной рейки с лонжероном
562
Ромбический
коробчатый
змей Поттера.
Для увеличения подъемной
силы змей имеет специальные открылки. Этот змей можно построить
в двух вариантах: неразборным и
разборным (для удобства его транспортировки).
Сначала ознакомимся с конструкцией неразборного змея (рис. 1).
Он состоит из четырех продольных
реек (лонжеронов) и четырех парных поперечных реек-крестовин,
двух коробок и двух открылков.
Для постройки змея подготовим сосновые рейки сечением 8X6
мм длиной 1000 мм 7 штук, длиной
600 мм - 4 штуки, длиной 1500 мм 1 штуку. Сначала из реек соберем
раму размером 1000Х1000 мм. На
углы рамы и места соединения лонжеронов с распорными рейками
приклеим косынки из миллиметровой фанеры.
Вторую раму соберем тем же
способом, только один лонжерон
укрепим после того, как вторая рама
будет вставлена в первую. Когда последний лонжерон будет укреплен,
приступим к соединению крестовин.
Для этого между рейками вставим
наклейки - квадратики из миллиметровой фанеры - и прибьем их мелкими гвоздиками. Места соединений
предварительно смажем клеем. Так
скрепим все четыре крестовины,
причем в первую очередь крайние
крестовины, а затем уже средние.
Каркас змея готов. Теперь на-
до изготовить обтяжку и открылки. Для этого возьмем легкую, но прочную
ткань и разрежем ее на полосы шириной 320 мм. Примеряя такую полосу к
змею, сделаем выкройку одной из полос обтяжки змея. При этом ткань должна
выступать за контуры выкройки на 10 мм. Этот припуск нужен для того, чтобы
по контурам полосы для прочности вшить или вклеить шпагат. Окончательно
примерим полосу обтяжки к змею, так чтобы ткань не провисала и не коробила
каркас из-за сильного натяжения, а затем короткие стороны полосы сошьем в
кольцо. Второе кольцо изготовим аналогично первому. Готовые кольца соединим с лонжеронами змея с помощью клея.
Далее изготовим открылки. В ткань открылков, так же как и в обтяжку,
вошьем шпагат, которым привяжем открылок к большой распорной рейке и к
углам рамы. Затем пришьем к лонжерону обтяжку.
А теперь о конструкции разборного змея (рис. 5). Он отличается от неразборного тем, что распорные рейки крепятся к лонжеронам не наглухо, а при
помощи лапок, имеющихся на концах распорок. Лапки не дают распоркам соскакивать с лонжеронов. Лапки можно вырезать из фанеры или из полосок дерева. Размеры их показаны на рисунке. Готовые распорки соединяют в кресты с
помощью резинки.
Регулировка коробчатого змея
Задача регулировки змея заключается в том, чтобы при полете змея в потоках воздуха создать равновесие между крылом и хвостовым оперением, то
есть между верхней и нижней обшивками. Это равновесии будет достигнуто
тогда, когда змей в полете займет положение под определенным, наивыгоднейшим углом по отношению к действующим на него потокам воздуха. Такой
угол у змея заранее выполнить очень трудно. Его можно определить только
опытным путем, в процессе регулировки длинны стропок при запуске.
Если змей не взлетает или взлетает, но не набирает высоту то тяжело хвостовое оперение. Нужно удлинить нижнюю стропку и передвинуть ее место
крепления на рейки вниз. Если этим положительный результат не достигнут, то
следует укоротить верхнюю стропку. Такую регулировку придется вести до тех
пор, пока змей не начнет легко взлетать, быстро набирать высоту и вести себя
устойчиво в полете.
Если змей в полете крутится, то слишком облегченное хвостовое оперение. Придется удлинить верхнюю стропку или укоротить нижнюю.
Коробчатый змей с высотой каркаса более 60…80 см имеет большую
подъемную силу, поэтому для его запуска нужно использовать легкий крученый шнур или рыболовную леску диаметром 1мм. Если же захочется с помощью змея на поле, покрытым снегом, прокатится на лыжах, то надо построить
змей с высотой корпуса более 1 метра.
563
Парафойл
Воздушный змей парафойлной конструкции — это особый класс воздушных змеев, пространственная форма которых поддерживается за счёт набегающего потока воздуха, или проще говоря ветра. Данный тип воздушного змея не
имеет жестких частей конструкции — реек, каркаса. Обычно змеи данного типа
изготавливаются из воздухонепроницаемой ткани с замкнутыми внутренними
пространствами и воздухозаборником, обращенным в сторону набегающего потока. Воздух, проникая в воздухозаборное отверстие, создает внутри замкнутого пространства змея избыточное давление и надувает воздушный змей подобно воздушному шару. Однако конструкция змея такова, что надуваясь, змей
принимает определённую аэродинамическую форму, которая способна создать
подъемную силу змея. Отсюда вытекают следующие особенности воздушного
змея парафойла: невозможность поломки при падении — так как ломаться нечему (хотя возможен разрыв оболочки при особенно энергичных приземлениях), возможность компактной транспортировки змеев больших размеров —
змей фактически является куском ткани, который просто складывается в небольшей сверток. Существует много разновидностей змеев — парафойлов: одностропные, двухстропные управляемые, четырёхстропные управляемые.
Двухстропные в основном это пилотажные
змеи, или кайты площадью до 3 кв.м. Четырёхстропные — это змеи достаточно большей площади от 4 кв.м, используемые в
спорте в качестве двигательной силы (кайтинг). Одностропные — это змеи для развлечений, разнообразных конструкций и форм,
могут даже изображать всевозможные предметы и животных.
564
Правила запуска воздушных змеев
Выбор места для запуска воздушного змея
Идеальным местом является открытое пространство без деревьев, каких-либо построек, проводов или других помех. Если есть деревья или здания,
то убедитесь, что Вы находитесь достаточно далеко
от них, чтобы на воздушный змей не влияла турбулентность, создаваемая ветром, при столкновении его
с препятствиями.
Скорость ветра
1 – 3 м/с: только самые легкие воздушные змеи будут летать. 3 – 6 м/с:
хороший ветер для новичков.6 – 8 м/с: превосходные условия для полета воздушного змея. 8 – 11 м/с: хороший ветер для специалистов. Будьте более внимательны.11 – 14 м/с: только для специалистов.
Зона A – идеальное пространство для полетов воздушного змея. Зона B –
пространство для посадки управляемого воздушного
змея.
Запуск воздушного змея
Для того чтобы запустить воздушного змея необходимо выбрать правильное положение. Для этого
необходимо чтобы ветер всегда дул в спину тому,
кто держит веревку, и в лицо помощнику.
Не управляемые воздушные змеи
Прицепите веревку к воздушному змею и, разматывая её, попросите помощника отойти в сторону, куда дует ветер.
Размотайте верёвку метров на 20-25, чем
длиннее веревка, тем выше будет полёт
змея. Помощник должен всегда держать
воздушного змея носом к верху. Заняв позицию, натяните верёвку. Когда почувствуете устойчивый ветер, потяните за неё, а
помощник в это время должен отпустить
воздушного змея, слегка подбросив его
вверх. Если запуск прошёл удачно, то воздушный змей поднимется в небо, и будет
там летать.
Если ветер ослабевает, и воздушный
змей начинает падать, необходимо подтягивать верёвку на себя. При этом необходимо
565
следить за тем, чтобы веревка была всегда натянута. Ветер подул сильнее –
разматывайте её. Добивайтесь стабильного полета воздушного змея. Надо заметить, что воздушный змей летит туда, куда направлен его нос. Для того чтобы
опустить воздушного змея необходимо подтягивать его к себе за веревку, наматывая веревку на катушку.
Управляемые воздушные змеи
Управляемый воздушный змей имеет от двух до четырех строп управления. Убедитесь, что все они имеют одинаковую длину. Это очень важно для
управляемого воздушного змея. Помощник должен всегда держать воздушного
змея носом к верху. Заняв позицию спиной к ветру, натяните веревки, сделайте
два шага назад, так чтобы Вы держали веревки натянутыми на вытянутых руках. Когда почувствуете постоянный ветер, одновременно сделайте шаг назад и
потяните за веревку. Если все сделать правильно, то воздушный змей поднимется в небо, и будет ждать дальнейших распоряжений. Воздушный змей полетит на право, если Вы потяните за правую веревку, и полетит налево, если Вы
потяните за левую веревку. Удерживайте руку в отведенном состоянии до завершения, задуманного Вами, маневра. Завершив маневр, верните руку в исходное положение. Руки надо держать перед собой, не расставляя их широко
(30–40 см.). Управляемый воздушный змей может выполнять различные фигуры: круг, квадрат, восьмерки и любые другие плоские фигуры.
Советы для запуска воздушных змеев
• Когда не управляемый воздушный змей начинает крутиться или летит
носом вниз (падает), большинство новичков сильным рывком дергают за веревку воздушного змея и отходят назад. Результатом такого действия является ускоренное падение воздушного змея. Чтобы этого избежать, надо веревку не натягивать, а немного отпустить, тогда, воздушный змей, под напором ветра, выправится.
• Если управляемый воздушный змей начинает падать (помимо вашего
желания, если Вы не можете ни чего больше сделать) - не натягивайте веревки.
Дайте воздушному змею спокойно упасть, иначе, натягивая веревки, Вы только
увеличите скорость падения и силу удара о землю.
Меры предосторожности:
• Никогда не запускайте воздушных змеев около линий электропередач.
Электропровода очень опасны для жизни. Электричество, проходящее через
ваше тело в землю, может привести к смертельному исходу. Держитесь подальше от проводов.
• Никогда не запускайте воздушных змеев во время грозы.
Воздушный змей, запущенный во время грозы может привлечь к себе молнию и
стать молниеотводом. Вряд ли вы сможете это пережить.
566
• Никогда не запускайте воздушных змеев рядом с людьми или животными. Это может напугать как людей, так и животных. Они могут подумать,
что любители воздушных змеев безответственные люди. Мы все знаем, что
очень интересно наблюдать за собаками, когда они гоняются за вашим воздушным змеем, но рано или поздно ветер станет слабее и собака поймает ваш воздушный змей. Запускайте воздушный змей высоко в небе пока люди и животные не покинут пространство.
• Никогда не запускайте воздушных змеев около аэропортов. Во многих
странах по всему миру, запрещено запускать воздушных змеев около аэропортов. В Северной Америке запрещен запуск воздушных змеев ближе, чем 6-10км
до аэропортов.
• Носите солнцезащитные очки в солнечные дни. Долгое воздействие
солнечных лучей может нанести ущерб незащищенным глазам. Всегда носите
солнцезащитные очки, когда запускаете в солнечный день, даже если вы не
стоите лицом к солнцу. Также не забудьте нанести крем от загара, чтобы защитить вашу кожу.
• Никогда не запускайте воздушных змеев над или около шоссе. Воздушные змеи могут отвлечь водителей автомобилей, что может стать причиной
аварии. Дороги для автомобилей, парки и пляжи для воздушных змеев.
Применение воздушных змеев.
С первых веков своей жизни воздушный змей применялся в трех основных направлениях – это военные действия, обряды и быт.
Применение воздушного змея в военных целях сводилось в первую очередь к измерению расстояния до вражеских объектов, поднятию в воздух разведчиков, устрашению врагов (крепили к воздушному змею различные звуковые устройства и запускали ночью в стан неприятеля, пролетавшие змеи издавали устрашающие протяжные звуки, деморализуя суеверных воинов – в 202
году до нашей эры так сделал генерал Хуан Тенг, изменив исход сражения в
свою пользу).
Обряды – казалось, что немного приблизившись к небу, где жили боги и,
привлекая их внимание своей яркой
внешностью, было больше шансов
обратить внимание небожителей на
свои молитвы. Так, например, запуская змея, отпугивали нечисть и защищались от злых сил, болезней,
просили богатый урожай. При рождении ребенка в Корее в небо запускали воздушного змея, который уно567
сил с собой все беды и несчастья, которые
явились в этот мир вместе с новорожденным.
В конце XIX — начале XX веков воздушных змеев применяли для метеорологических исследований верхних слоев атмосферы, фотографирования местности, в
спортивных целях и так далее.
С развитием воздухоплавательных и авиационных летательных аппаратов
воздушные змеи стали применять исключительно в развлекательных и спортивных целях.
В последние годы развитие получили так называемые пилотажные
змеи — воздушные змеи специальной формы, управляемые с помощью двух
лееров. Пилотажный змей, в отличие от любого другого, способен к свободному планированию в воздухе, что и обеспечивает его особые свойства. Они
предназначены для выполнения комплекса пилотажных фигур различной
сложности. Также развивается кайтинг — вид спорта, при котором спортсмен
передвигается по местности с помощью воздушного змея.
Применение воздушного змея позволяет использовать недоступные традиционному парусу возможности:
• Значительно большие скорости ветра на высоте.
• Направление ветра на высоте всегда не совпадает с направлением приземного.
• Отсутствие консольно нагруженных элементов конструкции.
Немецкая компания SkySails применила змей в качестве дополнительного
источника энергии для грузовых судов, впервые опробовав его в январе 2008
года на судне MS Beluga Skysails. Испытания на этом 55 метровом корабле показали, что при благоприятных условиях расход топлива снижается на 30 %.
По всему миру создаются Клубы и сообщества, объединяющие любителей воздушных змеев — как конструкторов, так и просто запускающих (Кайтфлайерс). Одним из известных является KONE — Клуб Воздушных Змеев Новой Англии, входящий в состав Американской Ассоциации Кайтинга.
Полет самолета.
Почему летают птицы?
Крыло птицы устроено так, что создает силу, противодействующую силе тяжести.
Ведь птичье крыло не плоское, как доска, а
выгнутое. Это значит, что струя воздуха,
огибающая крыло, должна пройти по верх568
ней стороне более длинный путь, чем по вогнутой
нижней. Чтобы оба воздушных потока достигли
оконечности крыла одновременно, воздушный поток над крылом должен двигаться быстрее, чем под
крылом. Поэтому скорость течения воздуха над
крылом увеличивается, а давление уменьшается.
Разность давлений под крылом и над ним
создает подъемную силу, направленную вверх и
противодействующую силе тяжести.
Самолеты - очень сложные устройства, порой пугающие своей сложностью обывателей, людей, не знакомых с аэродинамикой.
Масса современных воздушных лайнеров может достигать 400 тонн, но
они спокойно держатся в воздухе, быстро перемещаются и могут пересекать
огромные расстояния.
Почему самолет летает?
Потому что у него, как и у птицы, есть крыло!
Если откажет двигатель - ничего страшного, самолет долетит на втором.
Если отказали оба двигателя - история знает случаи, что и в таких обстоятельствах садились на посадку. Шасси? Ничего не мешает самолету сесть на брюхо,
при соблюдении определенных мер пожарной безопасности он даже не загорится. Но самолет никогда не сможет лететь без крыла. Потому что именно оно
создает подъемную силу.
Самолеты непрерывно "наезжают" на воздух своими крыльями, установленными под небольшим углом к вектору скорости воздушного потока. Этот
угол в аэродинамике называется "угол атаки".
"Угол атаки" - это угол наклона крыла к невидимому и абстрактному "вектору скорости потока".
Наука гласит, что самолет летает потому, что на нижней поверхности крыла создается зона повышенного давления, благодаря
чему на крыле возникает аэродинамическая
сила, направленная перпендикулярно крылу вверх. Для удобства понимания
процесса полета, эту силу раскладывают по правилам векторной алгебры на две
составляющие : силу аэродинамического сопротивления Х
При создании самолета крылу уделяется огромное внимание, потому что
именно от него будет зависеть безопасность выполнения полетов. Глядя в иллюминатор, пассажир замечает, что оно гнется и вот-вот сломается. Не бойтесь,
оно выдерживает просто колоссальные нагрузки.
569
В полете и на земле у самолета крыло "чистое", оно имеет минимальное
сопротивление воздуху и достаточную подъемную силу, чтобы удержать самолет на высоте, летящим на огромной скорости.
Но когда приходит время взлета или посадки, самолету нужно лететь как
можно медленнее, чтобы с одной стороны не исчезла подъемная сила, а с другой колеса выдержали касание земли. Для этого площадь крыла увеличивается:
выпускаются закрылки (плоскости в задней части) и предкрылки (в передней
части крыла).
В основе аэродинамики как науки заложена теорема Николая Егоровича
Жуковского, выдающегося русского ученого, основателя аэродинамики, которая была сформулирована еще в 1904 году. Спустя год, в ноябре 1905 года Жуковский изложил свою теорию создания подъемной силы крыла летательного
аппарата на заседании Математического общества.
Почему самолеты летают так высоко?
Высота полета современных реактивных самолетов находится в пределах
от 5000 до 10000 метров над уровнем моря. Это объясняется очень просто: на
такой высоте плотность воздуха намного меньше, а, следовательно, меньше и
сопротивление воздуха. Самолеты летают на больших высотах, потому что при
полете на высоте 10 километров самолет расходует на 80% меньше горючего,
чем при полете на высоте в один километр.
Однако почему же тогда они не летают еще выше, в верхних слоях атмосферы, где плотность воздуха еще меньше?
Дело в том, что для создания необходимой тяги двигателем самолета необходим определенный минимальный запас воздуха. Поэтому у каждого самолета имеется наибольший безопасный предел высоты полета, называемый также «практический потолок». К примеру, практический потолок самолета Ту-154
составляет около 12100 метров.
Заключение
В ходе выполнения прооектной работы мною были изучены основные
принципы полетов тел тяжелее воздуха. Созданы плоский и два коробчатых
змея. Плоский и малый коробчатый змей летыют при сильном ветре. Большой
коробчатый змей летает даже при слабом ветре. Запуск этого змея вызвал настоящий восторг у одноклассников и все хотели поуправлять им. Планируется
продолжить эксперименты со змеями летом, создать большой змей-птицу и
змей-парафойл. Продолжить демонстрации змеев на праздники и народные гуляния. Привлечь школьников в процессы создания и ислледования полета змеев. В будущем можно более вплотную заняться авиамоделизмом.
570
Библиографический список
1. Г. Руджий «Как сделать и запустить воздушного змея», Москва, 2004.
2. http://www.dvorec.ru/airdragon/index.php
3. http://sitekd.narod.ru/zmey.html
4. http://kitevlad.ru/
5. http://www.kiteman.ru/index.php/sovety
6. http://prokite.ru/kites/zapusk-vozdushnogo-zmeya/
7. http://ru.wikipedia.org/wiki/%C2%EE%E7%E4%F3%F8%ED%FB%E9_%
E7%EC%E5%E9
8. https://ivansuharev.com/view_post.php?id=40
Вишневский Арсений, 5 кл., БОУ «Лицей № 25
Томилова Марина
Научный руководитель: Вишневская Т. А., учитель физики
БОУ «Лицей № 25»
ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА И ЕЕ РОЛЬ В ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА,
ЖИВОТНЫХ И РАСТЕНИЙ
Введение
Цель: Определить роль влажности окружающего воздуха в жизни человека.
Задачи:
• изучить литературу по данной теме;
• познакомиться с понятием влажного воздуха, его характеристиками;
• рассмотреть принцип действия приборов, с помощью которых измеряют влажность воздуха;
• самостоятельно сделать прибор для измерения влажности воздуха;
• определить влажность в разных помещениях БОУ г. Омска "Лицей
№25";
• проверить различные способы увлажнения воздуха;
• сравнить, как влияет влажность воздуха на рост растений.
Гипотеза: Понимая особенности влажного воздуха и зная его характеристики можно создать благоприятный микроклимат для окружающих.
Актуальность:
В воздухе всегда есть водяной пар. В результате испарения воды с поверхностей океанов, морей, озер, водохранилищ, рек и т.д. От количества водяного пара, содержащегося в воздухе, зависит погода, самочувствие человека.
571
В пищевом, ткацком и других производствах для нормального течения процесса необходима определённая влажность. Это обусловлено следующими причинами, возникающими при излишней влажности:
- комкование, слипание гигроскопичных продуктов
- санитарно-гигиенические требования в связи с риском роста плесени и
бактерий на продукте, в производственном цехе.
- необходимость сушки продуктов.
- риск конденсатообразования на продукте.
- нежелательность образования инея, льда в морозильных камерах и другое.
В музеях на стенах висят психрометры (приборы для измерения влажности). Хранение произведений искусств и книг требует поддержания влажности
воздуха на необходимом уровне. Так как такие материалы, как дерево, слоновая
кость, кожа, текстиль, пергамент и скрепляющие составы разбухают, если уровень влажности повышается, и ссыхаются, когда он понижается. Происходят
перекос, коробление, смещение составных частей экспонатов, возникают трещины, ломаются волокна (особенно при низком уровне влажности).
От количества влаги в окружающей среде зависит самочувствие человека.
В своей работе мы хотим рассмотреть вопросы о том, какую роль играет
влажность воздуха в жизни человека, животных и растений.
Что такое влажность воздуха
Влажность воздуха – это мера содержания водяных паров в воздухе. Измеряется в г/м³. Она не всегда одинакова и зависит от температуры. Из-за того,
что воздух при температуре 20° содержит в четыре раза больше воды, чем при
0° ввели понятие относительной влажности. Относительная влажность это отношение количества воды, содержащегося в воздухе при данной температуре, к
максимальному количеству воды, которое может содержаться в воздухе при
данной температуре в виде пара. Относительная влажность показывает, насколько водяной пар при данной температуре близок к насыщению, то есть
превращению пара в жидкость.
Почему вода испаряется? Тепло причина этого явления. В течение дня
вода морей, озёр и рек, прудов, луж, влага содержащаяся в растениях и животных, нагревается солнцем и испаряется.
Она испаряется тем скорее, чем сильнее нагрета. Ускоряет испарение и
ветер. О том, что происходит испарение, мы можем увидеть, проделав следующий опыт: в солнечный день чистый пустой стакан выставить вверх дном на газоне с травой. Через некоторое время мы заметим, что стенки стакана запотевают, снаружи оставаясь сухими. Это объясняется тем, что молекулы воды, которые находятся на поверхности почвы и в растениях, всё время поднимаются
572
вверх вместе с воздухом и, охлаждаясь, осаждаются на внутренних стенках стакана, увлажняя его.
Если воздух содержит такое количество водяного пара, какое вообще
возможно при данной температуре, то его называют насыщенным. А если он
охладится ниже этой температуры, то часть капелек пара начнёт слипаться.
Температура, при которой это происходит, называется точкой росы. Воздух,
температура которого выше точки росы, называется ненасыщенным.
Процесс, при котором вода из газообразного вновь переходит в жидкое
состояние, называется конденсацией. Оно часто встречается в повседневной
жизни, например когда запотевают оконные стёкла, стёкла очков и автомобиля.
Относительная влажность воздуха — важный экологический показатель
среды. Идеальная влажность в жилом помещении 40-60%.Зимой из-за отопительных приборов воздух в квартире становится очень сухим, влажность составляет всего 10-20%. При низкой влажности воздуха происходит сильное испарение влаги с поверхности слизистых оболочек носа, гортани, что приводит к
частым респираторным заболеваниям. Быстро пересыхает земля у комнатных
цветов, рассыхается паркет и деревянная мебель. В сухом воздухе содержится
много пыли, что вредно для аллергиков.
573
Но переизбыток влаги в помещении также плохо сказывается для человека. Окна запотевают. На стенах, в слабо проветриваемых местах появляются
колонии плесени, её споры вызывают аллергию, астму. Долго сохнет выстиранное бельё. При высокой влажности нарушается терморегуляция человека.
Испарение влаги имеет большое значение для поддержания температуры тела
постоянной. Когда человеку жарко, он потеет. При испарении пота с поверхности кожи происходит её охлаждение. Но если воздух насыщен влагой, испарение не происходит. При этом организм всё больше разогревается для увеличения количества пота и это приводит к потере воды и химических веществ, в которых нуждается организм. Перегрев может привести к обезвоживанию и химическому дисбалансу в организме.Обезвоживание истощает организм, так как
ему не хватает воды, необходимой для потоотделения, поэтому происходит
сгущение крови, перекачка которой по организму требует повышения давления.
Таким образом, повышается напряжение в сердце и кровеносных сосудах,
кровь приливает к внешней поверхности тела, а в мышцы, мозг и другие органы
ее поступает меньше. Физическая сила снижается, и усталость наступает быстрее, чем в нормальных условиях.
Приборы для изучения влажности воздуха.
Определение влажности воздуха - этот вопрос начал интересовать ученых
еще в ранние века.
Обратимся к исторической справке, из которой видна история изучения
данной физической величины:
1400 – Леонардо да Винчи (Италия): Первый примитивный гигрометр.
1664 – Франческо Фолли (Италия): Первый практический гигрометр. 1783 –
Орас Бенедикт де Соссюр (Швейцария): изобрел гигрометр, который использует человеческий волос для измерения влажности.1820 – Джон Фредерик Даниэля (Великобритания): определение точки росы с помощью гигрометра основанного на принципе измерения колебаний электрического сопротивления.
Давайте рассмотрим приборы для измерения влажности воздуха подробнее.
Психрометр. Психрометр Августа состоит из двух одинаковых термометров.
Ртутный шарик одного из них остаётся сухим, и термометр показывает
температуру окружающего воздуха. А другого окружён плоской ткани (бинт
или батист), конец которой опущен в дистиллированную воду. При этом надо
следить, чтобы сам резервуар с ртутью не был погружен в воду (иначе термометр будет показывать температуру воды) и расстояние от уровня воды до резервуара составляло не менее 3-4 сантиметров. Вода испаряется, и благодаря
этому термометр охлаждается. Чем больше относительная влажность, тем ме574
нее интенсивно идёт испарение и тем более высокую температуру показывает
термометр, окружённой плоской влажной ткани. При относительной влажности, равной 100%, вода вообще не будет испаряться и показания обоих термометров будут одинаковы. Для определения влажности воздуха психрометр помещают в то место, где производят определение, и через 10—15 мин. записывают показания сухого и смоченного термометров. При этом прибор должен
быть защищён от действия энергии солнечного света и нагревательных приборов. По разности температур обоих термометров с помощью специальных психрометрических таблиц можно определить влажность воздуха. Плюс психрометра Августа - это его дешевизна и простота обращения. Недостатком данного
приборы является то, что на его показания влияет движение воздуха. Это было
преодолено в конструкции психрометров аспирационного типа (психрометр
Асана)
В аспирационном психрометре Асмана ртутные шарики термометров защищены от действия лучистой энергии футлярами с двойными стенками. Прибор снабжен вентилятором, обеспечивающим постоянную скорость движения
воздуха у ртутных шариков термометров (2 м/сек). Перед определением ткань,
покрывающую ртутный шарик смоченного термометра, смачивают дистилли575
рованной водой. Избыток воды удаляют встряхиванием, после чего включают
вентилятор и прибор помещают в точке, где необходимо произвести определение. При температуре воздуха 15–20° отсчет показаний термометра производят
через 4 мин. При температурах ниже 15° длительность протягивания воздуха
увеличивают до 20–30 мин. (до тех пор пока не установится постоянная температура смоченного термометра).
Расчет результатов определения производят по формуле Шпрунга или по
специальной таблице.
Гигрометр. Волосной гигрометр.
Действие волосного гигрометра основано на свойстве обезжиренного волоса изменять свою длину при изменении влажности воздуха, что позволяет
измерять относительную влажность от 30 до 100 %. Волос натянут на металлическую рамку так, что верхний конец его закрепляется при помощи подвижного
винта, а нижний соединяется с блоком и оттягивается небольшим грузиком,
прикрепленным к блоку. Изменение длины волоса, при изменении относительной влажности воздуха, передаётся стрелке, связанной с блоком и перемещающейся вдоль шкалы. На шкалу нанесены деления, непосредственно указывающие процент влажности.
Плюс волосного гигрометра в том, что в зимний период года является
единственным прибором для определения влажности атмосферного воздуха,
так как наблюдения по психрометру прекращаются при температуре воздуха
ниже —10°. Из минусов - очень чувствителен к тряске и резким ударам.
576
Конденсационный гигрометр. В конденсационном гигрометре
М. И. Гольцмана температура металлического зеркала, измеряемая электрически, может быть понижена до —150° C помощью обтекающего его жидкого кислорода или жидкого воздуха. Воздух продувается через прибор и проходит
мимо зеркала, где и происходит конденсация. Температура конденсации определяется по термометру сопротивления, встроенному в пластину. Результат измерений температуры точки росы может быть определен по моменту выпадения конденсата либо по моменту установления равновесной толщины конденсата. Конструкция гигрометров варьируется от погружных щупов до стационарных приборов с внешней системой пробоотбора. Наряду с оптической системой наличие конденсата может определяться путем измерения электрических
параметров на поверхности пластины или частоты нанесенного на пластину
кварцевого резонатора.
Основными преимуществами конденсационных гигрометров являются:
наиболее высокая точность измерения влажности; высокая долговременная
стабильность; широкий диапазон измерений. К недостаткам можно отнести:
сложность настройки и измерений; влияние наличия загрязнения в анализируемом газе на точность измерений; сложность определения агрегатного состояния
конденсата при температурах ниже 0 °С; длительное время измерений на нижней границе диапазона; высокая стоимость приборов.
577
Весовой (абсолютный) гигрометр
состоит из системы U-образных трубок,
наполненных гигроскопическим веществом, способным поглощать влагу из воздуха. Через эту систему насосом протягивают некоторое количество воздуха,
влажность которого определяют. Зная
массу системы до и после измерения, а
также объём пропущенного воздуха, находят абсолютную влажность.
Изготовление психрометра в домашних условиях
Для этого необходимо:
1) Два одинаковых спиртовых термометров.
2) Бинт.
3) Резервуар для воды.
3) Картон формата А4.
4) Тонкая проволока.
5) Вода.
На картоне мы расчертили градуировку для термометров. Разместили
психрометричскую таблицу для удобства использования. Чтобы уберечь от попадания влаги заламинировали картон.
578
Проволочкой прикрутили термометры на одном уровне. И контейнер под
воду под ними.
Ртутный резервуар одного термометра обмотали бинтом. Свободный конец опустили в воду. Воду для нашего прибора взяли дистиллированную.
Мы снимали показания с двух психрометров – сделанного своими руками
и заводского производства. Разницы в показаниях не было.
Способы повышения влажности воздуха в помещении.
Существуют несколько способов, благодаря которым можно существенно
повысить влажность воздуха. Что же это за способы?
1. На батарею повесить полотенце, один конец поместить в контейнер с
водой. При этом вода будет испаряться с намокающего полотенца. Но этот метод плох тем, что в воде будут развиваться бактерии.
2. Поставить в помещении открытый аквариум, при испарении регулярно
доливать воду.
3. Посадить комнатные цветы, испаряющие много влаги. Около 80% поливной воды комнатные растения возвращают в окружающее их пространство,
при этом очищая и обогащая её. Такие растения, как циперус, шеффлера при
надлежащим за ними уходе (регулярный полив, опрыскивание) способны испарять до литра воды в сутки.
579
4. Проветривание. Эта мера позволит избежать и чрезмерно сухого и излишне влажного воздуха в помещении.
5. Электрические увлажнители воздуха.
- паровые увлажнители выбрасывают в воздух горячий пар от кипящей
в них воды.
- холодный увлажнитель. В него заливается вода, которая попадает на испарительные элементы. Вентилятор, встроенный в данный прибор, пропускает
через них воздух, который забирает из помещения, а затем выдает его наружу
уже влажным.
- ультразвуковой увлажнитель при помощи электромагнитных колебаний
превращает воду в микроскопические брызги.
Способы понижения влажности воздуха в помещении.
1. Включать электрические обогреватели зимой и кондиционеры летом.
580
В настоящее время в помещениях используется несколько видов обогревателей: Масляные обогреватели – это наиболее популярный вид обогревающих устройств, поскольку они недороги и способны снабжать теплом большие
помещения. Когда обогреватель включается, нагревается спираль, которая передает тепло маслу, а то в свою очередь отдает тепло корпусу. А благодаря хорошей теплопроводности используемого в агрегате масла, устройство хорошо
прогревает комнату. К плюсам такого обогревателя относят: бесшумная работа,
безопасность, мобильность. Недостатком масляных обогревателей является их
воздействие на климат в помещении – они заметно сушат воздух, что может
быть вредно для самочувствия людей, а также для состояния деревянной мебели и полов.
Тепловентиляторы. Различают тепловентиляторы переносные и стационарные. Кроме того, различают тепловентиляторы по типу нагревательных
элементов — спиральные, тэновые и керамические. Самыми дешевыми считаются спиральные тепловентиляторы. Такие обогреватели сушат воздух и сжигают пыль и другие мелкие частицы, что приводит к неприятному запаху. Тэновые обогреватели дороже по цене и безопасней предыдущих. В роли нагревательного элемента представлена трубка внутри, которой находится графит или
проволока, все остальное свободное пространство заполнено веществом с высокой теплопроводностью. Самым лучшим для квартиры считается тепловентилятор с керамическим нагревателем. Он самый безопасный и не вредный для
581
человека. К плюсам тепловентилятора можно отнести: быстрое прогревание
помещения, средняя стоимость, компактность. К минусам относят: сжигание
кислорода, сжигание мелких частиц, что приводит к неприятному запаху, шум
во время работы, тепло распределяется неравномерно.
Конвекторный обогреватель работает на основе открытого нагревательного элемента, выделяющего тепло посредством естественной или принудительной конвекции. Эти обогреватели представляют собой плоскую панель, которую можно устанавливать на полу или монтировать в стену. Нагревательные
элементы делаются из металла или керамики. Принцип работы — воздух снизу
попадает в конвектор, нагревается и выходит вверху в теплом виде. Плюсы
конвектора: равномерное прогревание помещения, экономичное потребление
электроэнергии (обогреватель, нагреваясь до определенной температуры, автоматически отключатся, когда температура подает — включается), продуманный
внешний вид, тихий в работе.
Минусы конвектора: непригоден для отопления больших площадей, сухой воздух.
Инфракрасный обогреватель отличается от своих предшественников способом обогрева. Данный обогреватель греет не воздух, а предметы, находящиеся в помещении, которые передают тепло комнате. Поэтому большим плюсом
такого обогревателя считается не пересушенный воздух. Плюсы инфракрасного
обогревателя быстрый обогрев помещения, можно использовать с разными сис582
темами вентиляции, можно использовать на открытом воздухе, работают тихо,
не сжигают воздух, безопасный. Недостатков у этих обогревателей нет.
Сравнение влажности воздуха после работы обогревателей
Мы сравнили работу двух обогревателей: тепловентилятора и масляного
радиатора. Сначала измерили влажность в помещении, затем включили на два
часа тепловентилятор. На следующий день повторили опыт с масляным радиатором.
583
Не смотря на расхожее мнение о том, что обогреватели убирают влагу из
помещения это не так. При использовании обогревателя изменяется относительная влажность воздуха. То есть при повышении температуры количество
воды в воздухе не меняется, но пар становится менее насыщенным.
По результатам опыта мы видим, что тепловентилятор быстрее нагревает
воздух и благодаря этому быстрее уменьшается относительная влажность воздуха.
Влияние влажности воздуха на комнатные растения
tсух, ◌ْ С
tвл, ◌ْ С
∆t, ◌ْ С
φ,%
Влажность в комнате
18
13
5
56
Масляный обогреватель
22
15
7
45
Тепловентилятор
24
15,5
8,5
40
Мир комнатных растений богат и разнообразен, что связано с разнообразием природных условий, определяющими многообразие внешнего облика растений, биологических особенностей, характер их роста и развития.
Основная масса растений, используемых для внутреннего озеленения –
выходцы из стран с тропическим и субтропическим климатом, произрастают в
условиях постоянно высоких температур и обильных осадков. К ним относятся
фикусы, многие пальмы, бегонии, филодендроны, пиперомии, марантовые.
584
Эхмея полосатая,
группа бромелиевые.
Маранта
Другие – жители более прохладных горных лесных тропиковс постоянно
высокой влажностью воздуха – папоротники, орхидеи, многие бромелиевые.
Алоэ, молочаи, каланхоэ, гастерии, хавортии произрастают в крайне сухих областях Южной и Восточной Африки со скудными, нерегулярными осадками.
Алоэ
При подборе растений для содержания в жилых помещениях следует учитывать специфику светового режима в помещении, температуру, влажность,
чистоту воздуха и высоту потолков. Возможность создания в наших квартирах
оптимальных условий для жизнедеятельности растений ограничено, однако при
правильном подборе растений и соблюдении условий выращивания можно добиться хороших результатов. Из-за того, что родиной многих наших комнатных
растений являются влажные тропические леса, часто им приходится очень
585
трудно в сухом воздухе наших квартир с центральным отоплением. Если мы
обратим внимание на то, в каких условиях растут у себя на родине наши комнатные растения, то поймем, что, например, тропические виды с тонкими нижними листьями ( фиттонии, маранты, селагинеллы, папоротники) больше всего
нуждаются в тепле и относительно высокой влажности воздуха - около 90%.
Правда, в комнате они успешно растут и при несколько меньшей влажности от 55 до 60%. К сожалению, обычно воздух в наших квартирах еще суше. Зимой, с началом отопительного сезона, его влажность еще больше уменьшается,
не может поправить дела и регулярное проветривание. Даже если за окном в
холодную погоду влажность воздуха составляет 90%, в комнате этот воздух нагревается, и при этом его относительная влажность значительно уменьшается.
Регулярное опрыскивание благоприятно действует на растения, однако
повышает влажность воздуха только вблизи них и на не продолжительное время. Поставив растения на поддоны с влажным песком, мхом, торфом или керамзитом, а также поместив между ними емкость с водой, можно повысить
влажность воздуха.
А как узнать какая влажность в квартире? Это можно сделать с помощью
специальных приборов – психометра или гигрометра. Но если у вас дома нет
таких приборов, то влажность воздуха можно проверить другим способом. Налейте в стеклянную посуду ( стакан) холодную воду 2-3°С. Наблюдайте за тем,
как будет запотевать поверхность. Если в течение 5-ти минут стакан успеет
полностью запотеть и высохнуть, то значит, что в помещении довольно низкая
влажность. Если стакан будет запотевать медленно, то это будет говорить о
нормальном состоянии воздуха. Струйки конденсата, стекающие со стенок стакана, будут говорить о том, что влажность воздуха в помещении очень высокая.
Признаки, свидетельствующие о недостатке влажности воздуха для растений
Недостаток воды в воздухе на растениях сказывается гораздо сильнее,
чем ее избыток. В сухом воздухе растения начинают испарять через устьица на
листьях больше воды, при этом водный баланс нарушается:
1. Листья сморщиваются или скручиваются.
2. Кончики листьев становятся коричневыми и засыхают. Это часто можно наблюдать, например, у фикуса Бенджамина, лимона, а также циперуса.
3. Бутоны не раскрываются или опадают.
4. Некоторые вредители особенно часто поражают растения, если воздух
слишком сухой (паутинный клещ, трипсы и белокрылка).
Осенью, с началом отопительного сезона лимон, стоящий у меня дома,
начал засыхать. Кончики листьев сначала становились коричневыми, затем лимон сбрасывал их. Земляной ком пересыхал очень быстро. Мы включили около
586
него увлажнитель воздуха «Polaris». Через неделю начали просыпаться спящие
почки. Примерно спустя месяц на деревце лимона выросли новые побеги. При
этом полив, освещённость и температура оставались неизменными. А вот увлажнитель включали на пять часов в день. Этот опыт наглядно показывает о
необходимости увлажнять воздух в помещении в зимний период.
Практическое определение влажности воздуха в разных помещениях
БОУ г. Омска «Лицей №25»
Относительная влажность воздуха была измерена с помощью психрометра. Прибор устанавливался в исследуемых кабинетах на 30 минут и, по истечении времени снимались показания. В кабинетах 31 и 13 установлены пластиковые окна. В кабинетах 5 и 28 деревянные рамы. Цветов в этих кабинетах растёт
примерно одинаковое количество.
Место определения влажности
ْ
(t на улице =13 ◌С,
φ = 90-95% )
tсух, ◌ْ С
tвл, ◌ْ С
∆t, ◌ْ С
φ,%
Столовая
Кабинет 31
Кабинет 5
Кабинет 28
Кабинет 13
24
22,2
20,6
21,4
21,6
20,6
16
16,2
16,8
15,6
3,4
6,2
4,4
4,6
6
70
48
58
59
47
По полученным результатам были сделаны основные выводы.
Во всех кабинетах влажность воздуха соответствует нормам. В кабинетах
с пластиковыми окнами влажность воздуха ниже. Это объясняется тем, что через щели деревянных рам происходит микропроветривание, что не возможно у
герметичных пластиковых окон. Это приводит к тому, что температура воздуха
в этих кабинетах выше.
Влажность воздуха в столовой значительно повышена.
587
Состояние микроклимата школьных помещений оказывает влияние на
самочувствие и здоровье учащихся: а) низкая влажность вызывает быстрое испарение и высыхание слизистой оболочки носа, гортани, легких, что приводит к
простудным и другим заболеваниям; б) высокая влажность также трудно переносится при высокой температуре, этих условиях затруднен отвод тепла за счет
испарения влаги и возможен перегрев тела.
Выводы.
Рассмотрев поставленные задачи, мы пришли к выводу, что воздух, а
именно содержание в нем водяного пара, может влиять не только на самого
человека, но и на все, что его окружает. В этой исследовательской работе был
изучен вопрос о влиянии влажности воздуха на жизнедеятельность человека.
Люди весьма восприимчивы к влажности. От нее зависит интенсивность
испарения влаги с поверхности кожи. Жара труднее переносится при высокой
влажности воздуха. В этих условиях затруднен отвод тепла за счет испарения
влаги. Поэтому возможен перегрев тела, нарушающий жизнедеятельность
организма. В сухом воздухе, напротив, происходит быстрое испарение влаги с
поверхности кожи, что приводит к высыханию слизистых оболочек
дыхательных путей. Для оптимального теплообмена человеческого организма
при температуре 20-25
С на
порядка 50%.
Для устранения неблагоприятного влияния влажности воздуха в помещениях проветривают, используют по мере необходимости кондиционеры или
обогреватели.
Мы протестировали два обогревателя – масляный и тепловентилятор. Быстрее нагрел комнату и значит, понизил быстрее относительную влажность
воздуха тепловентилятор. Но при этом работа масляного обогревателя оказалась более комфортной для человека. Он бесшумный и не было запаха сгоревшей пыли, что присутствовало у тепловентилятора.
Из-за того, что многие наши комнатные растения являются выходцами из
тропических лесов, поэтому некоторым растениям приходится очень трудно в
сухом воздухе наших квартир с отоплением. От недостатка воды в воздухе они
страдают гораздо чаще, чем от ее избытка. В сухом воздухе растения начинают
испарять через устьица на листьях больше воды, и их водный баланс нарушается: кончики листьев становятся коричневыми и засыхают и т. д. Есть несколько
способов повышения влажности воздуха в комнате, они рассмотрены в нашей
работе.
Так как в течение учебного года мы много времени проводим в школе, то
не маловажную роль играет состояние влажности в учебных кабинетах. Мы выяснили, отвечает ли санитарным нормам условия в наших классах. Измерения
588
проводились в предметных кабинетах. Показания измерений занесены в таблицу на странице 31. Из неё видно, что влажность в нашей школе в пределах нормы. Это достигается своевременным проветриванием, наличием цветов и поддержанием оптимальных температур в классах. Показания мы снимали одновременно двумя приборами – сделанными самостоятельно и заводским. Показания не существенно не отличались. Значит, Вы также можете сделать свой
прибор и самостоятельно контролировать влажность воздуха у себя в квартире.
Библиографический список
1. Голубев, В. Б. Мир комнатных растений : иллюстрированный справочник / В. Б. Голубев, А. С. Ремизов. – М.: АСТ: Астрель, 2006. -251, (1) с.:ил.
2. Зверев И. Д. Книга для чтения по анатомии, физиологии и гигиене человека. Пособие для учащихся. Под ред. д-ра биол. наук Л.В. Латманизовой.
М., «Просвещение», 1971 287 с. с ил.
Кибакова Кристина, 10 кл., МОУ «Старошайговская СОШ № 2»
Старошайговского района Республики Мордовия
Руководитель: Демкин Н. П., учитель физики и информатики
МОУ «Старошайговская СОШ № 2» Старошайговского района
Республики Мордовия
ДВИГАТЕЛЬ ГЕРЦА-КВИНКЕ
Введение
Просматривая множество книг и журналов, я наткнулась на статью Лебедева В.С. «Двигатель Герца-Квинке» в журнале «Потенциал» № 12 за 2010 год.
Там говорилось об эффекте Герца-Квинке, и были описаны различные модели
двигателей, работающих на этом эффекте. Мне стало очень интересно. Я решила сама изготовить несколько моделей двигателей, принцип работы которых
основан на эффекте Герца-Квинке и исследовать физические характеристики
этих необычных двигателей.
Цели проекта:
• создать модель двигателя Герца-Квинке;
• изучить принцип его работы;
• исследовать зависимость частоты вращения ротора двигателя от различных факторов;
• предложить способы применения двигателя Герца-Квинке.
589
План создания проекта и проведения исследований:
1. Изучение специальной литературы, сбор информации;
2. Создание моделей двигателей Герца-Квинке;
3. Объяснение принципа работы двигателей;
4. Анализ полученных данных.
5. Формирование выводов.
Оборудование:
1. Источник постоянного и переменного напряжения (В-24);
2. Преобразователь высоковольтный школьный «Разряд-1»;
3. Мобильная цифровая лаборатория einstein Tablet +;
4. Штатив с муфтой;
5. Два штатива на изолирующих ножках;
6. Лазер;
7. Остроконечные электроды;
8. Пластины;
9. Пластиковый полый цилиндр;
10. Пластиковый полый шар;
11. Стержень;
12. Магнит;
13. Фольга размером 1х1 см.
14. Соединительные провода.
15. Линейка.
Основная часть.
Постановка проблемы.
Ознакомившись со статьей Лебедева В.С. «Двигатель Герца-Квинке» в
журнале «Потенциал», я заинтересовалась созданием и изучением необычного
двигателя, в котором нет привычного ротора, скользящих контактов. Данный
двигатель должен работать только под действием сильного электрического поля. Необходимое оборудование имелось в наличии в кабинете физики.
В первую очередь, я с руководителем проекта, учителем физики Дёмкиным Н.П. быстро собрали установку – модель двигателя Герца-Квинке, и с
удивлением обнаружили, что двигатель работает!
Изучая Интернет-источники по двигателям Герца-Квинке, оказалось, что
очень мало информации описывающее принцип их работы.
Описание экспериментальной установки.
В качестве роторов двигателя Герца-Квинке использовались пластиковый
цилиндрический стаканчик из-под ватных палочек (диаметр 6,2 см и высота 8
см) и пластиковый полый шар из-под новогоднего сюрприза (диаметр 10 см). В
данных роторах сделала отверстия по центру, просунула через них заостренную
590
спицу и скрепила быстросхватывающимся клеем. Для уменьшения силы трения
ротор установила вертикально. Верхний конец заостренной спицы притягивался маленьким, но мощным магнитом. Нижний конец спицы просовывался в отверстие чуть большего диаметра чем спица.
В данной работе изучалась зависимость частоты обращения ротора двигателя от электрического напряжения, подаваемого на электроды, формы электродов, взаимного расположения электродов. Для измерения частоты вращения
ротора двигателя я использовала мобильную цифровую лабораторию einstein
Tablet +. В данной лаборатории имеется встроенный датчик освещённости. На
этот датчик направлялся луч лазера после отражения от маленького кусочка
алюминиевой фольги, приклеенной к ротору. На дисплее планшета строился
график изменения освещенности от времени. После легкого толчка ротора он
начинает вращаться. Из-за силы трения ротор постепенно останавливается. По
результатам нескольких опытов было измерено угловое ускорение замедления
вращения ротора вследствие трения и сопротивления среды, и оно составило 4,4 рад/с2.
В качестве источника напряжения использовался высоковольтный преобразователь напряжения Разряд-1. На вход преобразователя подается напряжение до 12 В постоянного тока от источника питания В-24, максимальное выходное напряжение – 25 кВ.
591
Экспериментальные исследования.
Опыт с пластинами.
Первый наблюдения с остроконечными электродами показали наличие
эффекта Герца-Квинке, но опыты с измерениями первыми стали проводить с
пластинами. В отличии от результатов опыта
описанных в вышеназванной статье, у нас шар и
цилиндр также вращался, но не долго. Скорость
вращения ротора медленно уменьшается, и через некоторое время ротор останавливался.
Можно предположить, что это произошло из-за
недостаточно высокой напряженности электрического поля. Поле от пластин более однородно
чем от остроконечных электродов или напряжение, подаваемое на пластины,
оказалось недостаточным. Угловое ускорение при остановке ротора составило
примерно -1,46 рад/с2 для цилиндра и -1,12 рад/с2 для шара, что намного больше углового ускорения замедления ротора без подачи напряжения.
Опыты с остроконечными электродами
После нескольких неудачных опытов с плоскими пластинами я приступила к опытам с остроконечными электродами. Хочу заметить, что и здесь не всегда ротор раскручивался. Выполнив ряд предварительных опытовнаблюдений замечено, что ротор хорошо раскручивался в случае, когда электроды находились на
одной прямой и на минимально возможном расстоянии от роторов. В такой модели двигателя
цилиндр начинал вращаться от слабого толчка
причём, движение цилиндра происходило только по часовой стрелке. Угловое
ускорение примерно равно 0,55 рад/с2. Шар раскручивался медленнее с ускорением 0,13 рад/с2, но приобретал большую угловую скорость.
592
-
+
Было решено исследовать зависимость частоты вращения ротора от мощности потребляемой преобразователем напряжения «Разряд-1» и от расстояния
между электродами. Результаты исследований представлены в виде таблицы и
графика.
593
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Зависимость частоты вращения ротора
от мощности потребляемой преобразователем напряжения «Разряд-1»
Частота вращения, об/с
Напряжение, В
Сила тока, А
Мощность, Вт
Цилиндр
Шар
5,03
0,35
1,7605
0,45
0,45
6,05
0,52
3,146
1,23
1,35
7,06
0,71
5,0126
1,72
1,91
8
0,92
7,36
2,27
2,41
9,04
1
9,04
2,64
2,58
10
1,1
11
2,94
3,12
11
0,93
10,23
2,78
2,82
12
0,72
8,64
2,5
2,54
13
0,54
7,02
2,21
2,24
14
0,37
5,18
1,8
1,92
594
Зависимость частоты вращения ротора от расстояния между электродами
Расстояние между
электродами, см
2,4
2,7
3
3,2
3,6
4
4,4
4,8
5,2
5,6
6
6,2
6,4
6,6
Частота вращения, об/с
Цилиндрического ротора
Шарового ротора
2,58
2,32
2,78
2,5
2,91
2,55
2,12
2,74
1,54
2,87
0,92
2,94
0,68
1,76
0,43
0,66
0,18
0,43
0,12
0,21
0,06
0,17
0,06
0,14
0,12
0,11
595
По результатам этих опытов можно сделать следующие выводы:
 С увеличением мощности потребляемой преобразователем напряжения «Разряд-1», а значит увеличением напряжения между электродами увеличивается частота вращения ротора двигателя Герца-Квинке. Увеличение частоты вращения ротора нелинейно. Можно объяснить нелинейностью изменения
напряжения на электродах или возрастанием сил трения с увеличением частоты
вращения.
 Имеется хорошая зависимость частоты вращения от расстояния между
электродами с ярко выраженным максимумом. Вполне возможно, что при малых расстояниях между электродами происходит стекание зарядов по воздуху,
минуя ротор двигателя.
 Шаровой ротор вращался несколько быстрее чем цилиндрический, и
максимум вращения приходится на разные расстояния между электродами.
Возможно, что это связано с различными веществами, из которых изготовлены
роторы.
Оценка мощности и КПД двигателя.
Для того чтобы приблизительно оценить мощность, развиваемую двигателем, собрала установку по схеме. Через легкий блок перекинула легкую нить.
einstein
Один конец нити привязала в оси ротора, а на другой конец нити подвесила
прямоугольный лист бумаги размером 30 х 10,5 см, и массой 2,5 г. Время подъема листа бумаги фиксировала цифровой лабораторией einstein Tablet + с помощью датчика фтотворота. Двигатель Герца-Квинке поднимал лист бумаги за
время 2,23 с. Работа, совершаемая двигателем равна 7,35 мДж. Потребляемая
мощность высоковольтным преобразователем напряжения равна 11 Вт, а затраченная работа 24,5 Дж. Таким образом можно оценить КПД двигателя ГерцаКвинке, на нашей модели он составил 0,03 %. КПД двигателя оказался очень
мал, что и следовало ожидать, легкого прикосновения к ротору достаточно для
его остановки. В связи с малым КПД двигатель Герца-Квинке не имеет к сего596
дняшнему времени применения, но можно предложить его применение там, где
имеются сильные статические и неоднородные электрические поля.
Объяснение принципа работы двигателя Герца-Квинке.
Свойства диэлектриков
Диэлектрик, из которого изготовлен ротор, состоит из электрически нейтральных молекул. Молекулы диэлектриков бывают двух типов: полярные и
неполярные.
Полярными называют такие молекулы,
у которых центры положитель-ного и отрицательного зарядов не совпадают (спирты, вода
и др.); неполярны-ми – атомы и молекулы, у
которых центры распределения зарядов совпадают (инертные газы, кислород, водород,
Рис. 4. Поляризация ротора
полиэтилен и др.).
Поляризация полярных диэлектриков. Диэлектрик вне электрического
поля – в результате теплового движения электрические диполи ориентированы
беспорядочно на поверхности и внутри диэлектрика. В этом случае заряд на
поверхности диэлектрика равен нулю: q=0, электростатическое поле внутри диэлектрика отсутствует: Eвн=0.
Электроды
отсутствуют
Поднесли электроды
под напряжением
При внесении полярного диэлектрика в электрическом поле – на диполи
действуют силы, которые поворачивают диполи, ориентируя их вдоль силовых
линий поля. Но ориентация диполей– только частичная, т. к. мешает тепловое
движение. На поверхности диэлектрика возникают связанные заряды, а внутри
диэлектрика заряды диполей компенсируют друг друга.
Поляризация неполярных диэлектриков. Молекулы могут поляризоваться
в электрическом поле. При этом положительные и отрицательные заряды молекул смещаются, центры распределения зарядов перестают совпадать, а значит,
они превращаются в электрические диполи. Эти диполи ориентируются вдоль
597
силовых линий внешнего поля, в результате чего на поверхности диэлектрика
возникают связанные заряды.
Таким образом, любой диэлектрик (а в нашем случае диэлектрический
ротор двигателя Герца – Квинке) в электрическом поле электродов поляризуется. Процесс поляризации схематически показан на рисунке (на рисунке диполи
условно обозначены эллипсами).
Первый подход к объяснению эффекта
Рассмотрим отрицательно заряженную половину ротора. На неё действуют две
силы: одна, которая притягивает заряд к положительному электроду, вторая (меньшая
по величине), которая отталкивает заряд от
одноимённого электрода. Если внешним
воздействием повернуть ротор больше чем
на 90 градусов, в поле электродов попадают
другие молекулы и происходит переполяризация молекул. Время переполяризации соизмеримо со временем поворота ротора. Поэтому появляется вращающий момент. Это повторяется снова и снова, и цилиндр продолжает вращаться.
Аналогичные процессы происходят и для положительно заряженной стороны.
Я думаю, что время поворота диполя соизмеримо со временем поворота
ротора. Поэтому после поворота ротора на 90 градусов диполи успевают повернуться, сменив знак заряда на поверхности диэлектрика на противоположный. Ротор продолжит вращение, так как одноимённые заряды будут отталкиваться. Потери на трение должны быть минимальны.
Так что вращение ротора, по-видимому, во многом зависит от того, с какой скоростью его диполи могут переполяризовываться.
Второй подход к объяснению эффекта
Согласно представленному эксперименту ток через электроды в присутствии
вращающегося диэлектрического ротора увеличивается. Но, как и где тогда протекает
этот ток? Возможен такой вариант ответа на
этот вопрос: ток течёт в воздухе, обтекая боковую поверхность вращающегося цилиндра.
На рисунке остроконечные электроды подведены к диэлектрическому
цилиндру несимметрично. В поле, созданном этими электродами, диэлектрик
поляризуется. Эллипсами показаны поляризованные молекулы (диполи). На левой стороне цилиндра возникает поверхностный положительный заряд, а на
правой – отрицательный.
598
Синими точками на рисунке показаны заряды, которые «стекают» с отрицательного электрода и движутся к положительному электроду. Эти заряды
движутся, огибая боковую поверхность цилиндра по кратчайшей дуге. Очевидно, что они должны взаимодействовать с поверхностными зарядами на цилиндре. Красными стрелками показаны силы, действующие на поверхностные заряды. Из рисунка видно, что на левой стороне цилиндра это силы притяжения, а
на правой – силы отталкивания. Такие силы могут создавать вращающий момент, который и приводит к закручиванию цилиндра. Таким образом получается, что поток зарядов над поверхностью цилиндра как бы «увлекает за собой»
цилиндр. Следует отметить, что для проверки описанной выше версии объяснения эффекта нужно проводить эксперимент в вакууме. Но такой возможности
у меня не было.
Заключение
При анализе результатов проведённых опытов мною были получены такие выводы:
1) Двигатели действительно работают и эффект Герца – Квинке существует.
2) Чтобы ротор начал движение от толчка, двигатель должен быть симметричным.
3) Частота вращения ротора двигателя зависит то напряжения и расстояния между электродами.
4) Частота вращения ротора двигателя по-видимому зависит от скорости
переполяризации (свойств материала ротора двигателя) диполей должна зависеть скорость вращения ротора.
5) Определила мощность и КПД Двигатель Герца-Квинке.
Цели, поставленные в начале работы достигнуты. Но это не значит, что в
этом вопросе поставлена точка. Для более полного ответа на вопрос объяснения
эффекта Герца-Квинке необходимо проведение ещё большего количества экспериментов с различными материалами ротора, более высоким напряжением,
исследование поведения двигателя Герца-Квинке в вакууме. Моё решение может быть оспорено или дополнено. По этому вопросу до сих пор ведутся дискуссии, предлагаются различные варианты объяснений, вплоть до мистических.
Чёткого решения нет, несмотря на то, что сам эффект был обнаружен Герцем
ещё в 1881 году. Тем не менее, несмотря на кажущуюся простоту самого эффекта, вопрос о его объяснении до сих пор остаётся открытым.
Библиографический список
1. Журнал «Потенциал» № 12 за 2010 год.
2. Юный техник. – 2007. – № 4.
599
Интернет-ресурсы:
http://potential.org.ru/pub/Home/FullTextArticles//grc_kv.pdf
http://kazus.ru/shemes/showpage/0/942/1.html
http://alexfrolov.narod.ru/russumoto.htm
Хопта Анастасия, 10И кл. МБОУ «Многопрофильный лицей»
г. Муравленко ЯНАО, Тюменская область
Руководитель: Зинковская В. Н., учитель физики
МБОУ«Многопрофильный лицей» г. Муравленко ЯНАО,
Тюменская область
ИЗМЕРЕНИЕ УСКОРЕНИЯ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ
МАЯТНИКОВЫМ МЕТОДОМ
Введение
Актуальность. Все мы знаем, как велика сила земного тяготения, и не раз
ощущали это на себе. Мы всегда падаем не вверх, а вниз, потому что нас притягивает Земля. Сила тяготения действует на земле всегда и всюду, но величина
ее неодинакова. Чем тяжелее предмет, тем сильнее он к себе притягивает.
В глубине Земли и в горах находятся породы и руды, которые сильно различаются по своей плотности. Можно искать рудные месторождения по изменению
величины силы притяжения. Основным измеряемым параметром в гравиметрической разведке (исследование земных недр, основанный на изучении гравитационного поля Земли), является ускорение силы тяжести (ускорение свободного падения).
Целью данной работы является определение ускорения свободного падения
в различных местах маятниковым методом, и сравнить полученные данные.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Определить ускорение свободного падения для данной местности.
2. Установить зависимость ускорения свободного падения от широты местности и плотности залегаемых пород.
3. Построить диаграмму и сравнить данные.
Эта работа основывается на теоретических и практических исследованиях
Объектом местность г. Муравленко
Предметом моего исследования является ускорение силы тяжести (ускорение свободного падения).
Методы исследования:
1. Изучение и анализ литературы по определению ускорения силы тяжести маятниковым методом.
600
2. Описание прибора, использованного в эксперименте.
3.Проведение измерений ускорения силы тяжести в различных точках местности.
4. Анализ полученных результатов.
5. Выводы.
Гипотеза: если сила тяготения действует на Землю всегда и всюду и величина ее неодинакова, то можно ли определить ускорение силы тяжести для
данной местности и установить зависимость от широты местности и плотности
залегаемых пород.
Значимость этой работы заключается в том, что измеряя ускорение силы
тяжести можно характеризовать гравитационное поле Земли и использовать для
изучения общего внутреннего строения, геологического строения ее верхних
частей. В перспективе перед гравиметрией стоит задача изучения Луны и планет по их гравитационному полю. В гравиметрии гравитационное поле Земли
задаётся обычно полем силы тяжести (или численно равного ей ускорения силы
тяжести), которая является результирующей двух основных сил: силы притяжения (тяготения) Земли и центробежной силы, вызванной её суточным вращением. Центробежная сила, направленная от оси вращения, уменьшает силу тяжести, причём в наибольшей степени на экваторе. Уменьшение силы тяжести
от полюсов к экватору обусловлено также и сжатием Земли. В результате действия обеих причин сила тяжести на экваторе примерно на 0,5% меньше, чем на
полюсах. Изменение силы тяжести вследствие притяжения Луны и Солнца не
превосходит нескольких десятимиллионных её долей. Ещё меньше изменения
из-за перемещений масс в недрах Земли и масс воздуха. Величины силы тяжести на земной поверхности зависят от фигуры и распределения плотности
внутри Земли. Поэтому изучение гравитационного поля Земли доставляет ценный материал для суждений о её фигуре и внутреннем строении, в частности
для разведки полезных ископаемых.
Основная часть.
1.1. Ускорение свободного падения.
Свободным падением тел называют падение тел на Землю в отсутствие
сопротивления воздуха (в пустоте). В конце XVI века знаменитый итальянский
ученый Г.Галилей опытным путем установил с доступной для того времени
точностью, что в отсутствие сопротивления воздуха все тела падают на Землю
равноускоренно, и что в данной точке Земли ускорение всех тел при падении
одно и то же. До этого в течение почти двух тысяч лет, начиная с Аристотеля, в
науке было принято считать, что тяжелые тела падают на Землю быстрее легких. Ускорение, с которым падают на Землю тела, называется ускорением свободного падения. В различных точках земного шара в зависимости от географической широты и высоты над уровнем моря числовое значение g оказывается
601
неодинаковым, изменяясь примерно от 9,83 м/с2 на полюсах до 9,78 м/с2 на экваторе. На широте Москвы g = 9,81523 м/с2. Обычно, если в расчетах не требуется высокая точность, то принимают числовое значение g у поверхности Земли
равным 9,8 м/с2 или даже 10 м/с2 Ускорение свободного падения состоит из
двух слагаемых: гравитационного ускорения и центростремительного ускорения. Значение гравитационного ускорения на поверхности планеты можно приблизительно подсчитать, представив планету точечной массой M, и вычислив
гравитационное ускорение на расстоянии её радиуса R:
,
где G — гравитационная постоянная (6,6742×10-11 м3с-2кг-1).
Если применить эту формулу для вычисления гравитационного ускорения
на поверхности Земли, мы получим
м/с²
Полученное значение приблизительно совпадает с ускорением свободного падения. Отличия обусловлены:
• Центростремительным ускорением в системе отсчёта, связанной с вращающейся Землёй;
• неточностью формулы из-за того, что масса планеты распределена по
объёму, который, кроме того, имеет не шарообразную форму;
• неоднородностью Земли, что используется для поиска полезных ископаемых по гравитационным аномалиям;
Ускорение свободного падения для некоторых городов
Географические координаты
Высота
(по Гринвичу)
Город
над уровнем моря, м
Долгота
Широта
Берлин
13.40 в.д.
52.50
40
Будапешт
19.06 в.д.
47.48
108
Вашингтон
77.01 з.д.
38.89
14
Вена
16.36 в.д.
48.21
183
Гринвич
0.0 в.д.
51.48
48
Каир
31.28 в.д.
30.07
30
Мадрид
3.69 в.д.
40.41
655
Нью-Йорк
73.96 з.д.
40.81
38
Осло
10.72 в.д.
59.91
28
Париж
2.34 в.д.
48.84
61
Прага
14.39 в.д.
50.09
297
Рим
12.99 в.д.
41.54
37
Стокгольм
18.06 в.д.
59.34
45
Токио
139.80 в.д.
35.71
18
602
Ускорение
свободного падения, м/с2
9.81280
9.80852
9.80112
9.80860
9.81188
9.79317
9.79981
9.80247
9.81927
9.80943
9.81014
9.80312
9.81843
9.79801
Исторически масса Земли была впервые определена Генри Кавендишем,
исходя из известного ускорения свободного падения и радиуса Земли, и впервые измеренной им гравитационной постоянной.
1.2. Измеряемые в гравиметрической разведке параметры.
Основным измеряемым параметром в гравиметрической разведке является ускорение силы тяжести, которое определяется либо абсолютно, либо относительно. Методы измерения ускорения силы тяжести и его приращения делятся на динамические и статические. Под динамическими методами понимаются
такие методы, в которых наблюдается движение тела под действием силы тяжести (качание маятника, свободное падение тел и др.) В этом случае g определяется через параметры движения тела и параметры установки. В статических
методах действие силы тяжести компенсируется (например, силой упругости
пружины), а g определяется по изменению статического положения равновесия
тела. Наиболее используемый динамический метод - маятниковый. Математический маятник представляет собой систему, состоящую из небольшого груза и
тонкой нитки, на конце которой подвешен этот груз. Предполагается, что нить
нерастяжима, а ее массой можно пренебречь по сравнению с массой груза.
Движение математического маятника напоминает простое гармоническое колебание: груз качается по дуге окружности с одинаковой амплитудой по обе стороны от положения равновесия (когда нить вертикальна) и проходит нижнюю
точку с максимальной скоростью. При малых отклонениях от вертикали движение математического маятника представляет собой гармонические колебания. Период колебаний можно вычислить по формуле:
где l - длина маятника, g - ускорение силы тяжести. Эта формула остается справедливой и для реального объекта - физического маятника. Точность определения периода возрастает при увеличении времени наблюдения за колебаниями
маятника. Для абсолютных измерений ускорения силы тяжести необходимо
измерять длину маятника. Удивительно то, что период колебаний не зависит от
массы. Период гармонических колебаний не зависит от амплитуды. Первым кто
обратил на это внимание Галилей, наблюдая за качающейся люстрой в соборе в
Пизе. Это открытие привело к созданию маятниковых часов – первого по- настоящему точного прибора для измерения времени, не имеющего конкурентов
в течение несколько столетий. Но поскольку колебания маятника не являются
строго гармоническими, их период все - таки зависит от амплитуды. Общая
формула для периода колебаний маятника записывается в виде бесконечного
ряда:
603
где a – угловое смещение маятника. В данной формуле каждый следующий
член ряда меньше предыдущего; поэтому достаточно учесть лишь столько,
сколько необходимо для обеспечения требуемой точности. Маятник используется в геологии. Хотя маятниковые приборы и подвержены воздействию температуры, влажности и других факторов, они характеризуются очень медленным
и плавным сползанием нуль-пункта (изменением зависимости показаний в одной и той же точке от времени, вызванным старением системы).
При измерениях маятниковыми приборами в движении, например, при
морских съемках, влияние качки можно существенно снизить, если применять
несколько маятников, закрепленных на одном основании. В этом случае их колебания обычно сводят к колебаниям одного эмпирического маятника, используя сложный математический аппарат. Определение абсолютного значения ускорения силы тяжести можно проводить методом свободного падения, когда
измеряется время свободного падения тела и расстояние, пройденное телом.
Измерения отличаются большой трудоемкостью и выполняются на обсерваториях. В настоящее время известны методы абсолютных и относительных измерений силы тяжести, основанные на изучении колебаний струн. В них измеряется частота колебаний струны, ее длина и масса. В результате можно рассчитать ускорение силы тяжести.
1.3. Гравиметрия
Гравиметрия, раздел науки об измерении величин, характеризующих гравитационное поле Земли и об использовании их для определения фигуры Земли, изучения её общего внутреннего строения, геологического строения её
верхних частей, решения некоторых задач навигации и др. В перспективе перед
гравиметрия стоит задача изучения Луны и планет по их гравитационному полю. В гравиметрии гравитационное поле Земли задаётся обычно полем силы
тяжести (или численно равного ей ускорения силы тяжести), которая является
результирующей двух основных сил: силы притяжения (тяготения) Земли и
центробежной силы, вызванной её суточным вращением.
Центробежная сила, направленная от оси вращения, уменьшает силу тяжести, причём в наибольшей степени на экваторе. Уменьшение силы тяжести
от полюсов к экватору обусловлено также и сжатием Земли. В результате действия обеих причин сила тяжести на экваторе примерно на 0,5% меньше, чем на
полюсах. Изменение силы тяжести вследствие притяжения Луны и Солнца не
превосходит нескольких десятимиллионных её долей. Ещё меньше изменения
из-за перемещений масс в недрах Земли и масс воздуха. Величины силы тяжести на земной поверхности зависят от фигуры и распределения плотности
604
внутри Земли. Поэтому изучение гравитационного поля Земли доставляет ценный материал для суждений о её фигуре и внутреннем строении, в частности
для разведки полезных ископаемых.
Определения силы тяжести производятся относительным методом, путём
измерения при помощи гравиметров и маятниковых приборов разности силы
тяжести в изучаемых и опорных пунктах. Сеть же опорных гравиметрических
пунктов на всей Земле связана в конечном итоге с пунктом в Потсдаме (ГДР).
Абсолютные определения силы тяжести сопряжены со значительными трудностями, и их точность ниже относительных измерений. Новые абсолютные измерения, производимые более чем в 10 пунктах Земли.
После завершения этих работ будет осуществлен переход на новую гравиметрическую систему. Однако во многих задачах гравиметрия эта ошибка не
имеет существенного значения, т. к. для их решения используются не сами абсолютные величины, а их разности. Наиболее точно абсолютное значение силы
тяжести определяется из опытов со свободным падением тел в вакуумной камере. Успеху опытов способствует прогресс в технике измерений времени и
расстояний. Существует специальная гравиметрическая аппаратура для измерений силы тяжести с движущихся объектов (подводных и надводных кораблей, самолётов). В приборах осуществляется непрерывная запись изменения
ускорения силы тяжести по пути корабля или самолёта. Такие измерения связаны с трудностью исключения из показаний приборов влияния возмущающих
ускорений и наклонов основания прибора, вызываемых качкой. Имеются специальные гравиметры для измерений на дне мелководных бассейнов, в буровых
скважинах. На основании гравиметрических измерений строятся гравиметрические карты с изолиниями аномалий силы тяжести. Такие аномалии в основном
используются для разведки полезных ископаемых.
Гравиметрические измерения используются для изучения неоднородностей плотности в верхних частях Земли с геологоразведочными целями. На основании анализа аномалий силы тяжести делаются качественные заключения о
положении масс, вызывающих аномалии, а при благоприятных условиях проводятся количественные расчёты. Гравиметрический метод позволяет более рационально направить бурение и геологоразведочные работы. Он помогает исследовать горизонты земной коры и верхней мантии, недоступные бурению и
обычным геологическим наблюдениям. На основе изучения гравитационного
поля Земли изучается проблема: находится ли Земля в состоянии гидростатического равновесия, каковы напряжения в теле Земли? Сравнивая наблюдаемые
изменения силы тяжести под влиянием притяжения Луны и Солнца с их теоретическими значениями, вычисленными для абсолютно твёрдой Земли, делают
заключения о внутреннем строении и упругих свойствах Земли. Знание деталь605
ного строения гравитационного поля Земли необходимо также и при расчёте
орбит искусственных спутников Земли. При этом основное влияние оказывают
неоднородности гравитационного поля, обусловленные сжатием Земли
Решается также и обратная задача: по наблюдениям возмущений в движении искусственных спутников вычисляются составляющие гравитационного
поля. Теория и опыт показывают, что таким путём особенно уверенно определяются те особенности гравитационного поля, которые по гравиметрическим
измерениям выводятся наименее точно. Поэтому для изучения фигуры Земли и
её гравитационного поля совместно используются спутниковые и гравиметрические наблюдения, а также геодезические измерения Земли.
Практическая часть
2.1. Методика измерения.
Производились измерения ускорения свободного падения маятниковым
методом. Применяемое оборудование: грузило, шарик, шелковая нить, метр, секундомер, штатив. Шарик или грузило подвешивались на шелковой нити, которая крепилась в лапке штатива. Длина нити была 1м, 1.25м, 1,5м и измерялась
метром. Маятник отклонялся на небольшой угол, до 10°. С помощью секундомера засекалось время колебаний. Число колебаний было от 20 до 50. Измерения
проводились в районе лицея , на кустах по добыче нефти в разные промежутки
времени. Из формулы периода колебаний математического маятника
где Т – период колебаний, который находится Т= t/N. Откуда ускорение свободного падения
g = 4п2 l N2/ t2 ,
где l – длина нити, N – число колебаний, t – время колебаний.
2.2. Результаты измерений.
Измерения ускорения свободного падения проводились в районе лицея и
на месторождениях по добычи нефти. Полученные результаты измерений представлены в виде таблиц и диаграммы
1. Географическое расположение г.Муравленко 63°47’с.ш., 74°31’ в.д.,
120м над уровнем моря. Измерения производились в районе лицея, дата проведения - 22.11.14, время проведения -14:00, температура воздуха – t=-6°С.
а) шарик
N
20
30
40
50
t, с
44,6
65
88
108,4
l, м
40
60
80
99,6
1,25
1
606
g, м/с2
9,91
9,86
9,9
9,86
9,78
9,86
9,85
9,84
g ср, м/с2
9,86
9,88
9,87
б) грузило
N
20
30
40
50
l, м
t, c
39,4
60
81
101
49
63
98
124
1
1,5
g, м/с2
10,2
9,86
9,86
9,96
9,62
9,86
9,66
9,78
g ср, м/с2
9,84
9,86
9.85
Среднее значение ускорения свободного падения в районе лицея 9,86 м/с2
2. Место проведения – район лицея (квартира), дата проведения 10.02.15 – полнолуние, время проведения – 03:00.
а) шарик
N
20
30
40
50
t, с
l,м
1,25
44
57
88,6
110,4
g, м/с2
9,77
9,74
9,75
9,71
g ср, м/с2
9,74
б) грузило
N
20
30
40
50
l, м
t, c
49,6
73,6
98,6
123
41
61
81
101,4
1,5
g, м/с2
9,76
9,79
9,74
9,72
9,83
9,74
9,62
9,71
1
g ср, м/с2
9,74
9,74
9.74
Среднее значение ускорения свободного падения в районе лицея в полнолуние - 9,74 м/с2
3. На месторождениях нефти. Куст №50 (Муравленковское месторождение) находится севернее г. Муравленко, дата проведения - 6.12.14, время проведения - 14:00, температура воздуха t= -15°С. (см. фото 1)
а) шарик
N
20
30
40
50
t, с
51
69
91
106
l,м
41
62
83
104
1,25
1
g, м/с2
7,59
9,39
9,32
9,24
9,53
9,16
10,97
9,12
g ср, м/с2
9,35
9,23
g, м/с2
9,1
9,86
8,12
9,54
9,66
9,62
9,47
9,67
g ср, м/с2
9,01
9,67
9,29
б) грузило
N
20
30
40
50
l, м
t, c
51
81
99
125
40
61
81
101
1,5
1
9,34
Среднее значение ускорения свободного падения в районе куста № 50 9,31 м/с2
607
4. Куст № 24 (Суторминское месторождение) находится около г. Муравленко, дата проведения - 3.03.15, время проведения - 15:40, температура воздуха - t=-13°С (см. фото 2,3).
а) шарик
N
20
30
40
50
t, с
l,м
49
40
73,5
60
98
80
123 100,5
1,5
1
g, м/с2
9,88
9,94
9,86
9,84
9,83
9,81
9,79
9,81
g ср, м/с2
9,84
9,85
9,845
б) грузило
N
20
30
40
50
l, м
t, c
49
74
98
123
41
61,5
82
102,5
1,5
1
g, м/с2
9,76
9,48
9,75
9,44
9,69
9,44
9,64
9,41
g ср, м/с2
9,71
9,44
9,57
Среднее значение ускорения свободного падения в районе куста №24 –
9,71 м/с2.
Результаты ускорений свободного падения представлены в виде диаграммы (см. рис.1)
Заключение
В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований были проведены измерения ускорения свободного падения маятниковым
методом. Было определено ускорение свободного падения для г. Муравленко
(район лицея), географическое расположение которого 64°47’с.ш., 75°31’ в.д.,
120 м над уровнем моря, и его значение составило 9,86 м/с2. Значение ускорения свободного падения зависит от влияния Луны; измерение в полнолуние показало, что значение ускорения свободного падения меньше и равно 9,74 м/с2.
При измерении значения ускорения свободного падения на месторождениях
добычи нефти и газа на кусту №50 оно составило 9,31 м/с2, а на кусту № 24 9,71 м/с2. Различия в полученных значениях объясняются рядом факторов: местом расположения объектов, движением нефти в процессе добычи, наличием в
пластах пустот или газа (значение ускорения свободного падения зависит от
плотности залегаемых пород). То есть чем больше плотность пород, тем сильнее она к себе притягивает. В глубине Земли и в горах находятся породы и руды, которые сильно различаются по своей плотности. Например, кусок плотной
породы (цинковой руды) в полтора-два раза тяжелее, чем вес такого же по объему куска породы меньшей плотности (гипса или песчаника). Значит, руда и
притягивает к себе сильнее, чем гипс.
В наших измерениях получили следующие результаты: максимальное
значение ускорения свободного падения соответствует значению, полученному
608
в городе Муравленко (9,86 м/с2), а наименьшее – на месторождениях нефти и
газа (9,31 м/с2 на Муравленковском месторождении, 9,57 м\с2 на Суторминском). Это говорит о том, что плотность залегаемых пород в городе больше,
чем плотность пород на месторождениях нефти, что подтверждает наличие порового пространства в породах-коллекторах, в которых возможно содержание
флюидов (нефти, газа и воды).
В работе решена поставленная задача и по результатам проведенных измерений сделаны следующие выводы о зависимости ускорения свободного падения от:
1. плотности залегаемых пород;
2. широты местности;
3. влияния Луны,
Маятниковый метод может быть применен для гравиметрии, то есть характеризовать гравитационное поле Земли и использовать для изучения общего
внутреннего строения, геологического строения ее верхних частей. В перспективе перед гравиметрией стоит задача изучения Луны и планет по их гравитационному полю. В гравиметрии гравитационное поле Земли задаётся обычно
полем силы тяжести (или численно равного ей ускорения силы тяжести), которая является результирующей двух основных сил: силы притяжения (тяготения)
Земли и центробежной силы, вызванной её суточным вращением. Изменение
силы тяжести вследствие притяжения Луны и Солнца не превосходит нескольких десятимиллионных её долей. Ещё меньше изменения из-за перемещений
масс в недрах Земли и масс воздуха. Величины силы тяжести на земной поверхности зависят от фигуры и распределения плотности внутри Земли. Поэтому изучение гравитационного поля Земли доставляет ценный материал для суждений о её фигуре и внутреннем строении, в частности для разведки полезных
ископаемых.
Библиографический список
1. Веселов К.Е., Сагитов М.У. Гравиметрическая разведка. М. 1968г.
2 . Грушинский Н.П. Теория фигуры Земли. М. 1963г.
3. Ехнович А.С. Краткий справочник по физике. М. Высшая школа. 1976г.
4. Князев Б.А., Черкасский В.С. Начало обработки экспериментальных
данных., Новосибирск. 1993г.
5. Савельев А.И., Фетисов И.Н. Обработка результатов измерений при
проведении физического эксперимента. М. 1990г.
6. Сивухин Д.В. Общий курс физики. М. Наука. 1989г.
7. Шокин П.Ф. Гравиметрия. М. 1968г.
609
Приложение
Фото 1
Фото 2
Фото 3
610
Результаты ускорений свободного падения
Диаграмма значений ускорения силы тяжести
10
9,5
9
g ср
шарик
8,5
грузило
8
7,5
г.Муравленко
г.Муравленко
(полнолуние)
куст №50
куст №24
рис.1
Дорошенко Кристина, 11 кл. МБОУ «Москаленская СОШ»
Марьяновского района Омской области
Руководитель: Шенкнехт Е. А., учитель физики и информатики
МБОУ «Москаленская СОШ» Марьяновского района
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ
ЖИДКОСТЕЙ ОТ ИХ СВОЙСТВ
Введение
Разве можно исчерпать многообразие парадоксов и загадок, опытов и задач на преломление и отражение света, притягивающих внимание человечества
уже более двух тысяч лет?!
Евклид описывает опыт, который до сих пор не сходит со страниц
школьных учебников. Декарт пытается объяснить происхождение радуги, и это
объяснение практически не претерпевает изменений без малого четыреста лет.
Ферма и Гюйгенс ищут и находят универсальные принципы распространения
света, с помощью которых сегодня каждый старшеклассник может вывести законы геометрической оптики. Ньютон раскладывает белый свет, пользуясь преломляющей его призмой, - и этот опыт также становится «школьным».[4]
611
Меня так же интересуют вопросы геометрической оптики, а точнее один
из ее законов – преломление света.
Преломление (рефракция) — явление изменения пути следования светового луча (или других волн), возникающее на границе раздела двух прозрачных
(проницаемых для этих волн) сред или в толще среды с непрерывно изменяющимися свойствами.[5]
Преломление встречается на каждом шагу и воспринимается как совершенно обыденное явление: можно видеть как ложка, которая находится в чашке
с чаем, будет «переломлена» на границе воды и воздуха. Преломление и отражение света в каплях воды порождает радугу.
Я решила рассмотреть преломление света в жидкостях. Зная, что преломление света зависит от:
• Цвета света – дисперсия света
• Рода вещества,
Мне стало интересно, от каких же еще величин зависит показатель преломления в жидкостях.
В связи с этим целью исследования является исследование зависимости
показателя преломления жидкостей от их свойств.
Задачи исследования:
1. Изготовить измерительный прибор.
2. Измерить показатель преломления воды при различной температуре.
3. Измерить показатель преломления сахара в воде различной концентрации.
4. Измерить показатель преломления раствора спирта, глицерина, подсолнечного масла и шампуня.
5. Измерить показатели преломления жидкостей различной плотности.
6. Сформулировать выводы о полученных зависимостях.
7. Определить, каким образом полученные результаты можно использовать на практике.
Объект исследования: оптически прозрачные жидкости – вода, водный
раствор сахара, глицерин, масло подсолнечное «Золотая семечка», раствор
спирта этилового 40%, шампунь «Pantene».
Предмет исследования: показатель преломления жидкостей.
Для достижения поставленных задач я использовала следующие формы
исследования:
1. Изучила литературу по данной теме.
2. Составила таблицы для записи и обработки результатов исследования.
3. Составила график наблюдения.
4. Изготовила измерительный прибор для проведения исследования.
612
Методы исследования:
• Наблюдения
• Математический
• Компьютерное моделирование
Преломление света
Первые попытки найти закон преломления были сделаны известным
александрийским астрономом Клавдием Птолемеем почти два тысячелетия назад. Однако точность измерений в то время была недостаточна высока. Птолемей пришел к выводу, что отношение углов падения и преломления при заданных средах остается постоянным. Заметим, что для получения правильной зависимости между углом падения и углом преломления нужно измерять эти углы с точностью до нескольких минут; это особенно существенно при небольших углах падения и преломления. При грубых измерениях при небольших углах вместо постоянства отношения синусов углов легко прийти к неправильному выводу о постоянстве отношения самих углов, как и случилось с Птолемеем.
В правильной форме закон преломления был установлен только спустя полторы тысячи лет после Птолемея голландским физиком Виллебрордом Снеллиусом (1580–1626) и, по-видимому, независимо от него французским физиком и
математиком Рене Декартом (1596-1650).[2]
Закон преломления: Если луч света пересекает границу раздела двух прозрачных однородных сред 1 и 2, то
направление луча изменяется в соответствии с законом
преломления
sin α
= n 2,1
sin β
где α- угол падения, β - угол преломления, n21 - относительный показатель преломления, т.е. показатель преломления второй среды 2 относительно первой
среды 1.
sin α n 2
=
sin β n 1 ,
где n1 и n2 - абсолютные показатели преломления сред 1 и 2 соответственно,
т.е. показатели преломления этих сред относительно вакуума.
Постоянная величина, входящая в закон преломления света, называется
относительным показателем преломления или показателем преломления второй
среды относительно первой. Из принципа Гюйгенса не только следует закон
преломления, но с помощью этого принципа раскрывается физический смысл
показателя преломления. Он равен отношению скоростей света в средах, на
границе между которыми происходит преломление:
613
n=
v1
v2
Если угол преломления меньше угла падения, то скорость света во второй
среде меньше, чем в первой.
Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления этой среды. Он равен отношению синуса угла падения к синусу угла преломления при переходе светового луча из вакуума
в данную среду.
Пользуясь формулой, можно выразить относительный показатель преломления через абсолютные показатели преломления n1 и n2 первой и второй
сред.
Действительно, так как
n1 =
n=
c
v1
v1
v2
=
,и
n2
n2 =
c
v2
, где с – скорость света в вакууме, то:
n1
Среду с меньшим абсолютным показателем преломления принято называть оптически менее плотной средой.
Абсолютный показатель преломления определяется скоростью распространения света в данной среде, которая зависит от физического состояния среды, т.е. от температуры вещества, его плотности, наличия в нем упругих напряжений. Показатель преломления зависит также и от характеристик самого
света. Для красного света он меньше, чем для зеленого, а для зеленого – меньше, чем для фиолетового.
Поэтому в таблицах значений показателей преломления для разных веществ обычно указывается, для какого света приведено данное значение n и в
каком состоянии находится среда. Если таких указаний нет, то это означает, что
зависимостью от указанных факторов можно пренебречь.
В большинстве случаев приходится рассматривать переход света через
границу воздух – твердое тело или воздух – жидкость, а не через границу вакуум – среда. Однако абсолютный показатель преломления n2 твердого или жидкого вещества отличается от показателя преломления того же вещества относительно воздуха незначительно. Так, абсолютный показатель преломления воздуха при нормальных условиях для желтого света равен приблизительно
n1 =1,000292. Следовательно,
n2
n= ≈ n 2
n1
614
Исследование показателя преломления жидкости отих свойств.
Опыт № 1. Измерение показателя преломления воды различной температуры.
Цель: Измерить показатель преломления воды различной температуры.
Оборудование: внутренний сосуд калориметра, линейка миллиметровая,
отрезок миллиметровой шкалы от линейки длиной чуть больше 40 мм с заостренным концом, термометр, колба.
Материалы: вода около 0,5л, лёд
250-300г.
Описание работы: Установку собирают так, чтобы за краем экрана виd
деть только нулевое деление отрезка
шкалы, находящейся на дне калориметрического стакана. Это соответствует ходу луча 1 при отсутствии жидкости в стакане. После того как нальют
жидкость до края сосуда, световой луч h
изменит свое направление, это соответствует ходу луча 2. При этом видно
уже другое, ненулевое деление горизонтальной шкалы.
По закону преломления света поl
казатель преломления равен:
sin α
1
=
sin β nводы
n=
sin β
sin α
sin β =
sin α =
d
d 2 + h2
d −l
(d − l ) 2 + h 2
(d − l )2 + h 2
n=
(d − l ) d 2 + h 2
d
615
где α – угол падения; β – угол преломления; d – диаметр дна стаканчика; l – деление шкалы, видимое в воде; h – высота стаканчика.
В электрическом чайнике нагрели воду до температуры кипения и заполняли ею алюминиевый стакан до краев. После чего измерили показания отклонения от начала координат линейки, находящейся на дне стакана (причем
взгляд был сфокусирован на нулевой отметке линейки). Затем измерили температуру воды в стаканчике, она оказалась равной 90 0С. Результаты всех измерений вносились в таблицу 1 (приложение 1). Далее эту воду перелили в специальную колбу, где она охлаждалась, путем добавления льда. Затем повторили
процедуру измерения еще несколько раз, постепенно охлаждая воду до температуры 00 С и проводя наблюдения примерно через каждые 10 0С. Но самым
интересным был последний опыт. Чтобы получить воду при температуре 0 0С
пришлось добавить в жидкость большее количество льда, но даже с ним вода
никак не хотела понижать свою температуру.
Подготовка к проведению эксперимента:
1. Подготовить бланк отчета с таблицей для записи результатов измерений и вычислений.
2. Собрать установку так, как показано на рисунке, чтобы за краем экрана
видеть только нулевое деление отрезка шкалы, находящиеся на дне стакана.
3. До краев наполнить стакан жидкостью.
4. Определить показание горизонтальной шкалы,
5. Заполнить таблицу, выполнить вычисления по формуле:
n=
(d − l )2 + h 2
(d − l ) d 2 + h 2
d
Опыт № 2: Измерение показателя преломления раствора сахара в воде
различной концентрации.
Цель: измерить показатель преломления раствора сахара в воде различной концентрации.
Оборудование: внутренний сосуд калориметра, линейка миллиметровая,
отрезок миллиметровой шкалы от линейки длиной чуть больше 40 мм с заостренным концом, термометр, колба.
Материалы: сахар – 160 г., теплая вода – 160 мл., прозрачный пластиковый стакан.
Описание работы: Измерения начали проводить с 50% концентрации.
Чтобы получить 50% раствор сахара пришлось растворить 160 гр. сахара в 160
616
мл. теплой воды. Но при наливании в алюминиевый стакан мы столкнулись с
проблемой. Она заключалась в том, что раствор сахара получился недостаточно
прозрачным, он значительно поглощал свет и линейки на дне алюминиевого
стакана не было видно. Поэтому пришлось взять другой стакан, прозрачный
пластиковый, чтобы было лучше видно. В таблице пришлось корректировать
размеры стаканчика и вносить новые. На этот раз измерения удалось снять, и
все полученные данные были внесены в таблицу 2 (приложение 2). Для получения раствора сахара меньшей концентрации (40%) мы рассчитали, какое количество воды требуется добавить в прежний раствор. Формула для расчёта процентного содержания сахара в воде:
ϕ=
mсахара
mсахара + mводы
× 100%
Для уменьшения концентрации раствора добавляется вода:
mводы = mсахара ×
100% − ϕ
ϕ
mводы 2 = 160 г ×
100% − 40%
= 240 г
40%
mводы3 = 160 г ×
100% − 30%
≈ 373г
30%
mводы 4 = 160 г ×
100% − 20%
= 640 г
20%
mводы5 = 160 г ×
100% − 10%
= 1440г
10%
т. е. при каждом следующем опыте нужно в уже готовый раствор добавлять некоторое количество воды. И, постепенно уменьшая таким методом концентрацию сахара до 10%, проводили измерения, а результаты заносили в таблицу 2.
Опыт № 3: Измерение показателя преломления раствора спирта, глицерина, подсолнечного масла и шампуня.
Цель: Измерить показатель преломления раствора спирта, глицерина,
подсолнечного масла и шампуня.
Оборудование: внутренний сосуд калориметра, линейка миллиметровая,
отрезок миллиметровой шкалы от линейки длиной чуть больше 40 мм с заостренным концом, колба.
Материалы: пузырьки со спиртом этиловым (40%), глицерином, маслом
подсолнечным «Золотая семечка», шампунем «Pantene», колба, пластиковый
стаканчик.
617
Описание работы: Для измерения показателя преломления света в глицерине нам понадобилось несколько пузырьков данной жидкости, купленных в
аптеке. Все пузырьки перелили в специальную колбу. После чего содержимое
колбы в процессе опыта было перелито в пластиковый стаканчик, который использовался для измерения показателя преломления света. Результаты были занесены в таблицу 3. Подобные исследования мы провели и с остальными жидкостями: подсолнечным маслом, раствором спирта и шампунем и результаты
измерений так же внесли в таблицу 3 (приложение 3).
Опыт №4: Определение зависимости показателя преломления глицерина,
подсолнечного масла, шампуня и раствора спирт от их плотностей.
Цель: Определить зависимость показателя преломления жидкости от
плотности.
Оборудование и материалы: рычажные весы, разновесы, мензурки с жидкостями по 100 мл.: глицерина, подсолнечного масла, шампуня и раствора
спирта.
Описание работы: Для выявления зависимости показателя преломления
от плотности необходимо было измерить плотности данных жидкостей. С помощью мензурки мы отмерили по 50 мл. каждой жидкости и взвешивали их с
помощью рычажных весов. По формуле:
ρ=
m
V
мы определили плотности всех исследуемых жидкостей. Значения плотностей
занесены в таблицу 4, и выявлена зависимость показателя преломления исследуемой жидкости от ее плотности (приложение4).
Заключение
На основе проведенных нами измерений, мы выяснили, что показатель
преломления зависит от физического состояния вещества, от его плотности,
температуры и состава. Проведенную нами исследовательскую работу по определению показателей преломления различных жидкостей мы считаем успешной, так как:
1. Был изготовлен измерительный прибор, пригодный для выполнения
практических работ на уроках физики.
2. В ходе исследования мы доказали, что с повышением температуры показатель преломления уменьшается. Влияние температуры на показатель преломления определяется тем, что поскольку все жидкости при нагревании расширяются, то их показатели преломления уменьшаются при повышении температуры. В научной литературе мы нашли следующие утверждение: «Температурный коэффициент зависит от величины температуры жидкости, но в не618
больших температурных интервалах может считаться постоянным. Температурный коэффициент показателя преломления пропорционален температурному коэффициенту плотности. Для подавляющего большинства жидкостей температурный коэффициент лежит в узких пределах от -0,0004 до -0,0006 1/град.
Важным исключением является вода и разбавленные водные растворы (0,0001), глицерин (-0,002), гликоль (-0,00026). Линейная экстраполяция показателя преломления допустима на небольшие разности температур (10 – 20°С).
Точное определение показателя преломления в широких температурных интервалах производятся по эмпирическим формулам вида: nt=n0+at+bt2+…».[1] В
приведенных нами исследованиях заметно очень незначительное понижение
показателя преломления. И это благодаря тому, что мы охватили достаточно
большой диапазон температур (90°С).
3. Так же мы выяснили, что при понижении концентрации сахара в растворе, показатель преломления уменьшается. Это происходит из-за того, что
при понижении концентрации вещества более плотного, чем вода, плотность
раствора уменьшается, а значит и уменьшается показатель преломления.
4. Измерили показатель преломления раствора спирта, глицерина, подсолнечного масла и шампуня. Получили результаты, максимально приближенные к табличным значениям.
5. Влияние плотности вещества на показатель преломления мы увидели
из опытов с подсолнечным маслом, глицерином, шампунем и раствором спирта, т.е. чем больше плотность вещества, тем больше коэффициент преломления.
Исключением из этого правила стал шампунь. Его показатель преломления
имеет самое большое значение, хотя плотность чуть больше плотности воды.
Причину мы видим в молекулах ПАВ (поверхностно-активных веществ), входящих в его состав.[9] При растворении ПАВ в воде образуются так называемые мицеллы. (Мицеллы (уменьшительное от лат. mica - частица, крупинка) —
частицы в растворах поверхностно-активных веществ (ПАВ), называемых лиофильными коллоидами). [10] Именно за счёт преломления света мицеллами эти
растворы приобретают мутновато-голубой оттенок, иногда почти незаметный.
Размеры этих частиц во много раз больше размеров молекул воды, поэтому, на
наш взгляд, скорость света в таком растворе меньше, чем в воде, а значит и показатель преломления больше.
6. В ходе исследования установили зависимость показателя преломления
жидкостей от их свойств.
7. Результаты данного эксперимента можно применять на практике для:
• Определения содержания вещества в растворе.
• Определения жирности молока.
• Рекомендовать для проведения практических работ на уроках.
619
Кроме того:
• работа проста в исполнении;
• оборудование, необходимое для её выполнения имеется в каждом
школьном кабинете физике;
• в ходе работы быстрее запоминаются формулы, так как приходится
применять их на практике;
• работа помогает лучше понять явление преломления света и физический смысл показателя преломления.
Эта работа заинтересовала меня простотой исполнения, минимальностью
затрат для её приготовления и простотой в математических расчетах.
Я предлагаю в дальнейшем применять изготовленный измерительный
прибор в лабораторном практикуме по физике.
Библиографический список
1. Бутырский Г.А., Сауров Ю.А. Экспериментальные задачи по физике:
10-11 кл. общеобразоват. учреждений: Книга для учителя – Москва. : Просвещение, 1998.
2. Кабардин О.Ф. Физика: Справочные материалы. Учебное пособие для
учащихся. - Москва.: Просвещение, 1985.
3. Перышкин А. В. Физика. 9 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений — Москва.: Дрофа, 2009
4. Элементарный учебник физики: Учеб. Пособие. В 3 т. Под ред. Г.С.
Ландсберга:Т.111. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика.-11 е
изд. – Москва.: Наука. Физматлит, 1995.
5. http://ru.wikipedia.org/wiki/Показатель_преломления - Материал из Википедии - свободной энциклопедии
6. http://www.1511.ru/doc/kol_opt_7.pdf- описание лабораторной работы по
измерению показателя преломления
7. http://www.chemport.ru/data/data18.shtml - таблицы показателей преломления различных веществ
8. http://www.dpva.info/Guide/GuidePhysics/LightAndColor/AbsortonRedjPre
l/RefractionOfWaterSolutions/ - показатели преломления водных растворов
9. http://ru.wikipedia.org/wiki/%CF%EE%E2%E5%F0%F5%ED%EE%F1%F
2%ED%EE%E0%EA%F2%E8%E2%ED%FB%E5_%E2%E5%F9%E5%F1%F2%E
2%E0 –Поверхностно-активные вещества. Материал из Википедии — свободной энциклопедии
10. http://ru.wikipedia.org/wiki/Мицелла - Мицеллы. Материал из Википедии — свободной энциклопедии
620
Приложение 1
621
Приложение 2
622
Приложение 3
623
Приложение 4
Розанова Анна, 11 кл. БОУ г. Омска «Лицей № 166»
Кутакова Лариса, 11 кл. БОУ г. Омска «Лицей № 166»
Руководитель: Пужульс И. Н., учитель физики
Научный руководитель: Серопян Г. М., к.ф.м.н., доцент
каф. общая физика ОмГУ
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРЕТНЫХ ПЛЕНОК
«ПОЛИМЕДЭЛ»
Введение
В домашней аптечке обязательно найдется хоть один прибор, позволяющий поддержать здоровье хозяев. Физиотерапия прочно вошла в нашу жизнь.
Совершенно недавно у распространителей медицинских лекарств появилось
новое устройство, способное, по их словам, творить чудеса.
624
Это Полимерный медицинский электрет – полимедэл. Мы поинтересовались в
литературе, что он собой представляет.
Исследования биологических свойств
электретов начались примерно с 60-х годов.
Во многих биологических структурах обнаружены электретные свойства, играющие
существенную роль в их функционировании.
Обнаружено также влияние постоянных
электрических полей создаваемых электретами на биологические структуры. Несмотря
на то, что электретный эффект обнаружен в настоящее время во многих биологических структурах электреты находили в медицине очень ограниченное применение, что вероятно связано с некоторыми трудностями получения электретов с нужными характеристиками и долговременной стабильностью. В настоящее время разработаны методы получения тонких (толщиной 10-50 мкм) электретных пленок удобных для применения в качестве аппликаторов и сохраняющих свои параметры в течение длительного времени. Опытное производство таких пленок начала научно-производственная фирма "ЭЛМЕТ+" (СанктПетербург).
Полимерная медицинская пленка Полимедэл разработана ученым из
Санкт-Петерурга Копышевым Михаилом Алексеевичем. Производится из медицинского фторопласта F4а, обработанного коронным разрядом при температуре 200* С, на пленке образуется отрицательный заряд высокой плотности.
Фторопласт-4 – полимерный материал, продукт полимеризации тетрафторэтилена. Химическая формула (—CF2CF2—)n. Благодаря своему химическому
строению (закручиванию углеродной цепи и большому Ван-дер-ваальсову радиусу атомов фтора и высокой прочности связи атомов фтора и углерода) Фторопласт-4 обладает исключительной химической стойкостью и рядом других
положительных свойств выгодно отличающих данный материал. Прошел клинические испытания на базе кафедры внутренних болезней второго лечебного
факультета Московской медицинской академии им. И.М.Сеченова. в Российском научном центре реабилитации и физиотерапии, в 1-ой городской больнице
г. Москва и Московском стоматологическом институте им.Семашко.
Все мы знаем о таких понятиях как магнетизм, постоянный магнит. Сталкивались с этим явлением в природе и в технике. Со школы знаем о веществах,
которые намагничиваются в магнитном поле – ферромагнетиках. Нам известно
о свойствах и природе магнетизма, а об электретах мы не знаем ничего, хотя в
быту встречаемся с ними часто.
625
Цель работы: Исследовать свойства электретной пленки «Полимедэл»
Задачи:
1. Изучить литературу по данной проблеме.
2. Провести опрос у граждан, используемых для лечения «Полимедел».
3. Исследовать свойства электретной пленки «Полимедэл».
4. Дать объяснение с научной точки зрения лечебных свойств «Полимедэла».
Объект исследования: электретная пленка «Полимедэл»
Методы исследования:
1. Теоретический анализ литературы.
2. Лабораторный эксперимент.
3. Анализ экспериментальных данных.
Практическая значимость: Выявлены факторы релаксации электретной
пленки.
Глава 1 Теоретическая часть
1.1 Электреты.
Впервые электреты были исследованы японским физиком Егути в 1919
году. Егути помещал расплавленный воск между двумя электродами, к которым прикладывалось высокое напряжение. После выдержки в электрическом
поле воск охлаждался до отвердевания, после чего напряжение отключалось, а
электроды отделялись от образца. На гранях воска, обращённых к электродам,
был обнаружен электрический заряд, противоположный по знаку заряду на
электродах. Его назвали гетерозарядом. (рис. 1).
Охлаждение в
Е
0
Выключение поля, снятие
электродов
1
Е
2
Рис. 1. Получения электрета по Егути: 1 – расплавленный воск
в электрическом поле; 2 – готовый электрет. Е0 – “внешнее”
электрическое поле, Е – электрическое поле электрета.
626
Заряды на поверхности диэлектрика можно объяснить его дипольной поляризацией. В воске – полярном диэлектрике – имеются группы атомов, обладающие постоянным дипольным моментом. Где дипольный момент это физическая величина, характеризующая диполь как систему двух одинаковых по
модулю и противоположных по знаку зарядов q, расположенных на расстояние
l друг от друга, равная по модулю произведению заряда на расстояние между
ними: p = ql. Дипольный момент – векторная величина, её модуль равен р, а направление – от отрицательного к положительному заряду. В исходном состоянии дипольные моменты ориентированы хаотически, так что их векторная сумма равна нулю.
При наложение электрического поля на твёрдый воск дипольные моменты групп не смогут ориентироваться, так как повороту диполей препятствуют
соседние молекулы и группы атомов (нет достаточно свободного объёма, велико взаимодействие с соседями) и возникает только индуцированная упругая поляризация диэлектрика. Напротив, после расплавления дипольные группы приобретают подвижность, и при включении электрического поля будут ориентироваться вдоль силовых линий. Если, не выключая поля, охладить воск до отвердевания, то диполи потеряют подвижность – “заморозятся” в ориентированном состоянии.
После выключения поля поляризация диэлектрика не может исчезнуть –
получается электрет. В нём будет существовать собственное электрическое поле Е. Как видно из рис. 1, оно направлено так, что стремится разориентировать
диполи. Поэтому поляризованное состояние воска неравновесно – оно неустойчиво и со временем будет исчезать, стремиться к равновесному, исходному. Такой переход образца в термодинамически равновесное состояние называют релаксацией.
Электреты - это материалы, долговременно сохраняющие электростатические заряды (типа янтаря, эбонита). Носителями поверхностного электрического заряда являются молекулы, обладающие дипольным моментом, которые
не могут перемещаться. Такие заряды называют связанными, в отличие от свободных зарядов в проводниках. Терапия происходит от отрицательных зарядов
(босохождение по земле, воздух после дождя и грозы, люстра Чижевского), положительные заряды обычно вредны для здоровья.
Типы электретов
Электреты могут классифицироваться по типу электрически неравновесного состояния диэлектрика (электреты с “истинной”, ориентационной дипольной поляризацией; электреты с объемно-зарядовой поляризацией; с избыточным внедренным зарядом; комбинированные), материалу диэлектрика (неорганические кристаллические электреты, полимерные электреты, биоэлектреты и
627
т.п.), методу получения (термо-электреты, электроэлектреты, короноэлектреты,
радиоэлектреты, фотоэлектреты, механоэлектреты, трибоэлектреты и т.п.).
Рис. 2. Классификация электретов по природе электрически
неравновесного состояния
Электреты с избыточным внедренным зарядом наиболее широко применяются в практических целях. Их, получают в результате электризации нейтрального диэлектрика. Электризация сводится к внедрению в образец извне
носителей заряда определенного знака (или обеих знаков), либо отрыву электронов от образца, в результате которого он приобретает нескомпенсированный
отрицательный или положительный заряд.
Электризация диэлектриков может происходить при трении (трибоэлектреты), при облучении потоком электронов, протонов, положительных или отрицательных ионов, воздействии электрических разрядов (искрового, коронного, тлеющего). Наиболее широко используется для электризации диэлектриков
коронный разряд, в результате которого получаются короноэлектреты. Кроме
того, избыточный электрический заряд может быть инжектирован из электродов, прилегающих к поверхности образца. Механизмы инжекции могут быть
разными, но результат одинаковый - в приповерхностном слое диэлектрика на
ловушках образуется пространственных заряд, совпадающий по знаку со знаком заряда электрода (гомозаряд).
В технических целях чаще всего применяются электреты, полученные из
тонких неполярных фторполимерных пленок толщиной 10-25 мкм, которые могут быть с одной стороны покрыты тонким слоем металла, чаще всего алюминия. Электрет электризуется, как правило, в коронном разряде со стороны сво628
бодной поверхности полимера и имеет в диэлектрике избыточное заряды одного знака (моноэлектрет). В напылённом металлическом слое индуцируется и
сохраняется заряд противоположного знака.
Теория электретного эффекта.
Физика электретного состояния диэлектриков до конца не изучена. Поэтому, не смотря на то, что электреты открыты давно, тем не менее, законченной и последовательной теории электретного эффекта не существует.
В самом упрощенном виде можно предложить следующую версию. Наша
кровь от природы в высокой степени обладает целебными свойствами, но избыточное содержание вокруг нас положительных аэроионов приводит к подавлению биологической активности кровяных телец (эритроциты, лейкоциты и т.д.).
При наложении отрицательное поле особых параметров ослабляет негативное
влияние положительных ионов, тем самым освобождается заложенная природой мощь и наша кровь эффективно оздоравливает организм.
Поляризация крови влияет на изменение выработки гормонов эндокринными железами, сопровождаемым повышением ферментной активности и скорости биохимических процессов в организме человека и животных. Скорость
миграции ионов кальция увеличивается под воздействием электрического поля,
что до некоторой степени объясняет позитивный эффект при регенерации тканей и сращивании переломов.
В электростатическом поле происходит ориентация дипольных молекул
биотканей, что активизирует физиологические процессы в зоне действия поля,
ускоряет регенерацию тканей, сращивание переломов и т. д. Он повышает
внутренние ресурсы организма и не даёт побочных эффектов. В качестве электрета использованы разрешенные в медицине медицинский фторопласт F4а и
иные сополимеры.
1.2 Электретная пленка «Полимедел».
Полимерная пленка полимедэл, электризованная по оригинальной технологии и долго сохраняющая свои целебные свойства. Эта пленка является источником достаточно сильного электростатического поля. В электростатическом поле не только волосы «встают дыбом», но и происходит ориентация дипольных молекул биотканей, что активизирует физиологические процессы в
зоне действия поля и ускоряет регенерацию тканей.
Три основных направления использования ПОЛИМЕДЭЛА:
- эффективное наращивание костной ткани;
- снятие воспалительного процесса;
- обезболивающее действие.
Лечебное действие Пленочного электрета здоровья распространяется на
10 - 14 сантиметров в глубину. Принцип применения Полимедэла - это наложе629
ние Полимедэла в область проекции боли. Эффект воздействия сохраняется при
наложении на повязку, одежду и гипс. Экранируется только металлом. Лечебное воздействие ослабляется тканью из синтетических материалов, разумеется,
без непосредственного контакта с синтетикой, а через картонную или марлевую
прокладку. Обезболивающий эффект обычно наступает через 10 - 40 минут.
Одновременно происходит терапия заболевания.
Пленку можно носить, не снимая, не более 48 часов. После десятичасового перерыва можно продолжить. Не потому, что через сорок восемь часов возникает негативный эффект, а чтобы избежать привыкания организма. Инструкция по применению Полимедэла, утвержденная 1 декабря 1994 года Управлением научных исследований Министерства здравоохранения Российской федерации, в пункте пятом указывает рекомендуемое «время применения пленки от
40 до 60 минут до суток и более, но не свыше двух суток с перерывом 10–20 часов».
Область применения:
Тот факт, что электретное состояние обнаружено для всех важных классов биополимеров (полипептидов, полисахаридов, полинуклеотидов, и т.д.) в
мембранах, костях, ферментах и т.д., дает уверенность в реальности механизмов воздействия электретной пленки. Научно доказано, что многие ткани живого организма находятся в электретном состоянии, то есть являются биологическими электретами.
Воздействие на костную ткань
• Нарастание костной ткани: Травматология и ортопедия: ушибы, вывихи, переломы опорно-двигательного аппарата.
• Остеопороз.
• Восстановление межсуставных связей: Деформирующие спондилезы.
• Пяточные шпоры.
• Артриты, артрозы.
• Шишки на суставах.
• Хруст суставов, восстановление шейки бедра.
• Травма челюстей.
Регенерация мягких тканей
• Послеоперационные рубцы (внешние - аппендицит и внутренние швы резекция желудка).
Снятие воспалительных процессов
• Ушибы, вывихи, переломы, растяжение связок.
• Отеки и воспаления различного происхождения.
• Язвы при подагре.
• Артриты обменно-дистрофические, постинфекционные, ревматоидные
первой степени, артрозы, радикулит, ревматизм.
630
Остеомиелит, "синегнойка".
• Межпозвонковые грыжа и киста.
• Остеохондроз.
• Сотрясение мозга.
• Острый трахеит, бронхит, бронхиальная астма, пневмония, гайморит.
• ОРЗ и грипп.
• Ожоги.
• Воспаление тройничного нерва.
• Пародонтоз.
• Заболевания мышц, мягких тканей (миозиты, тендовагиниты).
Улучшение качества работы сердечно-сосудистой системы
• Кардиалгии.
• Ишемическая болезнь сердца, гипертония.
• Внутричерепное давление.
• Атеросклероз.
• Тромбофлебит.
• Варикозное расширение вен.
• Сетка сосудов на коже.
• Ангеопатия нижних конечностей при сахарном диабете.
• Профилактика возникновения гангрены.
• Судороги нижних конечностей.
Анальгетик
• Остеохондроз с корешковым синдромом.
• Радикулит.
• Заболевания суставов (коленные, голеностопные, тазобедренные, локтевые, кистевые).
• Почечные и печеночные колики.
• Боли в области ночек, печени и селезенки, в том числе простудного характера.
• Язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки в стадии не
резко выраженного обострения или ремиссии, хронические колиты, холециститы.
• Невриты, невралгии, кардиалгии, мигрени
Приведем данные представленные Фиалковской Ю.Е. врачом г. Новосибирска на встрече с Омскими врачами, проводившей исследования в своей клинике.
В первом столбце таблицы приведён процент случаев, в которых наблюдался клинический анальгезирующий эффект при приложении Полимедэла, а
во втором – процент случаев, в которых анальгетический эффект сохранялся
после его снятия.
•
631
Данные клинических испытаний
Заболевания
При наложении
Заболевания суставов (коленные, голеностопные,
тазобедренные)
Остеохондроз позвоночника
с корешковым синдромом
Заболевания мышц, мягких тканей
(миозиты, послеоперационные рубцы и пр.)
Ангио - и полинейропатии
(диабетического характера)
Патология желудочно-кишечного тракта
(язвенная болезнь желудка и 12-ти перстной кишки,
хронические колиты, холециститы)
Некоронарногенные кардиалгии
83%
Сохранение после снятия
43%
64%
48%
86%
66%
60%
34%
67%
22%
73%
26%
Попытаемся объяснить действие Полимедэла:
Длина кровеносных капилляров, питающих наши клетки, составляет
100 000 км, длина лимфатических капилляров – 200 000 км. Организм – это
система каналов и канальцев, в которых безостановочно текут газ и жидкости.
Всякая болезнь – это местная или общая остановка кровообращения. Каждая
клетка может взять питательные вещества не из больных сосудов и артерий, а
только из микроскопического капилляра, который подходит к её мембране.
Этот же капилляр только и может забрать отходы жизнедеятельности клетки.
Если капилляр забит шлаками вследствие неправильного питания и вдыхания
загрязненного воздуха, то происходит высыхание или отек клеточной мембраны, образуются белковые токсины. Поэтому, прежде чем принимать таблетки и
антибиотики, нужно заняться восстановлением кровообращения в капиллярах,
т.е. очистить кровь, восстановить её циркуляцию, открыть дорогу фагоцитозу –
механизму удаления болезнетворных бактерий. Плазма крови сама склеит, захватит, обезвредит и устранит микробы, потому что в каждой капле чистой
крови очень много антител.
Клеточное старение невозможно при полноценном притоке полноценной
крови по полноценным капиллярам и при своевременном удалении продуктов
обмена клеток. Наполовину отмершие клетки возобновляют работу, они освобождаются от ядовитых продуктов обмена; только после этого они способны
принимать питательные вещества. Возобновляется действие клеточных ферментов, вновь возрождается жизнь клеток.
Полимедэл активизирует клетки организма, из тканевых депо высвобождается свободный гепарин, повышается насыщение крови кислородом. Это
улучшает питание всех мышц, в частности, сердечной мышцы при ишемической болезни сердца, снижается нагрузка на миокард.
632
Начиная с 40-45 лет, всегда наблюдается прогрессирующее уменьшение
числа открытых капилляров. Это прогрессирующее высушивание составляют
анатомо-физиологическую основу старения и болезней. Это пора ревматических болей, невритов, стенокардий, атеросклероза, гипертонии. При всех суставных заболеваниях ревматических особенно, во-первых, нужно принять внимание капиллярный застой, так как без него не существует ни артрита, ни артроза, ни неврита, ни деформации костей, суставов, сухожилий, ни мышечной
деформации. Капиллярный застой выявляется после кровоизлияния в мозг, в
период детского паралича, после травмы, при стенокардии, шумах в сердце,
при склеродермии, при слоновости и любых отеках. Поэтому каждый участок
тела должен получить курс аппликаций Полимедэла.
Обострения хронических заболеваний возможны. Снятие хронического
воспалительного процесса вызывает оживление деятельности периферийной
нервной системы и восстановление болевой чувствительности нервных окончаний. Известно, например, что при застарелом радикулите боли в спине через
15-20 лет не ощущаются, так как защемленные корешковые нервы теряют болевую чувствительность. Радикулит не вылечен, а боли нет. Полимедэл вызывает активное кровоснабжение в области лечения и снимает воспалительный
процесс. В месте наложения как бы возникают кровеносные сосуды - капилляры, что резко усиливает кровоток, тканевые структуры "оживают" и нервные
волокна, восстанавливая свою чувствительность, могут сигнализировать в виде
боли.
Глава 2 Экспериментальная часть
1. Опрос граждан, используемых в домашних условиях электретную
пленку «Полимедэл». Было опрошено 45 граждан.
Результаты опроса представлены в диаграмме.
2. Релаксация электретного состояния сопровождается уменьшением величины избыточного заряда, накопленного электретом, поверхностного потенциала, протеканием тока в объеме образца и др. явлениями. Изучим факторы,
влияющие на релаксацию электретной пленки. Релаксация заряда и поляризации в электретах связана с неравновесным характером этих величин. Со временем происходят разориентация диполей, экранировка поляризационных связанных зарядов собственными носителями, дрейф неравновесных носителей в собственном электрическом поле с разрядкой их на электродах и многие другие
процессы, ведущие к постепенному исчезновению внутреннего и внешнего
электрических полей и поверхностного потенциала электретов. Релаксация зависит от природы электретного состояния в данном материале, его структуры,
условий окружающей среды (температуры, влажности, наличия ионизирующих
излучений, механических напряжений, микроорганизмов и т.п.).
633
Динамика выраженности болевого синдрома до и после
лечения (в процентах)
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
до лечения
2 день
сильная
4 день
умеренная
6 день
легкая
Гипотеза: релаксация ускоряется под воздействием факторов окружающей среды - ионизирующих излучений, атмосферной влажности, пыли, механических напряжений и деформаций и др. Она может протекать самопроизвольно, бесконтрольно - при хранении или эксплуатации изделий, содержащих
электреты. Используем пленку как инструмент научных исследований электретного эффекта. Экспериментальные методики позволят получить важную
информацию о свойствах данного полимера.
Исследования проводились на базе ОмГУ на кафедре общей физики.
1. Исследуем электрические свойства электретной пленки. Определим
поверхностную плотность заряда.
Положим пленку на металлическую
пластинку. Между металлической пластинкой и пленкой поместим лист бумаги
с известной диэлектрической проницаемостью. Определим силу притяжения. Для
этого перевернем пластинку с пленкой.
Определим силу притяжения во время отрыва, она равна силе тяжести. Измерим
площадь пленки. Для определения толщины пленки сложим ее в несколько слоев. Микрометром определим их толщину и разделим на число слоев. Толщина
пленки равна: 21 мкм += 5 мкм. Измерим массу пленки на весах. Она равна 1.19
г 0,01г. Сила тяжести, а значит и сила притяжения равна 11,58 мН 2мН.
634
Из закона Кулона выразим заряд и рассчитаем. Расстояние между металлической пластинкой и пленкой равно толщине бумажного листа. Поверхностная
плотность заряда равна 1,68 10-8 Кл/м2.
2. Определим силу притяжения другим способом. На длинную нить закрепим пластинку из фольги. На уровне фольги закрепим линейку. Будем медленно подносить электретную пленку. На расстоянии 3,1 см фольга начнет притягиваться. Сила Кулона равна 8,19 мН 2 мН.
3. Используем в исследованиях электрометр. Закрепим на электрометре
металлическую пластину. Положим на нее электретную пленку. Стрелка электрометра отклонилась. Электрометр показывает заряд пленки. Он равен 2,5 у.е.
Исследуем зависимость заряда пленки от температуры. Для измерения температуры воспользуемся проветриванием и обогревателем воздуха. Результаты
исследования покажем на графике:
t, C
Зав исимость заряда пленки от температуры
70
60
50
40
30
20
10
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
q, у.е.
Развороту диполей мешает отсутствие подвижности дипольных групп
(диполи “заморожены”) при данной температуре. Поэтому при любых, отличных от абсолютного нуля температурах, процесс разориентировки дипольных
групп протекает, но чрезвычайно медленно. Именно это обстоятельство обусловливает существование электретов в течение •многих месяцев, и даже лет.
С увеличением температуры подвижность диполей возрастает, растет вероятность разориентации отдельных диполей. Поэтому релаксация поляризации ускоряется в десятки, сотни и тысячи раз. При температуре 200С в, течении
двух часов значение заряда принимает начальное значение.
4.Исследуем зависимость заряда пленки от влажности воздуха. Будем увлажнять воздух, и измерять относительную влажность воздуха психрометром.
При увеличении влажности будем измерять электрометром заряд. Результаты
исследований покажем на графике:
635
Зависимость заряда пленки от влажности воздуха
φ, %
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
q, у.е.
Повышенная влажность ускоряет разрядку электретов. На поверхности
полимерных пленок появляются микроскопические капельки и слои адсорбированной воды, в которой растворяются примеси и ионогенные загрязнения.
Образующиеся проводящие “мостики” закорачивают образец, способствуют
cтеканию электретного заряда. Наличие на полимерных пленках микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности в условиях повышенной влажности
еще больше снижает долговечность электретов. При относительной влажности
60% значение заряда восстанавливается.
5. Подействуем на пленку солнечными лучами. Закроем пленку темным
предметом и будем постепенно ее открывать. Исследуем действие солнечных
лучей на пленку. Под действием солнечных лучей заряд уменьшился до 1.5 у.е.
Ионизирующие излучения вызывают генерацию в образцах носителей заряда электронов и дырок, ионов, которые экранируют электретный заряд. Кроме того, процессы деструкции макромолекул, происходящие под влиянием радиации, могут способствовать росту интенсивности теплового движения кинетических единиц и разрушению части структурных ловушек в полимерном диэлектрике.
6. Электрометр показал, что при загрязнении заряд пленки уменьшается.
7. Проверим устойчивость пленки. Она устойчива практически ко всем
кислотам, щелочам, органическим и не органическим растворителям, нефтепродуктам.
8. Определим диэлектрическую проницаемость. Измерим электроемкость
плоского конденсатора мультиметром. Поместим пленку между обкладками
конденсатора. Измерим электроемкость конденсатора повторно мультиметром.
Изменение электроемкости конденсатора даст нам значение диэлектрической
проницаемости пленки. Диэлектрическая проницаемость пленки равна 2,1.
9. Электретная пленка практически не смачивается водой и органическими жидкостями.
636
10. Воспользуемся электрофорной машиной. К шарику прикрепим тонкую иглу. Поместим пленку между иглой и другим шаром. Электрометр показал увеличение заряда до 3 у.е. Электрическое поле вблизи иглы является сильно неоднородным и может достигать значений, при которых начинается электрический пробой воздуха (около 33 кВ/см при нормальных условиях). Развивается коронный разряд, в цепи появляется ток, который в воздухе обусловлен
в основном движением положительных и отрицательных ионов. Игла соединена с отрицательным полюсом источника высокого напряжения. Тогда образующиеся в воздухе ионы положительного знака будут притягиваться к игле, а
отрицательные отталкиваться. Возникает поток отрицательных ионов, направленный к диэлектрику. Попадая на поверхность диэлектрика, ионы разряжаются, отдавая свой заряд поверхностным ловушкам, либо оседают на поверхности
образца. В любом случае поверхность диэлектрика приобретает отрицательный
поверхностный заряд. Воспользуемся осциллографом. При приближении электрода к пленке появляется электрический ток.
Выводы:
1. Полимедэл это эффективный, быстрый и легкодоступный помощник
для устранения боли и воспалительных процессов, до обращения к врачу.
2. Медицинский центр «Арго» предлагает современное дешевое и эффективное средство, которое должно быть в каждой домашней аптечке.
3. Электростатическое поле легко проникает сквозь обложку Полимедэла
и одежду. Снять боль можно даже через гипс и через повязку. Лечебное воздействие плёнки распространяется на 10-14 см в глубину. Другими способами такого обезболивающего эффекта не достичь.
637
4. Срок годности можно увеличить:
- Поддерживать нормальные условия хранения: 60% - относительная
влажность и температура 20 С°.
- Хранить в сухом месте.
- Оградить от присутствия пыли.
- При загрязнении пленки заряд пленки уменьшается, ее нужно протереть
спиртовым тампоном.
- Хранить вдали от тепловых и солнечных лучей.
- Не подвергать механическим воздействиям.
- Регенерацию заряда можно осуществить коронным разрядом.
5.Она устойчива практически ко всем кислотам, щелочам, органическим
и не органическим растворителям, нефтепродуктам.
6. Диэлектрическая проницаемость пленки равна 2,1.
7. Поверхностная плотность заряда равна 1,68 10-8Кл/м2.
8. Сила Кулона равна 8,19 мН 2 мН.
9 После воздействия внешних факторов измененный заряд пленки возвращался к начальному значению.
В заключении можно сказать, что Полимедэл дает нам реальные доказательства огромных резервных возможностей нашего организма. Несмотря на
возраст, наша жизненная энергия огромна. Можно победить почти любую болезнь, задача в том, чтобы найти способ разбудить жизненные силы организма,
снять с них патологические блоки.
Библиографический список
1. Беляев И.П., Дружинин В.П., Рожков И.Н. Электретный эффект. – М.:
Высшая школа, 1996.- 320с.
2. Бартенев Г.М. Зеленев Ю.В. Физика и механика полимеров. - М.: Наука, 1976.-248с.
3. Губкин А.Н. Электреты. – М.: Высшая школа, 1983.- 120с.
4. Воробьев В.А. Технологи полимеров. – М.: Высшая школа, 1976.-360с.
5. Касьянов В.А. Физика.10 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений.5-е изд.,дораб.-М.: Дрофа,2003,-416с.
6. Мякишев Г.Я. Физика. Электродинамика. 10-11 кл.: учеб. для углубленного изучения физики / Г.Я. Мякишев, А.З. Синяков, Б.А. Слободсков.-6-е
изд., стереотип.-М.: Дрофа, 2006.-476с.
7. Электреты / Под редакцией Г.Сесслера - М.: Наука, 1995. - 271с.
638
Тишкунов Сергей, 11-2 кл. БОУ г. Омска «Лицей № 166»
Ухалов Александр, 11-2 кл. БОУ г. Омска «Лицей № 166»
Руководитель: Пужульс И. Н., учитель физики БОУ г. Омска «Лицей № 166»
Научный консультант: Сулкарнеев А. А., магистрант
кафедры общей физики ОмГПУ
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
СУХИХ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
Введение
В нашей работе мы проводили исследование основных тепловых характеристик сыпучих веществ, таких как удельная теплоемкость, теплопроводность и температуропроводность.
Поэтому цель данной работы - изучение тепловых характеристик сыпучих веществ на примере песка и почвы.
Изучением тепловых характеристик сыпучих веществ занимались и ранее, однако работа остается актуальной из-за того, что сыпучие вещества, выбранные нами для изучения, представляют интерес для многих отраслей, таких
как: строительство, экологический мониторинг, геология, системы навигации и
многое другое. Так как тепловые характеристики выбранных для исследования
сыпучих образцов нам не известны, поэтому мы определяли их экспериментально.
Объект исследования: песок омский речной, тевризская почва.
Предмет исследования: тепловые характеристики песка омского речного
и тевризской почвы.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Подобрать и проанализировать специальную литературу по теме исследования.
2. Экспериментально определить тепловые характеристики исследованных сыпучих материалов.
3. Проанализировать полученные результаты.
Структура работы.
Работа состоит из введения, двух глав, заключения и библиографического
списка.
Первая глава посвящена описанию основных тепловых характеристик гетерогенных смесей.
Во второй главе приведены сведения об экспериментальной установке,
методе исследования, а также результаты исследования и их анализ.
В заключении описаны основные результаты работы, сделаны выводы и
описана область применения данных результатов.
639
Глава 1. Основные тепловые характеристики сыпучих материалов
1.1. Теплопроводность сыпучих материалов
Теплопроводность - это свойство тел проводить тепло. Величина, характеризующая теплопроводность называется коэффициентом теплопроводности – λ.
Коэффициент теплопроводности есть отношение количества тепла, проводимого телом в единицу времени к единице площади, при некой разности
температур, равной единице. Измеряется в Вт/(м·К)
(1.10)
Заметим, что теплопроводность сыпучих смесей складывается из теплопроводности всех входящих в смесь компонентов. Например, в грунтах, которые состоят из нескольких компонентов, теплопроводность определяется соотношением твердой, жидкой и газообразной компонент.
Теплопроводность почв имеет значения в диапазоне от 0,20 до
7,00 Вт/(м·К). Более высокой теплопроводностью обладают рудные минералы –
до 20 – 40 Вт/(м·К). Теплопроводность воды в зависимости от температуры
имеет значения, лежащие в интервале 0,54 - 0,60 Вт/(м·К), теплопроводность
воздуха равна 0,023 Вт/(м·К) [7].
1.2. Теплоемкость сыпучих материалов: удельная, молярная, объемная
теплоемкости и теплоемкость всей смеси.
Одной из ключевых тепловых характеристик веществ, в том числе и сыпучих материалов, является теплоемкость.
При передаче телу (или системе) количества теплоты изменяется температура тела (или системы). Изменение температуры тела при передаче определённого количества теплоты зависит от размеров тела и от рода вещества, из
которого оно состоит. С практической точки зрения, полезно знать какое количество теплоты нужно передать телу (или системе), чтобы его температура изменилась на 1 К.
Количество теплоты, переданное телу для изменения температуры на 1 К,
называют теплоёмкостью тела. Теплоёмкость тела можно записать формулой:
(1.1)
Теплоёмкость тела измеряется в СИ в Дж/К. Теплоёмкость тела не служит
характеристикой вещества, из которого состоит тело. Можно подобрать разные
по количеству и по составу тела, теплоёмкости которых будут одинаковыми.
Для характеристики вещества используют теплоёмкости, отнесённые к
единице массы или к единице количества вещества.
640
Теплоёмкость единицы массы вещества называют удельной теплоёмкостью (Cm ). Удельная теплоёмкость измеряется в Дж/(кг . К) и выражается
формулой:
(1.2)
Теплоёмкость одного моля вещества называют молярной теплоёмкостью
( С µ ). Молярная теплоёмкость измеряется в Дж/(моль . К) и выражается формулой:
(1.3)
Часто используют объёмную теплоёмкость для сыпучих материалов.
Объемная теплоемкость - количество тепла, необходимое для изменения температуры единицы объема вещества на 1 К, обозначается Сv , измеряется в
Дж/(м3 · К):
Cv =
(1.6)
Теплоемкость – всей смеси равна сумме теплоемкостей составляющих её
компонентов [2].
1.3. Температуропроводность сыпучих материалов
Температуропроводность сыпучих материалов - это скорость распространения изменения температуры вследствие теплообмена.
Величиной, характеризующей температуропроводность, является – коэффициент температуропроводности Kt. Коэффициент температуропроводности
связан с коэффициентом теплопроводности и объёмной теплоёмкостью формулой [6]:
(1.11)
Глава 2. Экспериментальное определение тепловых характеристик
сыпучих материалов при их различных плотностях
2.1. Описание экспериментальной установки.
Для экспериментального исследования тепловых характеристик гетерогенных смесей, таких как песок и почва с разным содержанием гумуса, нами
была создана экспериментальная установка, представленная на рис. 3.1.
Источником тепла служил нагревательный элемент цилиндрической
формы с мощностью ≈16 Ватт. Длина нагревательного элемента равна 12 см,
диаметр равен 1,8 см. Мощность нагревателя можно регулировать, изменяя подаваемое напряжение, используя схему, представленную на рисунке 3.2. Для
контроля мощности, выделяемой нагревателем в исследуемый образец, используется ваттметр.
641
Рис. 2.1. Экспериментальная установка:
[1] – теплоизолирующая оболочка; [2] – нагревательный элемент;
[3] – индикаторы температуры с датчиками температуры DS18S20;
[4] – Амперметр; [5] – Вольтметр;[6] – Ваттметр;[7] – РНШ
Р
Рис. 3.2 Вид электрической схемы экспериментальной установки
Для измерения температуры были использованы датчики температуры
типа DS18S20, способные измерять температуру в широком интервале температур точностью 0,1 °С.
Нагревательный элемент помещался в центр ёмкости, в которой находился образец материала. Емкость с исследуемым образцом помещалась в теплоизолирующую оболочку из пенопласта толщиной более 3 см. Сверху ёмкость
закрывалась крышкой из теплоизолирующего материала с небольшими отверстиями для температурных датчиков и нагревателя. Такая надежная теплоизо642
ляция позволяет нам уменьшить потерю теплоты и конвекцию с окружающей
средой до минимума.
Все основные тепловые характеристики гетерогенных смесей были определены в результате косвенных измерений, по прямым измерениям температуры, массы образцов, времени и мощности. Приборная погрешность определения температуры была равна 0,1оС. Масса образцов определялась с помощью
аналитических весов с приборной погрешностью 0,0001 г. Время контролировалось по электронному секундомеру с погрешностью 0,01 с. Погрешность определения мощности равна 0,02 Вт.
Погрешности основных тепловых характеристик рассчитывались, как для
косвенных измерений, через погрешности измеренных прямым образом величин и приведены в таблице 3.1.
Образец
Wоб
ρ, г/см3
Кtср, м2/с
Отнсит. погреш.
Кtср,%
Суд, Дж/(кг·.К)
Отнсит. погреш.
Суд,%
λ, Вт/(м·К)
Отнсит. погреш.
λ,%
Таблица 2.1
Основные тепловые характеристики исследованных образцов.
Омский песок
Омский песок
Омский песок
Омский песок
Тевризская почва
Тевризская почва
Тевризская почва
Тевризская почва
0,0011
0,0012
0,0033
0,0039
0,0074
0,0056
0,0062
0,0037
1,37
1,6
1,66
1,71
1,69
1,71
1,73
1,75
3,95E-07
2,15E-07
2,92E-06
3,23E-06
2,20E-06
2,44E-06
2,79E-06
4,40E-06
14
10
25
13
21
12
24
17
492,9
359,5
222,9
351
197,7
244,9
233,5
228,3
10
10
10
10
10
10
10
10
0,26
0,76
1,57
1,76
0,62
0,82
1,62
1,77
15
15
15
15
15
15
15
15
Таким образом, была проведена оценка минимальной погрешности, обусловленной возможностями измерительных приборов, использованных в установке.
2.2. Описание метода измерения
Температуропроводность почвы в лабораторных условиях можно определить калориметрическим методом по Г.М. Кондратьеву.
Калориметрическое определение температуропроводности почвы
(Kt, м2/с) основано на теории регулярного режима нагревания Г.М. Кондратьева. При этом температурное поле свободно от влияния резких температурных
неравномерностей, связанных с первоначальным состоянием системы. Коэффициент температуропроводности определяют по формуле
643
Kt = k·m
(2.1)
где: k – постоянная прибора; m – коэффициент, характеризующий быстроту охлаждения (или нагревания) исследуемого образца почвы.
Для прибора цилиндрической формы:
(2.2)
где: r – радиус цилиндра; 2,4048 – наименьший корень функции Бесселя;
h – высота цилиндра.
При определении температуропроводности, образец почвы, имеющий определенную температуру, помещают в среду с постоянной, но отличной от образца, температурой. После установления в системе регуляторного режима,
разность температур образца и среды Т(oС) будет изменяться по закону:
Т(oС) =A·u·e-mt
(2.3)
где: А – постоянная; u – функция координат точки измерения температуры;
е – основание натурального логарифма; t – время (с).
Для разных разностей температур T1 и T2 имеем:
T1 = Aue − mt1 и T2 = Aue − mt 2
Разделив первое выражение на второе и прологарифмировав по основанию e, получим
ln Т1 - ln Т2 = m(t1-t2)
(2.4)
Отсюда
ln Т1 − ln Т 2
m=
(2.5)
t 2 − t1
Измеряя в различные моменты t1 и t2 соответствующие им значения разностей температур T1 и T2 в разных местах почвы (вдоль направления радиального распространения тепла), можно определить величину m.
Нами был использован модифицированный метод Г.М.Кондратьева. Суть
его в следующем. В цилиндрическую ёмкость, помещённую в теплоизолирующую оболочку 2 (рис.3.1), наливали воду (как вещество с известным коэффициентом теплопроводности), в которую помещали два температурных датчика
так, как описано в параграфе 3.1, и нагреватель, и снимали зависимость температуры воды от времени Т1в(t) и Т2в(t).
Затем в ту же цилиндрическую ёмкость помещали исследуемый образец
той же высоты, что и слой воды. В образец снова помещали два температурных
датчика так же, как в воду (на ту же глубину и в те же места, что и с водой).
Снимали зависимость температуры образца от времени Т1 (t) и Т2 (t). Измеряя
в различные моменты t1 и t2 соответствующие им значения разностей темпера644
тур воды и образца: ∆Т 1 = Т 1и − Т 1 в момент времени t1 и ∆Т 2 = Т 2и − Т 2 – в момент времени t2, определяли m по формуле:
ln ∆Т1 − ln ∆Т 2
m=
t 2 − t1
(2.6)
Зная m и k для данной установки, по формуле (3.1) определяли температуропроводность, а по ней определяли коэффициент теплопроводности, используя формулу:
(2.7)
где: Сv – объёмная теплоёмкость.
Коэффициент теплоусвояемости определяли по формуле:
стики
(2.8)
2.3. Описание образцов сыпучих материалов и их основные характери-
В нашем исследовании мы использовали следующие образцы сыпучих
смесей – Омский речной песок с размером частиц <0,25 мм и Тевризскую почву
с содержанием гумуса 0,54%. Гранулометрический состав тевризской почвы
представлен в таблице 3.2.
Основные параметры Тевризской почвы
Название
Тевризская Гумус 1-0,25
почва
0,54% 0,14%
Гранулометрический состав, мм
0,25-0,05 0,05-0,01
0,010,0050,005
0,001
93,80%
4,40%
1,15%
0%
Таблица 2.2
<0,00
1
0,50%
<0,01
1,65%
Специального увлажнения образцов не производилось, потому влажность
находилась в диапазоне от 0,0033 до 0,0074. Также нами поддерживался диапазон температур от 23 до 75 градусов Цельсия. Путем уплотнения были получены образцы с плотностями 1,37 – 1,75 кг/м3.
2.4. Сравнение экспериментальных результатов основных тепловых характеристик сыпучих материалов
В ходе проведения экспериментов нами были определены следующие тепловые характеристики: удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности и температуропроводности.
Данные, полученные экспериментально по методу Кондратьева, сравнивались с данными, рассчитанными по моделям, описанным во второй главе.
В таблице 2.3 представлены результаты экспериментально определённых
основных тепловых характеристик и значения коэффициента теплопроводности, рассчитанного по модели, описанной в этой главе.
645
Таблица 2.3
Основные тепловые характеристики исследованных образцов
Образец
ρ,
г/см3
Кtср, м2/с
Омский песок
Омский песок
Омский песок
Омский песок
Тевризская почва
Тевризская почва
Тевризская почва
Тевризская почва
1,37
1,6
1,66
1,71
1,69
1,71
1,73
1,75
3,95E-07
2,15E-07
2,92E-06
3,23E-06
2,20E-06
2,44E-06
2,79E-06
4,40E-06
С уд,
λ,
Дж/(кг.К) Вт/м/К
492,9
359,5
222,9
351
197,7
244,9
233,5
228,3
0,267
0,765
1,705
1,574
1,634
0,824
1,180
0,627
λ, Вт/м/К
0,826
1,018
1,082
1,141
1,117
1,141
1,166
1,193
Заключение
В результате данного исследования мы достигли поставленной цели –
изучили тепловые характеристики омского речного песка и тевризской почвы.
Была использована установка для экспериментального определения тепловых характеристик. Для определения коэффициента температуропроводности
нами был использован модифицированный метод Г.М.Кондратьева для сыпучих смесей.
Результаты нашей научной деятельности могут быть использованы для
дальнейшего исследования тепловых характеристик сыпучих смесей.
Библиографический список
1. Беляева Т.А. Основные понятия молекулярной физики. Учебное пособие. г.Омск: изд-во ОмГПУ, 2005 г. – 105 с.
2. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических
свойств почв. 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Агропромиздат, 1986. –416 с., ил.
– (Учебники и учеб. пособия для высш. учеб. заведений).
3. Дульнев Н.Г., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Справочная книга. Л.:Энергия, 1974.– 264 с.
4. Зырина Н.Г., Орлова Д.С. Физико-химические методы исследования
почв. -М.: Издательство МГУ, 1980г. – 382 с.
5. Матвеев А.Н. Молекулярная физика, 1981 г. – 401 с.
6. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Том II. Термодинамика и молекулярная физика. Физматлит. 2006.
7. Трофимов В.Т., Королев В.А., Вознесенский Е.А., Голодковская Г.А.,
Васильчук Ю.К., Зигангиров В.С. Под редакцией Трофимова. Грунтоведение.
6 издание дополненное и переработанное. М.:МГУ.2005. –1024 с.
646
Горбунова Полина, 9 кл. БОУ г. Омска «Лицей № 166»
Научный руководитель: Пужульс И. Н., учитель физики
БОУ г. Омска «Лицей № 166»
ИССЛЕДОВАНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОЁМКОСТИ ЗУБОВ
ЧЕЛОВЕКА И ПЛОМБИРОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Введение
Многим известна зубная боль, когда мы обращаемся к врачу. Часто мы
слышим, что бы сберечь зубы, нужно их чистить 2 раза в день, подбирать специальные пасты. Гораздо реже упоминается о температурном режиме в полости
рта, то есть смене горячего и холодного, и влиянии этого на зубную эмаль. В
литературе имеются лишь рекомендации, что после приема горячей пиши
употреблять холодную пищу можно лишь через 10 минут [4].
Нам захотелось посмотреть на зубы и пломбировочные материалы с точки зрения физики, а именно: какими теплофизическими свойствами они обладают и совместимы ли они по клиническим наблюдениям.
Цель данной работы заключается в том, чтобы изучить теплофизические
свойства коренных зубов и пломбировочного материала: призмафила (композит
светового отвердения), силидонта (цемент), стомадента (композит химического
отвердения).
Объект исследования: удаленные коренные зубы и пломбировочный материал: призмафил (композит светового отвердения), силидонт (цемент), стомадент (композит химического отвердения).
Методы исследования:
1. Теоретический анализ литературы
2. Лабораторный эксперимент
3. Анализ экспериментальных данных
Практическая значимость: Изучены теплофизические свойства зубов и
пломбировочных материалов на совместимость по клиническим наблюдениям.
Глава 1. Теретическая часть
1.1 Строение зуба человека
В учебнике анатомии за 9 класс есть сведения, что целостность зуба зависит от целостности эмали, которая не выдерживает резкой смены температуры
пищи [3].
Более подробные сведения о строении зуба мы узнали из методических
рекомендаций Омской медицинской академии за 1991 г. «Биохимия тканей зуба
и слюны» под редакцией доктора медицинских наук В.Д. Конвай и доктора медицинских наук В.Ж. Семенюк [2].
647
Зубообразование, состоящие из твердых
тканей: дентина, эмали, цемента предназначенно
для откусывания и разжевывания пищи. Коронка
зуба покрыта богатой неорганическими соединениями тканью - эмалью. В эмали нет клеток и
нервных окончаний. Здоровая эмаль желтоватобелого цвета.
1. Корень зуба;
Вся костная масса под эмалью состоит из
2. Межзубной промежуток;
дентина; примерно такого же состава и прочно3. Коронка зуба;
сти, как обычная кость. Прочность дентина близ4. Эмаль зуба; 5. Дентин;
ка к прочности чугуна, она зависит от минераль6. Пульпа
ных солей.
Зуб - живой орган с хорошей эмалевой защитой. Если она разрушается,
в нее проникают микробы, обильно населяющие полость рта. Они быстро разрушают дентин, губчатое вещество, обнажая чувствительные к боли нервы.
Дентин - живая ткань. По составу он схож с костью, но не так порист. Он
составляет основную массу коронки и корня. Состоит из основного вещества,
пропитанного солями кальция и фосфора, и большого количества дентинных
канальцев. Общая длинна всех канальцев одного зуба составляет 1 км. Дентинные клетки обеспечивают жизнь зуба. Если эти клетки связаны с нервами и сосудами, они выделяют в дентин и удаляют из него соли кальция. Гибель дентинных клеток означает смерть зуба. Мертвый зуб легко разрушается.
Корень зуба покрыт другим костным веществом - цементом. Он представляет собой прослойку ткани. Состоит цемент из 68 % неорганических и 32
% органических веществ. Он похож на обыкновенную кость, состоит из клеток,
но в отличие от кости цемент не имеет кровеносных сосудов.
Дентин, эмаль и цемент обеспечивают прочность зуба. Корень зуба окружен сетью нервных окончаний, они воспринимают давление на зуб. Нервы губчатого вещества в полости зуба особенно чувствительны к температуре.
Пелликула - тонкая пленка, покрывающая эмаль зуба, образуется из слюны. В составе пелликулы имеются две разновидности белков. Роль данного образования не однозначна: с одной стороны она выполняет защитную функцию,
предохраняя кристаллы эмали от действия кислот, поступающих в полость рта,
с другой - способствует прикреплению микроорганизмов и их колоний - зубного налета.
Слюна - играет важную роль в поддержании химического состава и
структуры тканей зуба. В сутки выделяется около 1,5 литра слюны. Слюна состоит из 99,5 % воды и 0,5 % органических и неорганических веществ. Покрывая и увлажняя слизистые оболочки, предохраняет их от трещин и воздействия
648
механических раздражителей. Смывая с поверхности зуба остатки пищи, микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности, слюна способствует их очищению.
1.2 Роль эмали в разрушении зуба
Изучая литературу, стало понятно, что эмаль - самое твердое вещество в
организме человека, она покрывает всю коронку зуба, но толщина ее разная:
наибольшей толщины эмалевый слой достигает на жевательной и режущей поверхности зуба.
На состояние эмали оказывают воздействие химические, механические и
физические факторы, т. е. воздействие температуры. Трещины могут возникнуть от нарушения питания, связанного с недостатком витаминов, минеральных
солей.
Первое условие сохранения здоровых зубов - полноценная пища. На укрепление зубов оказывают влияние витамины, особенно витамин «D», при его
недостатке нарушается отложение солей. Для жизнедеятельности дентинных
клеток необходим витамин «С» [4, 5].
Эмаль очень прочна, но в тоже время, очень хрупкая. Сама по себе ни высокая, ни низкая температура не в состоянии нанести существенный ущерб
эмали. Опасность состоит в резкой смене температур, которая приводит к образованию микротрещин на эмали. Со временем, под воздействием механических,
физических и химических факторов происходит скалывание эмали. Поэтому,
что бы защитить эмаль, принятие разнотемпературной пищи нужно упорядочить, т.е. создать временной интервал не менее 10 минут [4], что клинически
подтверждено стоматологами. Нас заинтересовали теплофизические характеристики зуба, которые помогут нам понять тепловой режим полости рта.
Глава 2 Экспериментальная часть
2.1 Методика эксперимента
Для начала мы решили определить удельную теплоемкость зуба и пломбировочного материала, сравнить их и сделать выводы. Для опытов были взяты 4 удаленных коренных зуба и пломбировочный материал: призмафил (композит светового отвердения), силидонт (цемент), стомадент (композит химического отвердения).
За основу мы взяли калориметрический метод
определения удельной теплоемкости тела, первые опыты дали очень большой разброс, чтобы его уменьшить,
мы сделали следующим образом.
649
В большом сосуде с горячей водой мы нагревали зубы, помещенные в
специальном приспо-соблении из хлорвинила, которое представляло собой воронку с отверстиями на длинной ручке.
Зуб с помощью данного приспособления поднимали из горячей воды, которая быстро стекала, и помещали в
школьный калориметр с холодной водой. Температура горячей воды не была
выше 70 °С по той причине, что более
высокая температура в полости рта человека мало вероятна. Температура холодной воды в опытах не была ниже 13
°С, Определение удельной теплоемкости зубов и пломбировочных материалов проводилась в интервале от + 14 до
+60 °С. Количество холодной воды подбиралось экспериментально. Т.к. масса
каждого отдельно взятого зуба была больше 1 г, а материалов меньше 1 г, стали – 2 г, то большая точность получилась при массе холодной воды 25 г. Вода
покрывала образец полностью и изменение ее температуры было заметным для
наблюдения.
Опыт проводили с каждым зубом отдельно и со всеми четырьмя вместе,
затем с пломбировочными материалами. Каждый опыт дублировался по 5-8 раз
для определения средних величин. Масса зубов и материалов определялась на
лабораторных весах с точностью до 5 мг Количество холодной воды отмерялось мензуркой.
При работе с этими приборами соблюдались все правила взвешивания и
измерения для уменьшения ошибки измерения. Особенно, следует остановится
на термометрах, их было 2. Сначала мы сверили равнозначность их показаний.
Это ртутные термометры с пределом измерения от -35 до +78 градусов, цена
деления 1°С. Погружение термометров в горячую и холодную воду происходило на одну глубину, которая закрывала в термометре баллончик с ртутью, систематическая погрешность измерения температуры по нашему мнению была
одинакова во всех случаях.
Расчетная формула для определения удельной теплоемкости была получена из уравнения теплового баланса, выражающее закон сохранения энергии в
тепловых процессах:
Св Мв (Тоб - Тх) = С М (Тг - Тоб)
Св - удельная теплоемкость воды, равная 4200 Дж/ кг °С
Мв - масса холодной воды в калориметре
650
Тоб-общая температура зуба и материала
Тх - температура холодной воды
Тг - температура горячей воды
М - масса зуба (материала).
С - исследуемая удельная теплоемкость зуба (материала)
Потери тепла на нагрев калориметра не значительные и во всех опытах
постоянные. Это следовало из того, что опыты проводились для примерно одинаковых интервалов температур. Формула для расчета:
С = Св Мв ( Тоб –Тх ) / М( Тг - Тоб)
2.2 Выполнение эксперимента
Таблицы результатов опытов:
Удельная теплоёмкость зубов человека в Дж/кг °С
№ С1
∆С
Ес
1 1200
96
2 944
160
3 1014
90
4 1129
25
5 1060
43
6 1274
170
1104
98
0,09 (9%)
Удельная теплоёмкость призмафила (композит светового отвердения)
в Дж/кг °С
№ С2
∆С
Ес
1 1160
8
2 1319
151
3 1034
134
4 1158
10
1168
75
0,06 (6%)
Удельная теплоёмкость силидонта (цемент) в Дж/кг °С
№ С3
∆С
Ес
1 2003
52
2 20032
23
3 2309
254
4 2099
44
5 1835
220
2055
118
0,08 (8%)
651
Удельная теплоёмкость стомадента (композит химического отвердения)
в Дж/кг °С
№ С4
∆С
Ес
1 2266
198
2 2197
129
3 1778
290
4 2030
38
5
2068
164
0,08 (8%)
Удельная теплоёмкость стали в Дж/кг °С
№ С5
∆С
Ес
1 564
24
2 557
17
3 480
60
4 567
27
5 530
10
540
28
0,05 (5%)
Выводы:
В результате опытов были получены значения:
1. Удельная теплоёмкость зубов человека (1104 ± 98) Дж/кг °С, при относительной погрешности 9 %. Математическая обработка велась по правилам
статистической обработки данных [7].
2. Удельная теплоемкость призмафила (композит светового отвердения):
(1168±75) Дж/кг°С, при относительной погрешности 6 %.
3. Удельная теплоёмкость силидонта (цемента): 2055±118 Дж/кг °С, при
относительной погрешности 6%.
4. Удельная теплоёмкость стомадента (композит химического отвердения): (2068± 164) Дж/кг °С, при относительной погрешности 8 %.
5. Удельная теплоемкость стали: (540±28) Дж/кг °С
Результаты опытов подвергались статистической обработке. При определении среднего арифметического значения для зуба из 8 значений 2 были определены как выбросы и к рассмотрению принималось 6 результатов. Для призмафила из 5 взято 4 результата, так же для стомадента, а для силидонта взято 5
из 5.
Были рассчитаны среднемодульные отклонения, средняя абсолютная и
относительная погрешности.
652
Сопоставляя полученные результаты, видим, что теплоемкости зуба и
призмафила примерно одинаковые, а теплоемкости силидонта и стомадента отличаются в 2 раза. Различия в удельных теплоёмкостях наводят на мысль, что
эти материалы мало сочетаемы для пломбирования зубов.
Можно предположить, что и другие тепловые характеристики силидонта
и стомадента, и зуба так же должны сильно отличаться.
Данные по удельной теплоемкости зуба и пломбировочного материала
получились весьма обнадёживающими: относительная погрешность при исследовании зубов – 9 %, а по материалам – 6 %. – 8 %. Эту разницу можно объяснить тем, что коренных зубов было 4 штуки разной массы, а пломбирующий
материал был представлен стандартными заготовками по 1 шт. каждый.
Представляют интерес данные справочника по физике и технике [1] для
удельной теплоемкости: стали 500 Дж/кг °С, золота 130 Дж/кг °С, серебро
250 Дж/ кг °С.
Мы решили определить удельную теплоемкость стали нашим методом и
сравнить с данными справочника. Для опыта использовали стальную гирьку
массой 2 г. Полученные результаты составили 537± 38 ДЖ/кг °С, при относительной пофешности 7 %. Это значение близко к данным справочника [1].
Известно, что сталь серебро и золото являются так же зубопротезирующими материалами, хотя их теплоёмкость в 2 раза ниже теплоёмкости зуба.
Заключение
Во время работы по исследованию удельной теплоемкости зубов человека и пломбировочных материалов мы ознакомились со строением зуба, узнали
об используемых пломбировочных материалах. Применив известный в физике
калориметрический метод, определили удельную теплоемкость зубов и протезирующих материалов, что позволило сделать вывод, что стомадент, силидонт
и металлы мало сочетаемые с зубами материалы. Полученные результаты совпадают с клиническими результатами наблюдений. Наилучшие результаты
пломбирования из исследуемых материалов дает применение фотополимеров
(призмафил).
Мы считаем, что удельная теплоемкость одна из важных теплофизических характеристик и уже по этим значениям можно сделать вывод, что если в
полости рта будет резкая смена температуры, то надеяться на устойчивость некоторых пломб не приходится. Хотелось бы высказать пожелание, что если определить и другие теплофизические характеристики зубов и пломбировочных
материалов, провести эту работу совместно с детскими стоматологами на основании их клинических испытаний, то можно было бы разработать четкие рекомендации по температурному режиму полости рта.
653
Библиографический список
1. Енохович А.С. - справочник по физике и технике: Учебное пособие для
учащихся -второе издание ,перераб. и дополн.-М.: Просвещение,1983-255с.
2. Биохимия тканей зуба и слюны. Методические рекомендации для студентов, субординаторов и интернов. Омск 1991. 0мский Ордена Трудового
Красного Знамени медицинский институт им. Калинина; - 25 с.
3. Батуев А.С, Кузьмина А.Д. и др. Биология: Человек: Учебник для
9 класса общеобразовательных учреждений. Изд. М.: Просвещение ,1996.-23 7с.
4. Кудрин И. С. «Санкция органов полости рта» - Медицина, 1988. -155 с.
5.Книга для чтения по анатомии, физиологии и гигиене человека. Пособие для учащихся 9 классов средних школ, - четвертое издание., перераб. - М.:
Просвещение, 1989 год -240 с.
5.Перышкин А.В., Розина Н. А. Физика: Учебник для 8 класса средней
школы 12 издание, дораб,- М.: Просвещение,1993-191 с.
6. Сергеев В.Н. Балювина А. А. Статистическая обработка данных в поисковых исследованияхучащихся. Методические рекомендации для организаторов школьных кружков НПОУ «Поиск», Омск, 1990.
Исмаилова Надежда, 11 кл. БОУ г. Омска «Лицей БИТ»
Суворин Роман, 11 кл. БОУ г. Омска «Лицей БИТ»
Руководитель: Евсеева В. В., учитель физики БОУ г. Омска «Лицей БИТ»
Сапрыкина Н. А., учитель информатики БОУ г. Омска «Лицей БИТ»
МОДЕЛЬ МНОГОКАНАЛЬНОГО ВЕТРОГЕНЕРАТОРА
В АРХИТЕКТУРНОМ СООРУЖЕНИИ
Введение
Общепризнанными является тот факт, что тарифы на все не возобновляемые энергоносители, в том числе газ, уголь, дизельное топливо растут в среднем, на 15 % в год. На сегодняшний день на некоторых предприятиях до 40%
себестоимости продукции приходится на расходы за электроэнергию, а стоимость подключения новых домов к инженерным сетям в РФ в десятки выше,
чем в развитых странах. Мировые запасы углеводородов могут закончиться уже
через 20 лет [1]. Эксплуатация атомных и гидроэлектростанций может нанести
существенный вред, как природе, так и человеку. Полностью прейти на энергию солнца, ветра, гейзеров в данных условиях практически не возможно, но
можно повысить процент ее употребления.
Проблема: как следует сконструировать модель многоканального ветрогенератора, как и где её следует расположить, чтобы это способствовало повышению КПД.
654
Объект: многоканальный ветрогенератор.
Предмет: моделирование процессов работы многоканального ветрогенератора.
Целью проекта является теоретическое и экспериментальное обоснование
целесообразности использование двух ветроколёс расположенными под углом
90 градусов, разработка варианта конструкции многоканальной ветроэнергетической установки, встроенной в архитектурное сооружение.
Гипотеза: если объединить два ветроколёса, расположенные под углом 90
градусов в единой конструкции ветроэнергетической установки и архитектурного сооружения, то это позволит повысить эффективность использования
энергии ветра.
Практическая значимость заключается в том, что предложенный подход
может быть использован для повышения энергонезависимости зданий и сооружений, уменьшения потребности в энергии, получаемой из невозобновлеямых
источников, и уменьшения загрязнения окружающей среды.
Для осуществления проекта необходимо решить следующие задачи:
• изучение литературы и интернет источников для оценки используемых
в настоящее время технических решений;
• разработать конструкцию архитектурного сооружения, включающую в
себя ветроэнергетическую установку;
• создание и апробация модели разработанной конструкции.
Теоретическое обоснование целесообразности объединения многоканального ветрогенератора и архитектурного сооружения
В настоящее время в связи с массовым загрязнением окружающей среды,
а также с возрастающим дефицитом не возобновляемых источников энергии
(угля, нефти и газа) возрастает актуальность эффективного использования возобновляемых источников энергии. Одним из таких источников является ветер.
Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) — устройство для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию ротора
(W=Iw^2/2) с последующим преобразованием в электрическую энергию [3].
Мощность ветрогенератора рассчитываем по формуле N=SǷV^3/2. Сегодня
ветрогенераторы используются во многих странах мира и вырабатывают значительную часть общего количества производимой электроэнергии. Так, например, в Дании в 2012 году эта часть составила 30,08% [2] что показывает перспективность использования энергии ветра.
В Сибири для установки ветропарка к 2030 году выбран Омск. Его мощность составит 100 МВт. В Омске большую часть года с сентября по апрель
преобладает ветер юго-западного направления повторяемость 25-32% за месяц,
летом преобладающим является ветер северо-западный (20-23% за месяц).
655
Средняя скорость имеет хорошо выраженный годовой ход: зимой, весной и
осенью 4-8 м/c. Слабые ветры (4 м/c и менее) преобладают в летнее время [4,5].
Однако, эксплуатируемые сегодня ветроэнергетические установки обладают существенными недостатками, способы минимизации которых предлагаются в нашем проекте.
Поскольку энергия ветра рассеяна в пространстве, установки для её сбора
должны иметь значительные габариты, и занимать земельные участки большой
площади.
Рассмотрим физические величины, характеризующие ветровое давление
Рветра = КвСарРд = КвСаэрρν2/2, где ρ = 1,22 кг/м3(плотность ветра в
строительных расчетах). Кв – коэффициент изменения ветрового давление по
высоте. С увеличением высоты увеличивается, обычно от 0,4 до 1,5. Саэр – аэродинамический коэффициент, характеризует условия обтекания здания в зависимости от конфигурации в плане и разрезе и ориентации к господствующему
направлению ветров Рд = ρν2/2, ν - скорость ветра.
Наш способ минимизации этого недостатка основан на эффекте увеличения скорости воздушного потока, при уменьшении сечения канала, по которому
проходит поток. Для этого мы предлагаем использовать различные искусственные (при возможности естественные) преграды больших размеров, в частности
жилые здания и промышленные сооружения. Предлагается, при разработке архитектурных проектов, предусматривать наличие в сооружениях сужающихся
воздушных каналов, внутри которых должны устанавливаться турбины. Поскольку скорость воздушного потока в таких каналах выше, чем скорость ветра,
размеры турбины при сохранении мощности будут меньше.
Для уменьшения зависимости
коэффициента полезного действия
(КПД) установки от направления
ветра, предполагается использовать
разнонаправленные каналы, соединяющие противоположные стены
здания. Например, в случае двух,
перекрещивающихся под углом 90
градусов, каналов, хотя бы одна
Рис. 4. Крутящий момент
турбина всегда будет работать при
любом направлении ветра (приложение, рис. 2 и рис. 3). Так как по основному уравнению динамики вращения
твердого тела І·ε = ΣΜ, где І·- момент инерции, зависит от формы, размеров и
от расположения оси вращения, а ε - угловое ускорение, Μ - момент силы (крутящий момент относительно центра масс) рис. 4.
656
Такой подход позволит снизить
материальные затраты на сооружение
ветроэнергетических установок, а
также позволит получать энергию
ветра в условиях плотной городской
застройки без использования дополнительных земельных площадей.
Непостоянство скорости ветра
является ещё одним важным фактором, который в настоящее время компенсируется либо с помощью аккумуляторных накопителей электроэнергии, либо с помощью накопителей тепла, при использовании энергии ветра
для обогрева зданий.
Аккумуляторные
накопители
имеют высокую стоимость. Накопители тепла дёшевы, но позволяют использовать энергию ветра только для
поддержания нужной температуры
внутри зданий. При размещении ветрогенераторов на специальных земельных участках, вдали от потребителей энергии, необходимо преобразование энергии ветра в электрическую для минимизации потерь при её
транспортировке. Однако, размещение ветроэнергетической установки
непосредственно внутри здания позволяет исключить этап преобразования энергии ветра в электрическую, а
Рис. 1. Модель
затем в тепловую, в случае её испольветроэнергетической установки
зования для обогрева зданий.
Следует отметить, что поддержание комфортной для человека температуры внутри зданий подразумевает не
только обогрев, но и охлаждение воздуха в жаркое время года. Наиболее эффективно эта задача сегодня решается с помощью тепловых насосов, разновидностью которых является бытовой кондиционер. Составной частью, наиболее
широко применяемого, парокомпрессионного теплового насоса является ком657
прессор. Компрессор используется для сжатия хладагента — вещества, переносящее тепло от испарителя к конденсатору. Для работы компрессора обычно
используется электродвигатель, однако, вместо него можно использовать и
турбину. Таким образом, из конструкции исключается электрогенератор и электродвигатель, что приводит к её удешевлению и повышению КПД.
Практическое обоснование целесообразности объединения многоканального ветрогенератора и архитектурного сооружения
Целью эксперимента является проверка целесообразности использования
конструкции, изображённой на рисунке (1,2,3) для преобразования энергии
ветра в электрическую.
Таблица 1
Результаты измерений напряжения на выходах турбин в зависимости
от направления воздушного потока
Направление
воздушного
потока
(градусы)
0
22.5
45
67.5
90
112.5
135
157.5
180
202.5
225
247.5
270
292.5
315
337.5
Напряжение на выходе турбины 1 (V)
Напряжение на
выходе турбины
2 (V)
Сумма напряжений
на выходах турбин 1
и 2 (V)
0.4
0.38
0.22
0
0
0
0.22
0.38
0.4
0.38
0.22
0
0
0
0.22
0.38
0
0
0.22
0.38
0.4
0.38
0.22
0
0
0
0.22
0.38
0.4
0.38
0.22
0
0.4
0.38
0.44
0.38
0.4
0.38
0.44
0.38
0.4
0.38
0.44
0.38
0.4
0.38
0.44
0.38
Предполагается, что конструкцию можно признать пригодной к использованию, если суммарное напряжение на выходах двух турбин не будет зависеть или будет мало зависеть от направления воздушного потока.
658
Для создания модели многоканального ветрогенератора использовались в
качестве турбин два компьютерных вентилятора (изначально предназначенные
для охлаждения компьютера) со светодиодами и выходами (на которых можно
измерить напряжение) расположенные под углом 90 градусов, находящиеся в
скрещивающихся плоскостях, а также картонная коробка для корпуса.
Для проведения эксперимента необходимы многоканальный ветрогенератор, мультиметр и бытовой пылесос или комнатный вентилятор (в качестве источника воздушного потока).
В процессе эксперимента были проведены замеры напряжения на выходе
турбин при различных направлениях воздушного потока.
Направление воздушного потока изменялось в горизонтальной плоскости
с периодичностью 22.5 градуса.
Результаты измерений отображены в таблице 1.
На основании полученных результатов измерений построена диаграмма
зависимости напряжений на выходах турбин 1 и 2 от направления воздушного
потока.
Рис. 2. Диаграмма зависимости напряжения
на выходах турбин от направления
воздушного потока
Вывод
Результаты измерений показывают, что при направлениях воздушного
потока 0, 90, 180 и 270 градусов, напряжение на выходе как минимум одной из
двух турбин достигает максимального значения.
При направлениях воздушного потока 45, 135, 225, и 315 градусов, скорость вращения турбин уменьшается примерно в два раза. Однако в этих случаях воздушный поток вращает обе турбины с одинаковой скоростью.
659
Таким образом, можно сделать вывод о том, что сумма напряжений двух
турбин мало зависит от направления воздушного потока, и конструкцию из
двух воздушных каналов, перекрещивающихся под углом 90 градусов, можно
признать целесообразной для использования в качестве основы при проектировании энергонезависимых зданий.
Заключение
В проекте было проведено теоретическое и практическое обоснование
целесообразности объединения ветроэнергетической установки и архитектурного сооружения, а также предложена модель конструкции пригодной для
практического внедрения.
Библиографический список
1. ЭНЕРГИЯ Дисижн http://energyds.ru/catalog/generating/vetrogeneratory.
html
2. The Danish Market. Statistics on the development of wind power in
Denmark 2003-2012 http://www.windpower.org/en/knowledge/statistics/the_danish
_market.html
3. Ветрогенератор https://wikipedia.org/wiki
4. http://www.univer.omsk.su/omst/Cityclimate
5. omskpress.ru/news/45388
Приложения
Воз-
Ещё один
воздушный
Рис. 2. Модель здания
Рис. 3. Вид на здание сверху
660
Святаш Дарья, 11 кл., МБОУ-лицей, г. Татарск Новосибирской области
Научный руководитель: Акентьев В. И., учитель физики
НЕВИДИМЫЙ ЗВУК И НЕСЛЫШИМЫЙ СВЕТ
От неполного знания –
к полному непониманию!
Введение
Конфуций две с половиной тысячи лет назад наставлял своих учеников
так: «То, что знаешь, считай, что знаешь; что не знаешь, считай, что не знаешь – это и есть знание». Иметь какое-то знание, не зная, где проходит граница
между этим знанием и незнанием, почти бесполезно: ведь тот, кто не знает этой
границы, будет постоянно принимать незнаемое за знаемое, а знаемое за незнаемое, и тем самым — ошибаться.
В жизни довольно часто возникает ситуация, когда нам хотелось бы увидеть что-то, невидимое по своей природе. Услышать то, что услышать, казалось
бы, невозможно.
Всем известно и поэтому как бы не подлежит сомнению: глаз человека не
может увидеть звук, а ухо услышать свет.
Целью моей работы является не только дать ответ на данный вопрос, но и
установить правдоподобие и границы применимости существующих теорий.
Для ответа на поставленные вопросы мне пришлось 1) изучить
литературу по данной теме; 2) спроектировать и построить экспериментальную
установку для проведения собственного научного исследования.
Глава l. Звуковые волны
1.1 Звук – от зарождения к восприятию. Акустика
Всё сущее состоит из материи. Неотъемлемым атрибутом материи является движение. Отдельные тела совершают движения, обладающие той или
иной степенью повторяемости. Движение с периодическим характером называется колебательным. Если механическое тело находится в упругой среде, то его
колебательные движения создают волны, распространяющиеся в этой среде.
Когда частоты воздушных волн попадают в диапазон от 16 до 20000 Гц, колебания воздуха воспринимаются барабанной перепонкой и возникает звук, который способен услышать человек.
Звук, как явление природы, начали изучать очень давно. Так, во времена
Древней Греции в IV в. до н.э., когда теория музыки только зарождалась, Архит
Тарентский выдвинул революционную идею о звуке как колебаний воздуха. К
сожалению, он полагал, что высота звука зависит от скорости распространения
волны, а не от его частоты. Важную роль в зарождении акустики сыграли работы Аристотеля и Пифагора. В буквальном переводе с греческого akustikos - оз661
начает «слуховой». Технологическая революция ХХ в. расширила это понятие
на весь диапазон частот.
В настоящее время не существует единой теории, объясняющей все акустические процессы, происходящие в природе.
1.2 Звук как физическое явление
Звук как физическое явление — это механические колебания упругой
среды в диапазоне слышимых частот.
Звуковые волны возникают всегда, если в упругой среде имеется колеблющееся тело или когда частицы упругой среды колеблются вследствие воздействия на них любой возбуждающей силы.
При достижении звуковой волной какой-либо точки пространства, частицы вещества, до того не совершавшие упорядоченных движений, начинают колебаться. Любое движущееся тело, в том числе и колеблющееся, способно совершать работу, то есть оно обладает энергией. Следовательно, распространение звуковой волны сопровождается распространением энергии. Источником
этой энергии является колеблющееся тело, которое и излучает в окружающее
пространство энергию.
1.3 Понятие звукового давления
По мере движения в каждой конкретной точке пространства звуковая
волна создаёт изменяющееся давление. Оно попеременно то выше, то ниже атмосферного давления.
Самый слабый звук, который способен слышать человек со здоровым
слухом, соответствует давлению 20 мкПа. Звуковое давление, возникающее
вследствие изменения плотности воздуха, имеет при температуре 25ºС величину порядка 5мкПА. Если бы слух был чуть более восприимчив к звуковым раздражениям, человек слышал бы непрерывные молекулярные шумы воздуха и
тока крови. Таким образом, чувствительность слуха находится на пределе биологической целесообразности.
1.4 Строение слухового органа. Звук как двоякое значение
Ухо - это орган слуха и равновесия. Его составные части обеспечивают
прием звуков и сохранение равновесия (п.1).
Функция наружного уха - улавливание звуков и их проведение к барабанной перепонке. Среднее ухо представляет собой полость, расположенную внутри височной кости. Во внутреннем ухе имеется полость в виде спирали - улитка, отделённая от среднего уха овальным отверстием. Здесь механическая энергия звуковых волн превращается в электрическую благодаря тому, что волокна
слухового нерва возбуждают спиральный орган, расположенный в улитке, и
передают слуховое ощущение в головной мозг.
Слово «звук» имеет двоякое значение. Поэтому нужно условиться, что же
считать звуком – физическое явление в виде распространения звуковых колебаний
662
в воздухе или ощущения слушателя. Первое по существу является причиной, второе следствием, при этом первое понятие о звуке – объективное, вто-рое – субъективное. В первом случае звук действительно представляет собой поток энергии,
текущей подобно речному потоку. Такой звук может изменить среду, через которую он проходит, и сам изменяется ею. Во втором случае под звуком мы понимаем те ощущения, которые возникают у слушателя при воздействии звуковой волны через слуховой аппарат на мозг. Слыша звук, человек может испытывать различные чувства. Самые разнообразные эмоции вызывает у нас тот сложный комплекс звуков, который мы называем музыкой. Звуки составляют основу речи, которая служит главным средством общения в человеческом обществе. И, наконец,
существует такая форма звука, как шум. Анализ звука с позиций субъективного
восприятия более сложен, чем при объективной оценке.
1.5 Киматика. Фигуры Хладни.
Киматика — это наука о формообразующих свойствах волн. Термин Киматика был введён учёным из Швейцарии Хансом Йенни, продолжившем работу немецкого учёного Эрнста Хладни (1756-1827 гг.). Воздействия звуковой
волны на вещества разной природы Ханс Йенни запечатлел на фотоплёнку. Он
рассыпал на поверхность стальной пластины песок, глину, жидкие вещества и
под воздействием колебательных движений разной частоты, вещества на пластине принимали упорядоченный рисунок. Сложность рисунка напрямую зависела от подаваемой звуковой частоты на пластину: чем выше частота, тем
сложнее рисунок. Эти «звуковые орнаменты» (п.2) впоследствии получили название Рисунки Хладни.
В научном исследовании доктора Дженни, известном как “Киматика”, он
продемонстрировал геометрию звуковых вибраций, используя тонкие контейнеры, наполненные следующими средами: песком, спорами грибка Лигодеум,
мокрым гипсом и разными формами жидкости, обладающими крошечными
частицами или плавающими в них “коллоидами”. В этой книге особый интерес
представляет коллоидная жидкость. Находясь в состоянии покоя, коллоиды
равномерно распределяются в жидкости, и вода становится мутной. Доктор
Дженни называет такое состояние “гидродинамическим рассеиванием”. Однако
когда контейнер вибрировал на чистых диатонических звуках, частицы в жидкости собирались в упорядоченные и изолированные видимые геометрические
формы, из которых обладали двумерной и трёхмерной структурой. Иными словами, в них можно было наблюдать сформировавшуюся и ясно воспринимаемую глубину, то есть, они не были “плоскими“.
Глава II. Световые волны
2.1 Свет – от зарождения к ощущению. Оптика
Чтобы видеть, нам нужен свет. Платон считал, что зрительное восприятие
663
существует не потому, что свет проникает в глаз, а потому, что частицы, исходящие из глаз, обволакивают окружающие предметы.
В течение последних 300 лет существовали две соперничавшие теории
относительно природы света. Исаак Ньютон (1642-1727) считал, что свет - это
поток частиц, в то время как Христиан Гюйгенс (1629-1695) утверждал, что
свет представляет собой колебание небольших эластичных сферических образований, соприкасающихся друг с другом и перемещающихся во всепроникающей среде - эфире. Любое возмущение этой среды, как он считал, будет
распространяться во всех направлениях в виде волны, а эта волна и есть свет.
О́птика (от др.-греч. ὀπτική, optike' появление или взгляд) - раздел физики,
который рассматривает явления, связанные с распространением электромагнитных волн преимущественно видимого и близких к нему диапазонов. Оптика
описывает свойства света и объясняет связанные с ним явления.
2.2 Свет как физическое явление
Свет или световая волна - электромагнитное излучение, воспринимаемое
человеческим глазом. В качестве коротковолновой границы спектрального диапазона, занимаемого светом, принят участок с длинами волн в вакууме 380-400
нм (750-790 ТГц), а в качестве длинноволновой границы - участок 760-780 нм
(385-395 ТГц).
В более широком смысле, светом часто называют любое оптическое излучение, длины волн которых лежат в диапазоне с приблизительными границами от единиц нанометров до десятых долей миллиметра. В этом случае в понятие «свет» помимо видимого излучения включаются как инфракрасное, так и
ультрафиолетовое излучения.
2.3 Понятие светового давления
Свет - это и частицы и волны. Свет состоит из единиц энергии - квантов.
Они соединяют в себе свойства и частиц и волн. Согласно квантовой теории,
давление света на поверхность обусловлено тем, что каждый фотон при соударении с поверхностью передает ей свой импульс.
Гипотезу о давлении света впервые (1619) высказал И. Кеплер для объяснения отклонения хвостов комет, пролетающих по ночному небосводу.
Давление света экспериментально открыто и измерено впервые было
П.Н. Лебедевым (1899). Величина давления света даже для самых сильных источников света (Солнце, электрическая дуга) ничтожно мала и маскируется в
земных условиях побочными явлениями (конвекционными токами, радиометрическими силами), которые могут превышать в тысячи раз величину давления
света.
Давление света одинаково успешно объясняется и волновой, и квантовой
теорией. Экспериментальное доказательство существования светового давле664
ния на твердые тела и газы сыграло большую роль в утверждении теории Максвелла.
2.4 Строение глаза. Свет как двоякое значение
Основным приемником видимого излучения, как известно, является глаз.
(п. 3) В основе восприятия лежат биохимические реакции светочувствительных
пигментов колбочек и палочек, которые под действием излучения подвергаются обратимым химическим изменениям, формирующим электрические сигналы,
поступающие в мозг по черепномозговым нервам.
Глаз состоит из двух частей: глазного яблока и вспомогательных частей глазодвигательных мышц, век, слезного аппарата. Задняя часть глазного яблока
представляет собой чувствительный экран, на который отбрасываются изображения диоптрическим аппаратом, заложенным в передней части глаза и состоящим из хрусталика, радужины, цилиарного тела и роговицы; сюда же можно отнести жидкость передней камеры и стекловидное тело.
Сетчатка представляет самую внутреннюю оболочку глазного яблока и
граничит непосредственно со стекловидным телом.
Свет - видимое излучение - является единственным раздражителем глаза,
вызывающим зрительные ощущения, обеспечивающие зрительное восприятия
мира. Однако действие света на глаз не ограничено только возникновением на
сетчатке глаза изображений и формированием зрительных образов. Оказывается, свет вызывает и другие важные реакции рефлекторного и гуморального характера. Воздействуя через адекватный рецептор, он вызывает импульсы, распространяющиеся по зрительному нерву до оптической области больших полушарий головного мозга и возбуждает или угнетает центральную нервную
систему, перестраивая физиологические и психические реакции, изменяя общий тонус организма, поддерживая деятельное состояние.
Вследствие ограниченной скорости света и определенной задержки нервных импульсов, поступающих в мозг, мы всегда видим прошлое. Наше восприятие Солнца запаздывает на 8 мин.; а наиболее отдаленный из видимых невооруженным глазом объектов - туманность Андромеды уже больше не существует и то, что мы видим, происходило за миллион лет до появления человека на
Земле.
Мы знаем также, что так называемое электромагнитное излучение, по
существу, ничем не отличается от светового. Физическое различие между радиоволнами, инфракрасным светом, видимым светом, ультрафиолетовыми и
рентгеновскими лучами состоит в их частоте. Только очень узкий диапазон
этих частот возбуждает глаз и дает изображение и ощущение цвета.
2.5 Виды излучений. Интенсивность света
Инфракрасные лучи были обнаружены за пределами красной границы,
между длинноволновым и коротковолновым участками этой части спектра.
665
Почти половина солнечной радиации – это именно инфракрасное излучение.
Основная характеристика этих не видимых глазу лучей – сильная тепловая
энергия: ее непрерывно излучают все нагретые тела.
Излучение этого вида подразделяется на три области по такому параметру, как длина волны: от 0,75 до 1,5 мкм – ближняя область; от 1,5 до 5,6 мкм –
средняя; от 5,6 до 100 мкм – дальняя.
Инфракрасное излучение является не продуктом всевозможных современных технических устройств, а прежде всего фактором природной окружающей среды, который постоянно действует на человека. Наше тело непрерывно поглощает и отдает инфракрасные лучи.
Диапазон ультрафиолетовых лучей, испускаемых Солнцем, составляет от
400 до 20 нм, однако до земной поверхности доходят только незначительная
часть коротковолнового спектра – до 290 нм.
Основное отличие лучей заключается в том, что эффект инфракрасных лучей ограничивается преимущественно тепловым действием, в то время как ультрафиолетовые лучи способны оказывать еще и фотохимическое воздействие.
Вопрос о течении энергии в упругой волне был впервые (1874 г.) рассмотрен Н.А. Умовым который доказал общую теорему о потоке энергии в любой среде. Поток энергии в упругой волне может быть вычислен через величины, характеризующие потенциальную энергию упругой деформации и кинетическую энергию движения частиц упругой среды. Плотность потока энергии выражается с
помощью специального вектора (вектор Умова). Можно уподобить энергию электрического поля потенциальной энергии упругой деформации, а энергию магнитного поля - кинетической энергии движения частей деформированного тела. Так
же как и в случае упругой деформации, передача энергии от точки к точке в электромагнитной волне связанна с тем обстоятельством, что волны электрической
магнитной напряженности находятся в одной фазе.
Глава III. Определения границ применимости физических теорий
Как всё-таки можно услышать видимое и увидеть не слышимое, несмотря
на то, что ушами мы не видим, а глазами не слышим?
3.1Описание установки
Для проведения различных исследований мне как раз и понадобится установка, которая позволит услышать свет. Основная часть установки – приёмно-преобразующее устройство (п.4) представляющее собой простую обыкновенную стеклянную пол-литровую банку с крышкой. Банка именно из данного
материала, конфигурации и заданной ёмкости позволила получить предполагаемый результат.
Для более качественного приёма световых волн заднюю часть банки
пришлось закоптить изнутри, а переднюю часть тщательно протереть тампоном
666
со спиртом во избежание различных дефектов, которые могут произойти при
преломлении световых лучей, идущих от источника света.
Толщину слоя сажи при проведении опытов также пришлось подбирать
экспериментальным путём.
В крышке банки проделала отверстие, к которому подсоединила трубку,
превратив тем самым обыкновенную банку в резонатор Гельмгольца. Резонатор
Гельмгольца - устройство резонансного типа, в основе которого лежит принцип
звукопоглощающего действия.
Следующая часть установки – обыкновенная лампа, являющаяся не только источником света, но и ещё источником инфракрасного излучения.
3.2 Принцип работы установки
От лампы, которая питается переменным током, исходит инфракрасное
излучение, которое занимает спектральную область между красным концом видимого света и микроволновым излучением. Инфракрасное излучение является
тепловым, так как воспринимается различными телами как ощущение тепла.
Закопчённая поверхность банки, поглотив излучение, нагревается и приводит к нагреву воздух, находящийся в банке. При этом она сама генерирует
тепловые волны, распространяющиеся в окружающее пространство.
Конвективные потоки воздуха при расширении устремляются вверх.
Плотность потока мала и изменяется с течением времени из-за неравномерного
нагрева задней части банки и как следствие воздуха.
Чередование разрежений и сжатия воздуха приводит к возникновению
звуковых волн.
Резонатор Гельмгольца сжимает воздух, заключённый внутри банки, давлением звуковой волны через трубку в крышке.
3.3Физические основы исследования
Резонатор Гельмгольца является колебательной системой с одной степенью свободы и поэтому способен «отзываться» только на одну единственную
частоту, соответствующую его собственной резонансной частоте. Значение
данной частоты зависит от соотношение между внутренним объёмом воздуха и
объёмом воздуха, заключённым в суженной части прибора. При этом часть акустической энергии звуковой волны тратится на сжатие внутреннего объёма воздуха и трение в трубке резонатора, а часть кинетической энергии поглощается
слоем сажи.
В качестве сосуда для воздуха выбрана именно банка, так как вогнутая
поверхность лучше фокусирует звук.
При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность
излучения.
667
3.4 Результаты исследования
Проблема визуализации слышимости света заключается в том, что свет в
отличие от звука либо совсем не распространяется в некоторых средах, либо
поглощается и рассеивается настолько быстро, что не успевает донести изображение предмета или приемника светового изображения.
Изменяя расстояние от резонатора до лампы, удалось определить расстояние наилучшего звучания, которое составило 3-5 см (п.5). Экспериментально было установлено, что при удалении на расстояние более 10 см звук
становился неслышимым (п.6). Объяснение данного экспериментального факта
связано с очень малой длиной световой волны и её поглощением, рассеянием и
отражением в рассматриваемом пространстве.
Изменив количество ламп в эксперименте, убедилась в том, что резонансная частота не связана с интенсивностью света, так как это никак не повлияло на громкость звука. Замена ламп, работающих от переменного тока, на
лампы, работающие от постоянного тока, не позволила вновь услышать свет,
так как именно переменный ток приводит к нестационарному нагреванию, что
вызывает изменение плотности воздуха. Термоупругие напряжения обуславливают возбуждение акустических волн в среде, окружающей область поглощения света.
Аналогичный вариант возбуждения звука при поглощении света в замкнутом объёме газа был открыт А. Беллом (1880) и назван фотоакустическим
эффектом.
Услышанный свет был обнаружен мной с помощью программы
SpektrumLab. На графике (п.7) чётко видно, что резонансная частота звука, возбуждаемого световыми волнами, равна 100Гц. Следует отметить, что математические расчёты дают результат в диапазоне от примерно 100 Гц до 120 Гц.
Воздух в трубке резонатора является колеблющейся массой, а объем воздуха в сосуде играет роль упругого элемента. (п.9) Такое разделение справедливо лишь приближенно, так как некоторая часть воздуха в полости обладает
инерционным сопротивлением. Однако при достаточно большой величине отношения площади отверстия к площади сечения полости точность такого приближения вполне удовлетворительна. Основная часть кинетической энергии
колебаний оказывается сосредоточенной в горле резонатора, где колебательная
скорость частиц воздуха имеет наибольшую величину.
Программа SpektrumLab позволила провести мне опыт не только по определению частоты видимого света, но и сделать сравнительный анализ громкости
звука «потрескивания» банки и звука, исходящего при ударе по банке карандашом. В программе SpektrumLab громкость звука при ударе карандашом достигла
15 Децибелл, а при фотоакустическом эффекте всего лишь 10 Децибелл.
668
Резонатор представляет собой систему с распределенными параметрами.
Однако если размеры резонатора малы по сравнению с длиной волны действующих на резонатор колебаний, то практически можно рассматривать такую
систему, как систему с сосредоточенными параметрами. Собственная частота
резонатора Гельмгольца равна:
F - частота, Гц; C0 - скорость звука в воздухе; S - сечение отверстия, м2; L - длина отверстия, м; V - объем резонатора, м3.
3.4 Описание установки
Для проведения опытов с визуализацией звука мне понадобится две установки. Основная часть установки, в обоих случаях, это обыкновенный динамик
для воспроизведения звуковых волн различной интенсивности и амплитуды.
Этот динамик позволяет воспроизводить большой диапазон частот, что собственно и нужно для появления «орнаментов».
В первом случае (п.10) установка дополняется металлическим листом
размерами 45х45 см и толщиной 2 мм. Лист именно из данного материала является оптимальным вариантом, так как колеблется лучше стекла и пластмассы.
Пластина закрепляется поверх динамика. На неё насыпается мелкозернистый
материал: манка или песок.
Во втором случае (п.11) используется только динамик и неньютоновская
жидкость. Неньютоновская жидкость – это смесь из двух равных частей крахмала и одной такой же части воды. Для лучшей наглядности опыта, жидкость
подкрашивается пищевым красителем. Важно, чтобы диффузор был из водонепроницаемого материала. Жидкость заливается в сам динамик.
3.5 Принципы работы установки
Динамик, который подключён к усилителю, а тот в свою очередь к компьютеру, воспроизводит звуковые волны и частоты различных диапазонов, благодаря программе «генератор частот 4.0.7z»
В случае с металлической пластиной и манкой происходит колебание
пластины. На ней появляются узлы (места, где амплитуда колебания минимальна) и пучности (амплитуда колебания пластины в этих точках максимальна). Манка стремится из области с высокими колебаниями пластины попасть в
области минимальных колебаний. Благодаря этому, можно наблюдать чётко
выраженные контуры геометрических фигур. Меняя частоту, подаваемую на
динамик, мы меняем характер колебаний пластины и соответственно рисунок
на ней. Самый красивый рисунок в моем эксперименте получился при частоте
230 Гц (п.12)
В случае с неньютоновской жидкостью, можно наблюдать аналогичный
вариант появления пучностей и узлов. Благодаря динамику воспроизводятся
669
частоты различных диапазонов, и соответственно в колебательное движение
приходит жидкость. В местах, где колебания жидкости максимальны, происходит подъем жидкости в виде своего рода столбца. Данная картина может напоминать эквалайзер. Так как узлы и пучности находятся в геометрической симметрии, то меняя частоту звука можно наблюдать некоторые из фигур Хладни в
объёме. При частоте звука 640 Гц я наблюдала красивый рисунок, напоминающий клетки на шахматной доске (п.13).
3.6 Физические основы исследования
Характер визуальной картины звука зависит от частоты и интенсивности
звуковых волн. Чем выше частота, тем сложнее и интереснее получается рисунок.
Используя манку и металлическую пластину, мы получаем графическое
изображение звука. При этом изображение зависит от материала, который насыпают на пластину.
Используя неньютоновскую жидкость, мы получаем объёмное изображение звука. Своего рода «эквалайзер».
3.7 Результаты исследования
В ходе проведённых экспериментов удалось повторить опыт Хладни.
Меняя амплитуду частоты звука, получила различные рисунки, в том числе и
объёмную картину. Характер полученных визуализированных изображений
звука напрямую зависит от частоты звука.
Заключение:
Таким образом, изученный теоретический материал позволил мне провести ряд экспериментов, в результате выполнения которых границы познания
значительно расширились, а обыденные представления в очередной раз оказались просто несостоятельными. Видимое превратилось в слышимое, а слышимое в видимое благодаря изготовленной установки.
Слой сажи поглотил свет и преобразовал его энергию в тепло. Тепло
диффундировало и рассеялось в окружающую среду. Воздух нагрелся, что привело к повышению давления. Так как лампа работала от переменного тока и
процесс периодически повторялся с достаточной скоростью и при достаточной
амплитуде, колебания давления произвели звуковой сигнал.
Звук, воспроизведённый динамиком, позволил привести в колебательное
движение металлическую пластину и неньютоновскую жидкость. Благодаря
этому удалось получить визуализированное изображение звука.
Библиографический список
1. Джалмухамбетов А.У. «Квантовая механика» А.: Астраханский госуниверситет, 2008.- 80 с.
670
2. Иродов И. Е. «Электромагнетизм» М.: БИНОМ. Лаборатория знаний,
2009. - 319 с.
3. Кокк Е. «Видимый звук», "Мир", 1974.
4. Крылов И.Р. «Лекции по оптике для физфака», М.: Наука, 1976.
5. Кук У. «Звуковые и световые волны», «Мир», 1966.
6. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. «Теория поля» М.: Наука, 1988. -512 с.
7. Ландсберг Г. С. «Оптика» М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 387с.
8. Сивухин Д. В. «Общий курс физики» Оптика. М.: ФИЗМАТЛИТ,
2005. - 792 с.
Приложение 1
Приложение 2
671
Приложение 3
Приложение 4
Приложение 5
672
Приложение 6
Приложение 7
Приложение 8
673
Приложение 9
Приложение 10
Приложение 11
674
Приложение 12
Приложение 13
675
Неупокоев Вениамин, 8а кл. БОУ СОШ № 142
Руководитель: Данилов С. В., доцент кафедры физики ОмГТУ, к.ф.-м. н.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ НЕИЗВЕСТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
РЕЗИСТОРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОДНОГО
ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА
Введение
Резисторы – элементы электронной аппаратуры, используемые практически во всех электрических и электронных устройствах. Основное назначение резистора – создание в электрической цепи требуемой величины электрического
сопротивления. С этой целью при включении резисторов в электрическую цепь
используют два основных способа их соединения: последовательное и параллельное. Знание правил расчета сопротивлений при последовательном и параллельном соединении резисторов с использованием закона Ома для участка цепи
– основа расчета электрических цепей, как простейших, так и разветвленных.
Для практического применения данных правил и закона Ома предлагается следующая исследовательская работа.
Цель работы: выяснить возможность определения величины неизвестного
сопротивления резистора с помощью одного электроизмерительного прибора.
В работе использованы цифровые приборы: стабилизированный генератор постоянного напряжения ГН с пренебрежимо малым внутренним сопротивлением и с регулируемым выходным напряжением, вольтметр, амперметр,
стенд с объектами исследования ЭМ01, соединительные провода.
Последовательность проведения исследования.
Метод 1.
Если у экспериментатора из измерительных приборов имеется только
вольтметр, то для определения величины неизвестного сопротивления резистора необходимо последовательно с ним подсоединить резистор с известным сопротивлением и измерить либо напряжение на каждом из резисторов, либо общее напряжение на двух резисторах и напряжение на известном сопротивлении. В данной работе проверялся второй способ.
Порядок работы.
1. Собрать цепь в соответствии с принципиальной схемой на рис. 1. При
сборке следует использовать выход постоянного напряжения ГН и отключить
внутреннее сопротивление источника. На стенде следует выбрать для подключения резистор с известным сопротивлением R2 и резистор с неизвестным сопротивлением Rх1.
2. Установить по показаниям вольтметра (рис. 1) напряжение генератора
Uг= 2 В.
676
Рисунок 1. Задание напряжения генератора
3. Переключить вольтметр на измерение напряжения U2 на резисторе R2
(по схеме на рис. 2).
Рисунок 2. Измерение напряжения на резисторе R2
4. Записать величину U2 в таблицу 1.
Таблица 1
1
2
3
4
5
Uг, В U2,B R2, Ом I, А Rоб, Ом Rх1, Ом <Rх1>, Ом ∆Rх1, Ом ε, %
2
150±10%
4
6
8
10
5. Рассчитать силу тока в цепи по закону Ома для участка цепи:
6. Вычислить общее сопротивление цепи, используя закон Ома для участка цепи:
7. Найти величину неизвестного сопротивления Rх1, используя правило
последовательного соединения резисторов: Rоб = R2 + Rх1
8. Повторить эксперимент при других заданных значениях напряжения
генератора.
677
9. Рассчитать среднее значение неизвестного сопротивления и погрешность его определения методом косвенных невоспроизводимых измерений.
Метод 2.
Если у экспериментатора из измерительных приборов имеется только амперметр, то для определения величины неизвестного сопротивления резистора
необходимо параллельно с ним подсоединить резистор с известным сопротивлением и измерить либо силу тока в каждом резисторе, либо силу тока в резисторе с известным сопротивлением и общую силу тока. В данной работе реализован первый способ.
Порядок работы.
1. Собрать цепь в соответствии с принципиальной схемой на рис. 3. При
сборке следует использовать выход постоянного напряжения ГН и отключить
внутреннее сопротивление источника. На стенде следует выбрать для подключения резистор с известным сопротивлением R2 и резистор с неизвестным сопротивлением Rх1.
Рисунок 3
2. Установить по показаниям амперметра силу тока в известном резисторе I2 = 20 мА.
Таблица 2
1
2
3
4
5
I2, мА R2, Ом Ix, мА Rх1, Ом <Rх1>, Ом ∆Rх1, Ом
20
150±10%
40
60
80
100
ε, %
3. Переключить амперметр для измерения силы тока в резисторе с неизвестным сопротивлением (рис. 4).
Измерить и записать в таблицу 2 силу тока Ix.
4. По правилам параллельного соединения резисторов напряжения на них
одинаковы. С использованием этого и закона Ома для участка цепи, получаем
равенство:
I x Rx1 = I 2 R2
678
Рисунок 4
Тогда величину неизвестного сопротивления можно рассчитать по формуле:
5. Повторить эксперимент при других заданных значениях напряжения
генератора.
6. Рассчитать среднее значение неизвестного сопротивления и погрешность его определения методом косвенных невоспроизводимых измерений.
7. Сделать общий вывод по работе.
Заключение.
Выполнение предлагаемой исследовательской работы позволяет практически использовать закон Ома для участка цепи и правила расчета сопротивления при последовательном и параллельном соединениях резисторов. Работа с
цифровыми приборами, знакомство с их характеристиками, расчет погрешности измерений не предусмотрены школьной программой, что усиливает интерес
к изучаемому материалу.
Метод 1.
Приложение
Отчет о выполнении исследовательской работы
Uг, В U2,B R2, Ом
I, А
Rоб, Ом
1 2,06 0,73 150±10% 0,00487 423,286
2 3,98 1,41
0,0094 423,404
3 6,08 2,15
0,0143 424,186
4 7,98 2,83
0,01887 422,968
5 10,02 3,55
0,02367 423,380
1.
2.
679
Rх1, Ом <Rх1>, Ом ∆Rх1, Ом ε, %
273,288 273,445
0,559
0,204
273,404
274,186
272,968
273,380
3.
4.
5.
Среднее значение сопротивления неизвестного резистора:
Расчет погрешности методом косвенных невоспроизводимых измерений.
1) Отклонение от среднего значения каждого аргумента:
2) Среднеквадратичная погрешность:
3) Задаём надёжность α = 0,95
При 5 измерениях коэффициент Стьюдента равен tα = 2,78
4) Случайная погрешность:
5) Абсолютная погрешность:
680
6) Относительная погрешность:
Метод 2.
1
2
3
4
5
I2, мА R2, Ом Ix, мА Rх1, Ом <Rх1>, Ом ∆Rх1, Ом ε, %
20,0 150±10% 11,0
272,73
272,769
0,464
0,170
40,7
22,4
272,54
60,5
33,3
272,52
80,7
44,4
272,64
100,8
55,3
273,42
Среднее значение сопротивления неизвестного резистора:
Расчет погрешности методом косвенных невоспроизводимых измерений.
1) Отклонение от среднего значения каждого аргумента:
2) Среднеквадратичная погрешность:
681
3) Задаём надёжность α = 0,95
При 5 измерениях коэффициент Стьюдента равен tα = 2,78
4) Случайная погрешность:
5) Абсолютная погрешность:
6) Относительная погрешность:
Вывод.
В результате проведенной исследовательской работы установлено:
1). Можно с помощью одного измерительного прибора определить величину сопротивления неизвестного резистора при наличии резистора с известным сопротивлением;
2). Величина сопротивления не зависит от напряжения на нем и от силы
протекающего через него тока.
В ходе работы определена величина сопротивления неизвестного резистора двумя методами:
1 метод: 2 метод:
= (273,4±0,6) Ом
= (272,8±0,5) Ом
ε1 = 0,21% ε2 = 0,17%
α = 0,95 α = 0,95
Полученные разными способами значения сопротивления неизвестного
резистора совпали в пределах погрешности измерения.
682
Погулина Ольга, 8 кл. БОУ г. Омска «СОШ № 94»
Хохленко Александра, 8 кл. БОУ г. Омска «СОШ № 94»
Руководитель: Строчкова Т. Н., учитель физики БОУ г. Омска «СОШ № 94»
ОЦЕНКА РАДИАЦИОННОЙ ОБСТАНОВКИ
В ШКОЛЕ № 94 г. ОМСКА
Введение
Радиоактивность - отнюдь не новое явление; новизна состоит в том, как
люди пытались ее использовать. И радиоактивность, и сопутствующие ей ионизирующие излучения существовали на Земле задолго до зарождения на ней
жизни и присутствовали в космосе.
Радиация – поток заряженных или нейтральных частиц и квантов электромагнитного излучения. Радиация вредна для жизни человека. При малых дозах облучения впоследствии возникает лучевая болезнь, рак, а при больших дозах разрушаются клетки, ткани, повреждаются органы, после чего организм
гибнет.
Различают естественные и искусственные источники радиации. К естественным источникам радиации относятся космические лучи, земная радиация и
газ радон, содержащийся в воздухе. К искусственным источникам радиации относятся источники, сделанные человеком: атомная энергетика, рентгеновский
аппарат, различные бытовые предметы и др. Основную часть облучения, около
70%, человек на протяжении всей своей жизни получает от естественных источников радиоактивного загрязнения. Остальные 30 % приходятся на антропогенное (техногенное) радиоактивное загрязнение.
Земная радиация определяется основными радиоактивными изотопами,
которые встречаются в горных породах земли. Некоторые радиоактивные долгоживущие изотопы входили в состав Земли с самого ее рождения. Естественный радиационный фонд колеблется в широких пределах в различных регионах
Земли. Эквивалентная доза в организме человека в среднем 0,2 бэр. Техногенный радиационный фонд связан с главным образом с переработкой и перемещением горных пород, сжиганием каменного угля, нефти, газа и других горючих ископаемых, а также с испытаниями ядерного оружия и ядерной энергетикой. Основными источниками потенциальной опасности являются: предприятия по производству расщепляющегося материала для ядерного оружия: Арзамас-16, Челябинск-40, Красноярск-45, Томск-7,11; действующих атомных
электростанций, которые дают около 12 % электроэнергии для Российской Федерации (всего на территории России действует 31 энергетический реактор и
строится 6 реакторов).
683
Актуальность проекта:
Свыше половины жителей страны испытывают опасное воздействие
вредных веществ в атмосферном воздухе. Почти каждый второй житель России
использует питьевую воду, не соответствующую гигиеническим качествам. Население страны лишено информации о степени загрязнения воздуха, воды, земли, продуктов питания в местах проживания, в зонах чрезвычайной экологической ситуации, местах проведения ядерных взрывов, захоронений радиоактивных отходов, хранения и уничтожения химического оружия, а также в изобретениях связанных с ядерным оружием, создание ядерного оружия. Расширение
применения атома в мирных целях при недостаточном обеспечении безопасности радиационного заражения окружающей среды приводят к угрозе проживания человечества на Земле из-за радиационной загрязненности. Наиболее весомым из всех естественных источников радиации является невидимый, не
имеющий вкуса и запаха тяжелый газ радон. Радон составляет примерно половину дозы облучения, получаемую населением от земных источников радиации
за год. Особенно большое содержание радона накапливается в непроветренных
помещениях.
Цель исследования: оценить уровень радиационного фона на территории
школы и в городе Омске.
Задачи:
- описать приборы для измерения уровня радиации;
- измерить уровень радиационного фона в помещениях и в окрестностях
школы;
-выявить современное состояние проблемы.
- проанализировать результаты измерений.
- ознакомить с результатами и выводами общественность
Оборудование: дозиметр.
1. Что такое радиоактивность?
РАДИОАКТИВНОСТЬ - самопроизвольное превращение атомов одного
элемента в атомы других элементов, сопровождающееся испусканием частиц и
электромагнитного излучения.
Радиоактивность подразделяется на естественную (наблюдается у неустойчивых изотопов, существующих в природе) и искусственную (наблюдается
у изотопов, полученных посредством ядерных реакций). Принципиального различия между этими двумя типами радиоактивности нет, так как законы радиоактивного превращения в обоих случаях одинаковы.
Радиоактивное излучение имеет сложный состав. В магнитном поле узкий пучок радиоактивного излучения расщепляется на три компонента:
1) слабо отклоняемый пучок положительных частиц (α-излучение);
684
2) сильно отклоняемый пучок отрицательных частиц (β-излучение);
3) не отклоняемый пучок (γ-излучение)
Альфа-частицы: это относительно тяжёлые положительно заряженные
частицы, представляющие собой ядра гелия.
Бета-частицы: это электроны и позитроны.
Гамма-излучение: имеет тоже электромагнитную природу, что и видимый
свет, однако обладает гораздо большей проникающей способностью.
Под радиоактивным распадом, или просто распадом, понимают естественное радиоактивное превращение ядер, происходящее самопроизвольно.
Атомное ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским, возникающее ядро — дочерним.
Распад большого количества ядер любого радиоактивного изотопа подчиняется закону радиоактивного распада, который может быть выражен в следующей математической форме:
где N0 — начальное количество радиоактивных ядер в момент времени, с которого начинаются наблюдения (t=0); N — число ядер, не испытавших распада до
некоторого произвольного момента t; T — период полураспада. Этот закон
можно представить и графически (см. рисунок 1).
Рисунок 1
Периоды полураспада для естественно-радиоактивных элементов колеблются от десятимиллионных долей секунды до многих миллиардов лет.
Радиоактивный распад происходит в соответствии с так называемыми
правилами смещения, позволяющими установить, какое ядро возникает в результате распада данного материнского ядра. Правила смещения:
для α-распада
A
Z
X → ZA−−42Y + 24He
685
для β-распада
A
Z
X → Z +A1Y + −10 e
где ZA X — материнское ядро, Y - символ. дочернего ядра, 24 He — ядро гелия
(α-частица), −10 e — символическое обозначение электрона (заряд его равен -1,
а массовое число — нулю). Правила смещения являются не чем иным, как
следствием двух законов, выполняющихся при радиоактивных распадах, — сохранения электрическою заряда и сохранения массового числа: сумма зарядов
(массовых чисел), возникающих ядер и частиц равна заряду (массовому числу)
исходного ядра.
Возникающие в результате радиоактивного распада ядра могут быть, в
свою очередь, радиоактивными. Это приводит к возникновению цепочки, или
ряда, радиоактивных превращений, заканчивающихся стабильным элементом.
Совокупность элементов, образующих такую цепочку, называется радиоактивным семейством. В настоящее время известно, что естественно-радиоактивные
ядра образуют три радиоактивных семейства, называемых по наиболее долгоживущему (с небольшим периодом полураспада) «родоначальнику» семейства:
семейство урана (от 238/92 U), семейство тория (от 232/90 Th) и семейство актиния (от 235/89 Ac). Все семейства заканчиваются стабильными ядрами свинца; семейство урана заканчивается 206/82 РЬ, семейство тория — 208/82 РЬ,
семейство актиния — 207/82 Pb.
2. Биологическое действие радиации.
Ядерное излучение оказывает сильное поражающее действие на все живые организмы. Характер этого действия зависит от поглощенной дозы излучения и его вида. О дозе излучения можно судить по энергии излучения и его ионизирующей способности.
Дозой поглощенного излучения называют величину, равную отношению
энергии излучения, поглощенной облучаемым телом, к его массе:
D=
Eиз. л
m
За единицу дозы поглощенного излучения принят грэй (Гр): 1 Гр = 1 Дж/1 кг.
3. Естественная радиоактивность
Человек всегда был подвержен действию естественной радиации. Он подвергается воздействию космического излучения. Радиоактивные вещества находятся в земле, в зданиях, в которых мы живем, а также в пище и воде, которые мы потребляем. Радиоактивные газы находятся в воздухе, которым мы
дышим, а сам человек радиоактивен, т. к. в живой ткани присутствуют в следовых количествах радиоактивные вещества. Уровни этой естественной или «фоновой» радиации колеблются в значительных пределах.
Наиболее весомым из всех естественных источников радиации (на территории России его вклад достигает 44%) является невидимый, не имеющий вку686
са и запаха тяжелый газ (в 7,5 раза тяжелее воздуха) — радон. Человек подвергается воздействию радона и продуктов его распада в основном за счет внутреннего облучения при поступлении радионуклидов в организм через органы
дыхания и, в меньшей мере, с продуктами питания.
В природе встречаются два изотопа радона: радон-222 (образуется при
распаде урана-238) и радон-220 (один из продуктов в ряду распада тория-232).
Оба изотопа излучают альфа-частицы, превращаясь в изотоп полония, которые,
в свою очередь, тоже излучая альфа-частицы, дают начало следующим нуклидам (альфа- или бета - активным) и так далее — вплоть до стабильных изотопов
свинца. Радона-222 в природе в 20 раз больше, чем радона-220, поэтому далее
будет подразумеваться в основном первый из них.
Радон высвобождается из земной коры, однако основную часть дозы облучения от радона человек получает, находясь в закрытом, непроветриваемом помещении, причем радон концентрируется в воздухе внутри помещений лишь тогда, когда они в достаточной мере изолированы от внешней среды. Средняя равновесная концентрация радона внутри помещений составляет около 15 Бк/м3.
В зонах с умеренным климатом концентрация радона в закрытых помещениях в
среднем примерно в 8—10 раз выше, чем в наружном воздухе. Герметизация помещений с целью утепления только усугубляет дело, поскольку при этом еще более затрудняется выход радиоактивного газа из помещений. Поступая внутрь помещений тем или иным путем (просачиваясь через фундамент и пол из грунта
или, реже, высвобождаясь из материалов, использованных в конструкциях дома),
радон накапливается в нем. В результате в помещении могут возникнуть довольно
высокие уровни радиации, особенно если дом стоит на грунте с относительно повышенным содержанием радионуклидов или если при его постройке использовали материалы с повышенной радиоактивностью. В среднем человек получает 65—
130 мбэр в год за счет внутреннего облучения радоном.
Самые распространенные строительные материалы — дерево, кирпич и
бетон — выделяют относительно немного радона. Гораздо большей удельной
радиоактивностью обладают, например, гранит и пемза, также используемые в
качестве строительных материалов. Кальций- силикатный шлак также обладает,
как выяснилось, довольно высокой удельной радиоактивностью. Среди других
промышленных отходов с высокой радиоактивностью, применяющихся в
строительстве, следует назвать кирпич из красной глины — отход производства
алюминия, доменный шлак — отход черной металлургии, и зольную пыль, образующуюся при сжигании угля.
Конечно, радиационный контроль строительных материалов заслуживает
самого пристального внимания, однако главный источник радона в закрытых
помещениях — это грунт. Скорость проникновения исходящего из земли радо687
на в помещения фактически определяется толщиной и целостностью стен и перекрытий между этажами. Даже при оклейке стен обоями скорость эмиссии радона уменьшается примерно на 30 %.
Еще один, как правило, менее важный источник поступления радона в жилые помещения представляют собой вода и природный газ. Концентрация радона
в обычно используемой воде чрезвычайно мала, но вода из некоторых источников, особенно из глубоких колодцев или артезианских скважин, содержит очень
много радона. По оценкам НКДАР ООН (Научный комитет по действию атомной
радиации), среди всего населения Земли около 1% жителей потребляют воду с
удельной радиоактивностью более 1 млн. Бк/м3 и около 10% пьют воду с концентрацией радона, превышающей 100000 Бк/м3. А поскольку при нагревании растворимость всех газов уменьшается, то лучше пить кофе или чай, чем некипяченую воду (даже «заговоренную» по телевизору). (Приложение № 2).
В результате предварительной переработки и в процессе хранения природного газа перед поступлением его к потребителю большая часть радона улетучивается, но концентрация радона в помещениях может заметно возрасти, если кухонные плиты, отопительные и другие нагревательные устройства, в которых сжигается газ, не снабжены вытяжкой. При наличии же вытяжки, которая
сообщается с наружным воздухом,
Радон – это природный радиоактивный газ, выделяемый всеми породами
(особенно гранитом). Он поднимается из земли и скапливается в постройках,
различных строениях и зданиях. Половина всей природной радиации на Земле
приходится на долю этого газа, не имеющего ни цвета, ни запаха. Радон часто
вызывает рак легких. Опасность возникает, когда значительное количество радона скапливается в замкнутом пространстве, например, в доме.
В старых домах для борьбы с радоном рекомендуется тщательно заделывать щели в полах, устанавливать в подвалах и на чердаках вытяжные вентиляторы, а так же следить за тем, чтобы все помещения тщательно проветривались.
Содержание радона в помещениях резко падает с повышением этажности,
а наибольшая концентрация наблюдается в подвалах и первых этажах. Радон
также содержится в артезианских водах. Примерно 50% территории России относится к неблагополучным по возможному влиянию этого фактора на здоровье людей. Наиболее неблагополучными являются Мурманская и Ленинградская области, южные области Карелии, Северокавказский регион, Алтайский
край, Новосибирская, Иркутская, Читинская, Амурская области, западные районы Хабаровского края, юг Приморья и др.
4. Другие источники радиации
Каменный уголь содержит радиоактивных нуклидов относительно немного, но из-за больших масс, сжигаемых в топках электростанций и в печах ото688
пления, его вклад в облучение населения достаточно весом. Радионуклиды в
основном попадают в окружающую среду с пылью топочных газов, со шлаками. Выяснилось, что большое загрязнение радионуклидами производят даже
печи домашнего отопления, так как в них нет улавливания золы на выходе из
труб, а невысокие трубы создают в жилых районах высокие концентрации
угольной пыли.
До недавнего времени на это обстоятельство не обращали внимание, но
по оценкам, из-за сжигания угля в домашних условиях во всем мире ожидаемая
коллективная эффективная эквивалентная доза облучения населения Земли
почти в 50 раз больше, чем сжигания угля в топках электростанций.
Использование фосфатов для производства удобрений и в качестве кормовых добавок, термальные водоемы могут привести также к увеличению радиационного фона.
Как происходит облучение. Заряженные частицы очень сильно взаимодействуют с веществом, поэтому, с одной стороны, даже одна альфа-частица
при попадании в живой организм может уничтожить или повредить очень много клеток, но, с другой стороны, по той же причине, достаточной защитой от
альфа и бета-излучений является любой, даже очень тонкий слой твёрдого или
жидкого вещества, например, обычная одежда (если, конечно, источник излучения находится снаружи).
Естественную и основную часть облучения население земного шара получает от естественных источников радиации. Большинство из них таковы, что
избежать облучения от них совершенно невозможно. Человек подвергается облучению двумя способами. Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать его снаружи, в этом случае говорится о внешнем облучении. Или же они могут оказаться в воздухе, которым дышит человек, в пище
или в воде и попасть внутрь организма. Такой способ облучения называют
внутренним.
Облучению от естественных источников радиации подвергается любой
житель Земли, однако, одни из них получают большие дозы, чем другие. Это
зависит от того, где они живут. Уровень радиации в некоторых местах земного
шара, там, где залегают особенно радиоактивные породы, оказывается значительно выше среднего, а в других местах – соответственно ниже. Доза облучения зависит также от образа жизни людей. На организм человека вредное влияние производит и стойкое в экологических цепях явление – радионуклиды, которые поступают внутрь с продуктами питания. Такие продукты расщепления
урана, как стронций-90 и цезий -137, имеют период полураспада около 30 лет.
Поэтому, мигрируя по пищевым цепям, они представляют потенциальную
опасность, особенно, на территориях, загрязненных при производстве и использовании ядерного оружия, техногенных авариях на атомных электростанциях.
689
5. Приборы для регистрации частиц. Дозиметр
Известны экспериментальные методы исследования частиц с помощью
прибора для регистрации частиц - счетчика Гейгера, изобретенного в 1908 году.
Счетчик Гейгера применяется в основном для регистрации электронов и
γ – квантов (фотонов большой энергии). Однако непосредственно γ – кванты вследствие их малой ионизирующей
способности регистрируются только
один γ – квант из ста. Регистрация тяжелых частиц ( например, α – частиц )
затруднена, так как сложно сделать в
счетчике достаточно тонкое окошко,
прозрачное для этих частиц.
Счетчик Гейгера позволяет регистрировать тот факт, что через него пролетает частица. Гораздо большие возможности для изучения микромира дает
прибор, изобретенный в 1912 году и называемый камерой Вильсона. Обычно
треки частиц в камере Вильсона не только наблюдают, но и фотографируют.
С помощью камеры Вильсона был
сделан ряд важнейших открытий в области
ядерной физики и физики элементарных
частиц. Одной из разновидностей камеры
Вильсона является изобретенная в 1952
году пузырьковая камера. Пузырьковая
камера обладает большим быстродействием по сравнению с камерой Вильсона.
Дозиметры «RadЭкс» являются уникальным сочетанием удобства, простоты и высокой точности. Они предназначены специально для непрофессионального использования, поэтому обладают миниатюрными размерами . Интуитивно понятный интерфейс позволит разобраться с прибором за считанные
минуты: просто включите его и немного подождите — все необходимые измерения дозиметр выполнит автоматически, а Вам останется только оценить результат. При этом устройства
отличаются высокотехнологичным
содержимым: внутри используется
профессиональный счетчик ГейгераМюллера типа СБМ 20-1.
Ионизирующее
излучение
мощностью менее 30 микрорентген в
690
час считает безопасным для здоровья человека, однако необходимо учитывать
тип излучения: альфа, бета, гамма или рентгеновское.
Погрешность при доверительной вероятности 0,95 составляет 15+6 % от
мощности дозы мкЗв/ч. Это один из самых точных результатов среди бытовых
дозиметров, который практически соответствует измерителям радиации профессионального уровня. Используя дозиметры «RadЭкс», Вы сможете быть абсолютно уверены в достоверном результате и качестве измерений.
6. Допустимые уровни радиации
На Земле существуют населенные области с повышенным радиационным
фоном. Это, например, высокогорные города Богота, Лхаса, Кито, где уровень
космического излучения примерно в 5 раз выше, чем на уровне моря. Это также
песчаные зоны с большой концентрацией минералов, содержащих фосфаты с
примесью урана и тория – в Индии (штат Керала) и Бразилии (штат ЭспиритуСанту). Можно упомянуть участок выхода вод с высокой концентрацией радия
в Иране (г. Ромсер). Повышенный уровень радиации наблюдается и при авариях на атомных электростанциях на Земле.
Хотя в некоторых из этих районов мощность поглощенной дозы в 1000
раз превышает среднюю по поверхности Земли, обследование населения не выявило сдвигов в структуре заболеваемостии смертности.Кроме того, даже для
конкретной местности не существует "нормального фона" как постоянной характеристики, его нельзя получить как результат небольшого числа измерений.
В любом месте, даже для неосвоенных территорий, где "не ступала нога
человека", радиационный фон изменяется от точки к точке, а также в каждой
конкретной точке со временем. Эти колебания фона могут быть весьма значительными. В обжитых местах дополнительно накладываются факторы деятельности предприятий, работы транспорта и т.д. Например, на аэродромах, благодаря высококачественному бетонному покрытию с гранитным щебнем, фон,
как правило, выше, чем на прилегающей местности.
Типичные значения радиационного фона:
на улице (открытой местности) – 8-20 мкР/час;
в помещении – 15-25 мкР/час.
Допустимая норма радиации – 25-30 мкР/ч.
При вводе зданий в эксплуатацию замеряют гамма-излучение и концентрацию радона (подземнный радиактивный акт).
Нормы по радону:
для эксплуатации зданий не больше 200 Бк/м3,
для вновь строящихся зданий не больше 100 Бк/м3,
для производственных зданий не больше 310 Бк/м3
Нормы гамма-излучения:
для открытой местности - не больше 0,3 мкЗв/ч,
691
в помещениях жилых и общ. зданий не должен превышать мощность дозы на открытой местности более чем на 0,2 мк3в/ч,
7. Как защититься от радиации
Органы человека по-разному воспринимают радиационное воздействие.
Больше всего страдают гонады (половые органы) и красный костный мозг; на
втором месте по уязвимости – мышцы, щитовидная железа, жировая ткань, печень, почки, селезенка, глаза и другие органы; наименее уязвимы – кожный покров, костная ткань кисти, предплечья, голени, стопы.
От источника радиации защищаются временем, расстоянием и веществом.Временем - вследствие того, что чем меньше время пребывания вблизи источника радиации, тем меньше полученная от него доза облучения. Расстоянием - благодаря тому, что излучение уменьшается с удалением от компактного
источника (пропорционально квадрату расстояния). Если на расстоянии 1 метр
от источника радиации дозиметр фиксирует 1000 мкР/час, то уже на расстоянии
5 метров показания снизятся приблизительно до 40 мкР/час. Веществом - необходимо стремиться, чтобы между Вами и источником радиации оказалось как
можно больше вещества: чем его больше и чем оно плотнее, тем большую
часть радиации оно поглотит. Что касается главного источника облучения в
помещениях - радона и продуктов его распада, то регулярное проветривание
позволяет значительно уменьшить их вклад в дозовую нагрузку. Кроме того,
если речь идет о строительстве или отделке собственного жилья, которое, вероятно, прослужит не одному поколению, следует постараться купить радиационно безопасные стройматериалы - благо их ассортимент ныне чрезвычайно богат. Алкоголь, принятый незадолго до облучения, в некоторой степени способен ослабить последствия облучения. Однако его защитное действие уступает
современным противорадиационным препаратам.
Радиоактивные места в г. Омске
Служба Управления Роспотребнадзора по Омской области сообщила, что
в Омске на данный момент есть как минимум 6 участков радиоактивного загрязнения. Деактивация, проведенная в 1990 году, не принесла ожидаемых результатов – в Омске до сих пор выделяются единичные точечные аномалии с
МЭД гамма-излучения до 3,9 мкЗв/ч. Неблагополучные участки расположены
на 4-й Транспортной, 15-16-й Амурской улицах, улице Красный Пахарь, Тарской, Авиагородок и Учебной. Эти опасные точки находятся вне мест постоянного нахождения людей. Кроме того, на территории воинской части № 63779
(17-ый Военный городок в Амурском поселке) имеются участки площадного
техногенного радиоактивного загрязнения, обусловленные радионуклидом радий-226. Земли, на которых расположена в/ч 63779, находятся в ведении Минобороны РФ.
692
Практическая часть
Ход работы.
1. Я сделала четырёхкратные замеры в кабинетах школы, некоторых служебных помещениях по принципу конверта, а также на территории вокруг
школы, дома и на улице.
2. Измерила уровень радиации возле компьютера и телевизора дома, а
также возле других бытовых приборов
3. Рассчитала методом среднего арифметического уровень радиации
4. Результаты занесла в таблицу
5. Провела анкетирование.
В анкетировании принимали участие учащиеся 7-9 классов школы № 94.
На вопрос «Знаете ли вы что такое радиоактивность?» 92 % ответило «да»
и 8 % - «нет».
На вопрос «Как вы думаете влияет ли радиация на экологию?», 90 %
ответило «да», 8 % - нет и не знаю – 2 %.
На вопрос «Знаете ли вы как защититься от радиации? », 64 % ответилода, 26 % - нет,10 % - не знаю.
Результаты анкетирования представлены в приложении № 1.
Измерение радиоактивности в школе № 94
Объект
исследования
1. Кабинет
информатики
2. Кабинет
физики
3. Кабинет
географии
4. Кабинет
истории
5. Учительская
6. Рекреация
(3 этаж)
7. Лестница
8. Столовая
1 замер
2 замер
3 замер
4 замер
Среднее мкР\ч
11
13
13
12
12,25
8
12
13
11
11
12
15
14
13
13,5
13
13
11
12
12,25
15
9
14
15
14
14
14
13
14,25
12,75
11
13
10
15
12
14
11
14
11
14
Измерение радиоактивности в кирпичном доме ул. Нефтезаводская, 26
кухня
зал
спальня
детская
1 замер
2 замер
3 замер
4 замер
Среднее мкР\ч
13
15
14
20
16
15
18
18
14
15
14
17
13
15
15
16
14
15
15,25
17,75
693
Измерение радиоактивности в панельном доме ул. Заозёрная, 26
1 комната
2 комната
коридор
кухня
зал
подъезд
(3 этаж)
1 замер
2 замер
3 замер
4 замер
Среднее мкР\ч
21
24
18
17
20
22
20
22
17
17
21
24
20
21
17
18
21
23
22
19
16
18
19
22
20,75
21,5
17
17,5
20,75
22,75
Измерение радиоактивности в кирпичном доме Проспект Мира, 27а
кухня
зал
спальня
детская
подъезд
1 замер
2 замер
3 замер
4 замер
Среднее мкР\ч
13
12
14
17
14
13
13
11
14
14
14
11
12
15
15
12
13
12
16
13
13
12,25
12,25
15,5
14
Измерение радиоактивности на улице
магазин «Гранат»
ДК им. Малунцева
около панельного
дома
около школы № 94
1 замер
16
15
17
2 замер
15
14
18
3 замер
14
15
18
4 замер
14
14
18
Среднее мкР\ч
14,75
14,5
17,75
12
14
13
14
13,25
Вывод:
Проведённые дозиметрические измерения в школе и за ее пределами показали, что общий уровень радиационного фона колеблется от 10мкР/ч до
14 мкР/ч в помещениях школы, от 14-22 мкР\ч в жилых домах ( при средней
температуре воздуха +18-22 ºС ) , на улице от 14 мкР/ч до 18 мкР/ч при температуре от -18 ºС до-30 ºС, что соответствует норме уровня радиационного фона:
10мкР/ч- 20мкР/ч. В дневное время уровень радиационного фона в среднем
снизился в кабинете физики по причине вентиляции кабинета во время уроков.
Как видно из таблиц, мощность экспозиционной дозы не является величиной постоянной, и в каждый момент времени в одной и той же точке колеблется, что обусловлено различными факторами - климатическими, физическими и т.д. Подобные колебания в пределах установленных норм не должны вызывать опасений, так как они лежат в пределах нормы. (приложение №3).
Результаты показывают, что наибольший уровень радиационного фона
зарегистрирован в панельном жилом доме. Это связано, по-видимому, с малой
694
вентиляцией помещения, а также возможно со строительными материалами ,
которые использовались при строительстве дома.
Установлено, что даже в результате кратковременного проветривания кабинета физики и информатики (15-20 мин.), уровень радиационного фона снижается в среднем на 0,95 мкР/ч.
Но тем не менее можно рекомендовать чаще проветривать классные комнаты и жилые помещения, потому что последствия облучения определяются не
мощностью дозы, а суммарной полученной дозой, т.е. мощностью дозы, помноженной на время, в течение которого происходит облучение.
Заключение.
Результаты измерений мощности дозы гамма- излучений, которые мы получили при проведении эксперимента, нас удовлетворили и даже порадовали.
Было бы очень страшно, если бы значения превышали предельно допустимые,
и в связи с этим, с одной стороны радостно, что мы живем в довольно чистой
зоне, с другой стороны – досадно, что есть много мест в нашей стране и на планете, которые очень сильно радиационно заражены. Тема, над которой мы работали, ещё долгие годы будет актуальна.
Библиографический список
1. Пёльдеши Ю., Кенда М. Радиация- угроза и надежда- М.: Мир, 1979;
2. Мухин К. Н. Занимательная ядерная физика- М.: Энергоатом, 1985;
3. Юнг Р. Ярче тысячи звезд- М.: Государственное издательство литературы в области атомной науки и техники, 1960;
4. Сивинцев Ю.В. Радиация и человек- М.; изд-во Знание, 1987;
5. Головачев В. Все мы - под излучением- изд-воТруд,.2002;
6. А.В. Перышкин, Е.М. Гутник Физика. 9 кл.: учебник для общеобразовательных учреждений . – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа. 2009 год;
7 .Селегей В. Радиоактивное загрязнение.- Новосибирск 1997;
8. www.dosimeter.ru
9. . www.brandgoda.ru
10. www.vperedi.ru.
695
Результаты анкетирования:
1. Знаете ли Вы что такое радиоактивность?
2. Влияет ли радиация на экологию?
8%
2%
да
нет
не знаю
90%
3. Знаете ли Вы как защититься от радиации?
696
Приложение 1
Приложение 2
Среднемировая доза облучения
от естественных источников, накопленная на душу населения за год.
Доза облучения (мЗв)
Уровень радиационного фона в домах
697
Приложение 3
Рахматуллин Артур, 10-М кл. МБОУ «Многопрофильный лицей»,
Научный руководитель: Еланцев А. Н., учитель физики и информатики и ИКТ,
МБОУ «Многопрофильный лицей»
ПРОГРАММА ДЛЯ УЧЁТА ПОСЕЩАЕМОСТИ
И ВЕДЕНИЯ СТАТИСТИКИ В УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЯХ
Во всём мире в учебных заведениях преподавателям каждый день необходимо заполнять большое количество документов. В данной проектноисследовательской работе рассматривается возможность создания программы,
которая с помощью своей многофункциональности смогла бы облегчить и ускорить этот процесс.
С каждым годом необходимо обрабатывать всё большее количество информации, поэтому в современном обществе очень трудно существовать без
грамотно организованной системы электронного документооборота. В настоящее время в образовательных учреждениях внедряют такие системы как, “Сетевой город” ”Электронный дневник” и другие. Очень важной для образовательных учреждений является информация, содержащая в частности посещаемость учеников, которая необходима для родителей, классных руководителей,
администрации школы, управления образованием города и др. которая необходимо ежедневно и наиболее актуальна в момент прихода учеников в образовательное учреждение. Мы предлагаем сетевой ресурс, который позволяет создавать отчёт по посещаемости учащихся для выше перечисленных пользователей.
Вейсалов Г., 10К МБОУ г. Муравленко ЯНАО, Тюменская область
Лецкий Д., 10К МБОУ г. Муравленко ЯНАО, Тюменская область
Руководитель: Акмалова З. А., учитель химии МБОУ г. Муравленко ЯНАО,
Тюменская область
АДСОРБЦИОННАЯ ОЧИСТКА ВОДЫ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЙ НЕФТИ
И НЕФТЕПРОДУКТОВ
Аннотация
В настоящее время в мире сложилась тяжёлая экологическая обстановка.
Одним из наиболее эффективных и простых способов, позволяющих очищать
сточные воды от нефтепродуктов до требуемого уровня, является сорбция.
В работе изучаются адсорбционные свойства природных и химических
материалов. Выбран наиболее экономически выгодный адсорбент. Разработана
технологическая схема для очистки промышленных вод.
698
Введение
Среди всех веществ, имеющихся на Земле, вода, благодаря своеобразию
своих физических и химических свойств, занимает исключительное положение
в природе и играет особую роль в жизни человека. Вода - это единственное вещество, встречающееся в огромных количествах в естественных условиях во
всех трех агрегатных состояния: твердом, жидком и газообразном.
Действуя как мощный геологический фактор и покрывая около трех четвертей поверхности нашей планеты, вода определяет облик Земли и является
колыбелью жизни на ней.
Загрязненные природные воды ухудшают экологическую ситуацию в биогеоценозе, ведут к гибели существующих природных форм, ставят под сомнение
возможность выживания различных форм высших организмов, в том числе и
человека.
На современном этапе определяются такие направления рационального
использования водных ресурсов как: более полное использование и расширенное воспроизводство ресурсов пресных вод; разработка новых технологических
процессов, позволяющих, предотвратить загрязнение водоемов и свести к минимуму потребление свежей воды.
Загрязнение водных ресурсов это любые изменения свойств воды: физических, химических и биологических. Это может быть связано со сбросом в водоем жидких, твердых и газообразных веществ, причиняющих ущерб хозяйству
и здоровью и безопасности населения.
Главными источниками загрязнения водоемов являются недостаточно
очищенные сточные воды промышленных и коммунальных предприятий,
крупных животноводческих комплексов, отходы производства при разработке
рудных ископаемых; воды шахт, рудников; сбросы водного и железнодорожного транспорта.
Попадая в воду, загрязняющие вещества изменяют физические свойства
воды, эти изменения выражаются в частности, в появлении неприятных запахов, привкусов, в изменении химического состава воды, появление в ней вредных веществ, в наличии плавающих веществ на поверхности воды и откладывании их на дне водоемов.
Особенно велики потери при перекачке на самих месторождениях -от скважины до пункта сбора. Трубы там сравнительно тонкие, а нефть идет такой, какой
она поступила из недр - с водой, газом, солями, тяжелыми парафиновыми фракциями. Трубопроводы быстро коррозируют. По технологии их положено полностью менять раз в несколько лет, на практике же это происходит только после заметной утечки. Такие утечки по масштабам сравнительно невелики, но их число
очень велико: 25-30 тыс. зарегистрированных случаев ежегодно.
699
На современном этапе развития технологий, существует возможность до
минимума снизить вредное воздействие деятельности человека на водные ресурсы планеты, ключ к этому - очистка сточных вод.
В настоящее время защита окружающей среды от нефтесодержащих сточных вод - одна из главных задач. Мероприятия, направленные на очистку воды
от нефти, помогут сберечь определенные количества нефти и сохранить чистым
воздушный и водный бассейны.
Эксперты "Гринпис" обнаружили 60 случаев нарушения экологического законодательства на Ямале, которые привели к загрязнению почв, болот и водоемов
нефтепродуктами. Сотрудники организации провели анализ космоснимков,
сделанных в сентябре 2014 года. Тогда были обследованы доступные участки
Суторминского, Муравленковского, Холмогорского, Карамовского, Вынгапуровского нефтяных месторождений компаний "Газпромнефть - Ноябрьскнефтегаз" и "Газпромнефть - Муравленко" в Ямало-Ненецком автономном округе.
В числе нарушений - случаи разгерметизации трубопроводов и несанкционированные сбросы шлама. Многие аварии на трубопроводах произошли годы назад, но полноценная рекультивация так и не была выполнена: компания просто
перепахала загрязненное болото или засыпала нефть песком. Некоторые утечки
случились недавно, сообщает пресс-служба организации. "Газпром нефть" утверждает, что готова ответственно осваивать арктический шельф. Между тем,
компания допускает сотни утечек нефти на своих месторождениях на суше,
и не спешит устранять их последствия. При том, что работать в том же ЯНАО
значительно легче, чем посреди Баренцева моря, среди льдов, в условиях арктических штормов", - заявил руководитель энергетического отдела "Гринпис
России" Владимир Чупров. В Управление Росприроднадзора по ЯмалоНенецкому округу экологи передали географические координаты и подробные
описания каждого из нарушений. Гринпис требует провести проверку и привлечь виновников к ответственности, а также проконтролировать, чтобы компания выполнила полноценную рекультивацию загрязненных участков.
Цель работы: Целью работы является изучение возможности применения
различных материалов, в том числе материалов природного происхождения, а
также продукции и отходов предприятий местной промышленности, в качестве
загрузок фильтров для очистки поверхностных сточных вод от нефтепродуктов.
Актуальность темы:
Развитие адсорбционных технологий и широкое внедрение их в промышленность пришлось, в основном, на ХХ век. Разработка новых видов топлива,
химия высокочистых веществ и материалов, нефте- и газопереработка, решение
проблем экологии, защиты человека, медицины нашли эффективное решение
при применении процессов сорбции на микропористых адсорбентах, таких как
микропористые активные угли, цеолиты, силикагели и т.д.
700
Гипотеза нашей работы: если нефтяные пятна будут продолжать накапливаться на территориях, окружающих районы нефтедобычи, то это приведет к
деградации природной среды и гибели живых организмов.
Методы исследования: анализ источников информации, эксперимент,
собственные наблюдения.
Объект исследования: нефть и вода
Предмет исследования: нефть из Суторминского месторождения.
Практическая значимость: привлечение внимания к проблеме загрязнения
окружающей среды отходами нефтедобычи.
Очистка сточных вод от нефтепродуктов.
Основными источниками загрязнений нефтью и нефтепродуктами являются добывающие предприятия, системы перекачки и транспортировки, нефтяные терминалы и нефтебазы, хранилища нефтепродуктов, железнодорожный
транспорт, речные и морские нефтеналивные танкеры, автозаправочные комплексы и станции. Объемы отходов нефтепродуктов и нефте-загрязнений, скопившиеся на отдельных объектах, составляют десятки и сотни тысяч кубометров. Значительное число хранилищ нефте-шламов и отходов, построенных
с начала 50-х годов, превратилось из средства предотвращения нефтезагрязнений в постоянно действующий источник таких загрязнений.
Основные вопросы защиты окружающей среды необходимо решать на
основе следующих принципов:
• форма и масштабы человеческой деятельности должны быть соизмеримы с запасами невозобновляемых природных ресурсов;
• неизбежные отходы производства должны попасть в окружающую среду в форме и концентрации, безвредных для жизни. Особенно это относится к
водным ресурсам.
Наиболее широко распространенными загрязнителями сточных вод являются нефтепродукты – группа углеводородов нефти, мазута, керосина, масел
и их примесей, которые вследствие их высокой токсичности, принадлежат, по
данным ЮНЕСКО, к числу десяти наиболее опасных загрязнителей окружающей среды. Нефтепродукты могут находиться в растворах в эмульгированном,
растворенном виде и образовывать на поверхности плавающий слой.
Ввиду сложности состава очищаемых нефтесодержащих вод и высоких
требований к степени очистки в технологических схемах очистных станций используются комбинации различных методов.
Очистка воды в промышленности, использующая отстаивание является
наиболее простым и дешевым технологическим способом выделения диспергированных примесей из воды, в основе которого лежит разделение в поле гравитационных сил в условиях покоя или медленно движущегося потока жидкости.
При этом взвешенные вещества с плотностью, большей плотности.
701
Основная масса нефтепродуктов в капельном и некоторая часть в эмульгированном состоянии из сточных вод удаляются в отстойных сооружениях,
называемых нефтеловушками. Они применяются при содержании нефтепродуктов в сточных водах более 100 мг/л. По конструктивному исполнению нефтеловушки могут быть горизонтальными, вертикальными и радиальными отстойниками, дополнительно оборудованными узлами для сбора и удаления
всплывающих нефтепродуктов. Наибольшее распространение получили горизонтальные нефтеловушки.
Промышленная очистка воды после выделения основной массы нефтепродуктов отстаиванием, использует физико-химический метод очистки – реагентную флотацию - это способ извлечения дисперсных частиц из жидкости с
помощью пузырьков воздуха при использовании коагулянтов или флокулянтов.
Воздушная флотация, в настоящее время получает широкое распространение и
в технологии очистки воды, преимущественно для очистки сточных вод.
Промышленная водоочистка, использующая метод флотации технологически и экономически эффективна при извлечении примесей нефти, нефтепродуктов, углеводородные жидкости, жиры, мыла, синтетические моющие средства и др. При отсутствии природной гидрофобности у примесей сточных вод
флотация возможна лишь с применением специальных флотореагентов, регулирующих степень гидрофобности поверхностей извлекаемых частиц.
По способу введения в очищаемую жидкость пузырьков воздуха различают механическую флотацию и напорную флотацию.
В последнее время используется также метод электрофлотации, при котором пузырьки газа образуются в результате электролиза воды.
Эмульгированные и тонкодиспергированные нефтепродукты, оставшиеся
в сточной жидкости, например, после отстаивания и флотации, можно выделить
фильтрованием.
Очистка воды фильтрованием - это процесс выделения из воды дисперсных примесей путем пропуска ее через пористую среду. В пористой среде частицы нефтепродуктов задерживаются на поверхности фильтрующего материала. Наибольшее распространение для очистки нефтесодержащих вод получила
фильтрующая среда из кварцевого песка и антрацитовой крошки. Кроме этого
может использоваться керамзит и синтетические материалы (полиуретан, полистирол и др.).
Адсорбция - как способ очистки воды
2.1.Что такое адсорбция?
Адсорбция - это концентрирование различных веществ на поверхности
раздела двух систем (твердое вещество - жидкость, твердое вещество - газ,
жидкость - газ, жидкость - жидкость). Проще говоря – это поглощение жидко702
стью либо поверхностью твёрдого тела газов, твёрдых частичек, либо растворенных веществ какого-нибудь вещества. Адсорбирующие вещества характеризующие способности вещества впитывать жидкость (воспалительную) и поглощать вредоносные токсические вещества. Вещество, которое удерживает на
своей поверхности частицы за счёт межмолекулярных сил вблизи этой поверхности, называется адсорбентом. Вещества, которые адсорбируются, являются
адсорбатами. Адсорбция может сопровождаться химической реакцией между
адсорбентом и адсорбатом. Такой процесс называется хемосорбцией.
2.2. Применение адсорбции в жизни человека.
Самым общедоступным адсорбентом является уголь активированный, который потребляют вовнутрь при многообразных заболеваниях желудочнокишечного тракта, при наличии хронических аллергических и инфекционновоспалительных процессов с целью очистки организма от токсических веществ.
Адсорбционные явления чрезвычайно широко распространены в живой и
неживой природе. Толщи горных пород и почвы являются огромными колоннами с адсорбентами, по которым перемещаются водные и газовые растворы.
Легочная ткань подобна адсорбенту - носителю, на котором удерживается гемоглобин крови, обеспечивающий перенос кислорода в организм. Многие
функции биологических мембран живой клетки связаны со свойствами их поверхности, так, например, общая площадь биологических мембран в организме
человека достигает десятков тысяч квадратных метров.
Широко распространенные реагентные методы в очистке нефтесодержащих сточных вод наряду с коагуляцией и флокуляцией включают адсорбцию.
Адсорбция - это практически единственный метод, позволяющий очищать
сточные воды от нефтепродуктов до любого требуемого уровня без внесения в
воду каких-либо вторичных загрязнений.
В качестве адсорбентов загрязняющих стоки агентов применяют природные и искусственные пористые материалы. Выпускаемые промышленностью
адсорбенты должны удовлетворять определенным стандартным показателям,
в числе которых прочность на истирание, сорбционная емкость и др. Так, для
очистки и доочистки сточных вод от нефтепродуктов используют: асбестосодержащий материал - отход производства асбестовых бумаг и картона; пористый полимерный сорбент-сополимер стирола и дивинилбензола (нефтепродукты могут быть извлечены растворителем); пенополиуретан, в который введены
гранулы ферромагнитного материала размером 0,01-0,1 мм в количестве
0,02-0,08 % для фильтрования в магнитном поле, который восстанавливают отжимом; сорбент на основе базальтового волокна и гидрофобизатора - кремний
или органические гидрофобизирующие соединения - 2-15 %,регенерация, которых осуществляется отжимом или сжиганием углеводородов, что позволяет
многократное использование.
703
Чаще других сорбентов при очистке промышленных сточных вод от нефтепродуктов используется, однако, гранулированный активный уголь, имеющий частицы размером более 0,10 мм на 85-99 %, состоящий из углеродов и
способный самопроизвольно отделяться от воды.
Исходным сырьем для получения активного угля служат практически
любые углеродсодержащие материалы: уголь, торф, древесина и др. Процесс
изготовления высококачественных активных углей сложен и длителен, поэтому
стоимость их в нашей стране и за рубежом достаточно высока. Это приводит к
необходимости многократного использования активных углей в системах водоочистки.
Одни из вариантов адсорбентов можно рассматривать мох и торф.
Торфяной мох - беловато-зеленый мох («белый мох»). В основном мох
растет густыми дерновинами по болотам и сырым местам, которые в изобилии
составляют фауну Севера Томской области. Он то и образует главную массу
торфа.
Сфагнум, широко распространенный в природе, обладает высокой способностью к поглощению не только влаги, но и различных токсикантов, в том
числе и нефтепродуктов. Основу мха составляют органоминеральный комплекс: твердые полимеры целлюлозной природы и продукты их распада, гуминовые кислоты, лигнин, гемицеллюлоза (гидрофильная часть) и минеральные
компоненты.
Торф - горючее полезное ископаемое растительного происхождения,
предшественник генетического ряда углей. Образуется в результате естественного отмирания и неполного распада болотных растений под воздействием
биохимических процессов в условиях повышенной влажности и недостатка кислорода. Залегает на поверхности Земли или на глубине первых десятков
метров под покровом минеральных отложений.
Исследовательская часть.
3.1. Выбор адсорбентов.
Исследовательская работа проводилась при строжайшем соблюдении
правил техники безопасности.
Целью наших исследований является, изучить адсорбционные свойства
материалов:
- образец №1 – фильтровальная бумага «Белая лента»
- образец № 2 - активированный уголь;
- образец № 3 - вата хлопковая;
-образец № 4 - ямальский мох;
- образец № 5 - пенопласт (пенополистирол);
- образец № 6 - мел;
704
-образец № 7 - белая глина;
-образец № 8 – торф ямальский
- образец № 9 - уголь березовый
3.2. Методика определения адсорбционных свойств.
Используемые приборы:
Колориметрический метод анализа основан на измерении поглощения
света веществом. Сравнивают интенсивность окраски исследуемого раствора с
окраской стандартного раствора, концентрация которого известна. Метод весьма чувствителен и применяется для определения микро - и полумикроколичеств. Для проведения анализа колориметрическим методом требуется значительно меньше времени, чем химическим путем.
Колориметрический метод анализа применяют главным образом для определения малых количеств веществ. Для проведения анализа колориметрическим методом требуется значительно меньше времени, чем для анализа химическими методами; кроме того, при колориметрии часто не нужно предварительно отделять определяемое вещество.
Исследуемый образец поместили в воронку с фильтровальной бумагой
«Белая лента» и наливали воду с нефтью, в соотношении 2мл нефти и 50 мл воды. Чистоту полученного фильтрата, определяли с помощью рефрактометра,
определяя коэффициент преломления света.
Опыт 1. Определение коэффициента преломления исследуемой воды
(контроль). (см. таблицу 1)
Опыт 2. Определение коэффициента преломления фильтрата, пропущенного через образец № 1. (см. таблицу 1).
Опыт 3. Определение коэффициента преломления фильтрата, пропущенного через образец № 2. (см. таблицу 1).
Опыт 4. Определение коэффициента преломления фильтрата, пропущенного через образец № 3. (см. таблицу 1).
Опыт 5. Определение коэффициента преломления фильтрата, пропущенного через образец № 4. (см. таблицу 1).
Опыт 6. Определение коэффициента преломления фильтрата, пропущенного через образец № 5. (см. таблицу 1).
Опыт 7. Определение коэффициента преломления фильтрата, пропущенного через образец № 6. (см. таблицу 1).
Опыт 8. Определение коэффициента преломления фильтрата, пропущенного через образец № 7. (см. таблицу 1).
Опыт 9. Определение коэффициента преломления фильтрата, пропущенного через образец № 8. (см. таблицу 1).
Опыт 10. Определение коэффициента преломления фильтрата, пропущенного через образец № 9. (см. таблицу 1).
705
Следующим этапом работы было исследование адсорбционных свойств
угля, для этого мы провели следующий эксперимент.
Методика проведения эксперимента.
В пяти стаканах приготовили смеси нефти и воды, в объемах указанных в
таблице №1:
Объем раствора, мл
Объем нефти, мл
1
50
1
2
50
2
3
50
3
4
50
4
5
50
5
Следующим этапом определяем коэффициент преломления водной фазы
до адсорбции. Затем полученную смесь нефти с водой пропускаем через
10 грамм угля, помещенной в воронке. Полученный фильтрат исследовали повторно на рефрактометре.
Полученные результаты занесли в таблицу 2.
№ образца
1
2
3
4
5
η1
1,3451
1,3472
1,3491
1,3522
1,3553
η2
1,3330
1,3330
1,3331
1,3333
1,3341
Δη
0,0121
0,0142
0,0160
0,0189
0,0212
Δη/m
0,00121
0,00142
0,00160
0,00189
0,00212
Δη/m, 10-3
1,21
1,42
1,60
1,89
2,12
где η1 –коэффициент преломления до адсорбции, η2 – коэффициент преломления после адсорбции; m - масса адсорбента (угля).
Следующим этапом нашей работы было определение нефтеемкости адсорбентов при плотности нефти 810 кг/м3
Адсорбент
Масса
адсорбента, г
Масса нефти
с адсорбентом, г
Масса
нефти, г
Нефтеемкость,
Вата техническая
Ямальский мох
Уголь активированный
Пенополистирол
Паралон
Торф
Лён
0,220
0,290
0,250
0,340
5,520
4,250
1,200
14,200
4,500
0,750
3,580
6,850
6,770
2,78
13,980
4,21
0,500
3,24
1,33
2,52
1,58
6 354,55
1 451,7
200,0
952,94
133,0
252,1
131,6
Вывод: по результатам видно, что наибольшая степень очистки наблюдается при применении: активированного угля, ваты хлопковой, паралон и торф
ямальский.
Современный уровень техники и технологии очистки сточных вод обеспечивает получение воды практически любой степени чистоты. Причины загрязнения водоемов - в экономических, а не технических проблемах. Разработка мало затратных систем оборотного водоснабжения для промышленных и
706
сельскохозяйственных предприятий – одна из актуальных задач исследователей.
Необходимо подобрать наиболее экономически выгодный адсорбент.
5. Заключение
В результате проведенной работы:
- исследовали различные вещества на поглотительную способность;
- подобрали дешевые и обладающие отличными адсорбирующими свойствами вещества;
- разработали технологическую установку очистки воды от нефтепродуктов.
Анализ литературы и собственные эксперименты позволили сделать нам
следующие выводы:
1. Несмотря на ежегодно увеличивающиеся объёмы разливов нефти, проблема их утилизации не решена.
2. Нефтяные пятна являются источниками токсического воздействия на
живую природу.
3. Остро стоящей проблемой является поиск способов рациональных методов очистки нефтяных разливов и утилизации отходов.
4. Выходом из сложившейся ситуации является использование отходов в
качестве вторсырья после предварительного обезвреживания и переработки.
Предложения и рекомендации:
1. Вторично использовать нефтепродукты, извлеченные из нефтяных разливов, перерабатывать и не накапливать их на полигонах.
2. Использовать безопасные методы утилизации нефтяных разливов адсорбирование торфом, углем, натуральных адсорбентов и использование в качестве топлива (торфа у нас достаточно); разложение микроорганизмами, обладающими высокой биологической активностью к нефтепродуктам
3. Результаты нашего исследования могут быть полезными на уроках
экологии, биологии, химии, а также при проведении занятий элективных курсов, внеклассных мероприятий и классных часов.
В процессе выполнения исследовательской работы мы получили ответы
на многие вопросы, связанные с проблемой утилизации нефтяных пятен. Надеемся, что результаты нашего исследования будут интересны не только старшеклассникам, планирующим связать свою жизнь с работой в нефтедобывающей
промышленности, а также тем, кто не равнодушен к состоянию природной среды. Быть может, в будущем кому-то из нас удастся найти наиболее эффективный путь решения данной проблемы.
Перспективы работы:
1. Проведение анализа проб воды, почвы, на определение содержания в
них нефтепродуктов.
707
2. Совместный поиск со специалистами нефтяных компаний рациональных методов утилизации нефтяных пятен и использования полученных продуктов в экономике региона.
3. Организация экологического мониторинга водного бассейна вокруг
г. Муравленко, месторождений: Суторминский, Муравленковский.
Библиографический список
1. Малинина, И. В. Усовершенствованная технология очистки поверхностных сточных вод / И. В. Малинина, Г. П. Варюшина // Водоснабжение и санитарная техника. – 2009. - № 8. – С. 72 – 73.
2. Тарнопольская, М. Г. Фильтрующие материалы для очистки воды от
нефтепродуктов и критерии их выбора / М. Г. Тарнопольская // Вода и экология: проблемы и решения. – 2005. - № 3. – С. 74 – 79.
3. Новые эффективные сорбенты (поглотители) на основе шелухи для
сбора проливов и очистки вод / А. А. Хохряков, А. А. Ежелев, С. В. Половцев
[и др.] // Вода и экология: проблемы и решения. – 2007. - № 3. – С. 46 – 52.
4. СироткииаЕ.Е., Новоселова Л.Ю. Материалы для адсорбционной очистки воды от нефти и нефтепродуктов // Химия в интересах устойчивого развития. 2005. № 13.
5. А. Д. Смирнов, Сорбционная очистка воды, Химия, Ленинград, 1982.
6. А. Аширов, Ионообменная очистка сточных вод, растворов и газов,
Химия, Ленинград, 1983.
7. И. В. Вольф, Н. И. Ткаченко, Химия и микробиология природных и
сточных вод, Изд-во ЛГУ, Ленинград, 1973.
8. Экология и приборостроение: Инф. сб., Под ред. Т. И. Петровой,
Информприбор, Москва, 1992.
9. Г. А. Роев, В. А. Юфин, Очистка сточных вод и
вторичноеиспользование нефтепродуктов, Недра, Москва, 1987.
10. Ю. А. Израэль, А. В. Цыбань, Антропогенная экологияокеана,
Гидрометеоиздат, Ленинград, 1989.
11. А. Б. Горницкий, Л. М. Гурвич, О. Г. Миронов и др., Методы и
средства борьбы с нефтяным загрязнением вод Мирового Океана,
Гидрометеоиздат, Ленинград, 1989.
708
Приложение
Таблица 1
Результаты адсорбции с различными адсорбентами
(показатель загрязненности воды)
Номер опыта
Опыт 1 (контроль)
Опыт 2(фильтровальная бумага «Белая лента»)
Опыт 3 (активированный уголь)
Опыт 4 (вата хлопковая)
Опыт 5 ямальский мох
Опыт 6 (пенополистирол)
Опыт 7 (мел)
Опыт 8 (опилки древесные + кварцевый песок)
Опыт 9 паралон
Опыт 10 анионит
Баллы
3
5
5
3
2
2
2
4
1
Таблица 2
Показатели преломления фильтрата, в зависимости от адсорбента
Номер опыта
Коэффициент
преломления, ƞ20 D
Опыт 1 (контроль)
Опыт 2(фильтровальная бумага «Белая лента»)
Опыт 3 (активированный уголь)
Опыт 4 (вата хлопковая)
Опыт 5 ямальский мох
Опыт 6 (пенополистирол)
Опыт 7 (мел)
Опыт 8 (опилки древесные + кварцевый песок)
Опыт 9 анионит
Опыт 10 паралон
1,3330
1.3242
1,3330
1,3330
1,3320
1,3315
1,3330
1,3330
1,3225
1,3242
Подготовка к исследовательской работе
709
Адсорбция ватой, пенопластом и паралоном
Результаты после адсорбции
Определение коэффициента преломления
(светом и лазером)
710
Практические рекомендации для очистки нефтяных пятен
Таблица 3
Характеристика адсорбентов
Адсорбент
Активированный
уголь
Вата хлопковая,
техническая
не чесанная
Паралон
Торф
Средняя
цена, руб/кг
85,0
Применение
Производство сахара – для удаления красящих веществ,
медицине, химической, как носитель катализаторов, а во
многих реакциях сам действует в качестве катализатора,
фармацевтической и пищевой промышленности. Фильтры, содержащие активированный уголь, используются
во многих современных моделях устройств для очистки
питьевой воды противогазах.
280,0
Хлопок идет на текстильную обработку для получения
хлопчатобумажной ткани. Из него получают вату,
его используют во взрывчатых веществах.
Варьируется Поролон имеет широкое применение во многих обласв зависимо- тях производства товаров самого различного использости от тол- вания, от ВПК до детских игрушек. Поролон хороший
щины.
набивочный материал для мягких игрушек, подушек,
от 130 до
чехлов, покрывал для диванов и кроватей. Поролон
2500 руб.
применяется как смягчающий материал, так и опорный.
3000 за тон- Сфера применения торфа разнообразна, медицина, биону
химия, животноводство, но все-таки основное применение торфа на сегодняшний день это энергетика и сельское хозяйство.
711
Сверлов Александр, 10 А кл. БОУ г. Омска «Средняя общеобразовательная
школа № 109 с углубленным изучением отдельных предметов»
Руководитель: Максимова Е. В., учитель физики БОУ г. Омска
«Средняя общеобразовательная школа № 109 с углубленным
изучением отдельных предметов»
Научный руководитель: Баландин В. В., педагог дополнительного
образования БОУ ДОД ОблСЮТ
БАЛАНСНЫЙ МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЬ «FORTUNE»
Балансный металлоискатель «FORTUNE»
В настоящее время существует необходимость поиска утерянных металлических предметов. Заинтересовавшись этой темой, мне пришлось изучить
литературу и интернет-источников, отмакетировав несколько простых конструкций остановив свой выбор на опубликованном в интернете металлодетекторе «Fortuna».Собрав первоначально описанную конструкцию заметил необходимость внести несколько изменений, тем самым модернизировав конструкцию.
Этот металлодетектор имеет очень хорошие параметры. Мой металлоискатель состоит из двух частей: датчика и блока управления. Датчик состоит из
двух контуров сведённых таким образом, что связь между ними при отсутствии
металла минимальна. Сердцем блока управления является микроконтроллер
PIC16F876A, который отвечает за обработку информации, вывод её на дисплей
и управление вторым микроконтроллером PIC12F629, который является генератором частоты от 4,5 кГц до 19,5 кГц.
Сигнал с генератора через цифровой резистор поступает на вход ОУ выполненного на микросхеме LM386. Цифровой резистор нужен для регулировки
тока в передающем контуре. Использовался именно цифровой резистор, для того чтобы не использовать лишних механически ненадёжных элементов, и для
удобства работы с прибором. С выхода ОУ сигнал через 1Ом резистор поступает в последовательный передающий контур. Резистор 1 Ом нужен для того чтобы контролировать ток в контуре, так как падение напряжения на этом резисторе равно силе тока, проходящей через него (по закону Ома).
Сигнал, отражаясь от металла, поступает в параллельный приёмный контур RX, далее сигнал через цифровой резистор сигнал поступает в ОУ собранный на микросхеме MCP602 и делится на два канала: канал обнаружения, канал
определения и добавленный мной канал Pin Pointer.
Далее сигнал поканально поступает на ОУ на микросхеме MCP604. Усиленные сигналы поступают на АЦП микроконтроллера для дальнейшей обработки.
712
На канал обнаружения возложена самая простая задача - это показать, что
металл находится под датчиком и измерить уровень отклика сигнала.
Сигнал с канала определения поступает на вход второго АЦП, сравнивается с изначально излучённым сигналом. Микроконтроллер измеряет фазовый
сдвиг в градусах. У разных металлов разная проводимость, соответственно фазовый сдвиг разный.
Микроконтроллер выводит фазовый сдвиг в виде шкалы на дисплей для
того чтобы пользователь мог понять, какой металл находится под датчиком.
Так же, в зависимости от сектора на шкале, озвучивание соответственными тонами, чем больше сдвиг, тем выше тон. Для любителей работы в наушниках изготовлен ЧМ передатчик для работы с беспроводными наушниками, что
позволяет избежать длинных путающихся проводов.
Собрав названный металлодетектор, внёс некоторые изменения.
Мои доработки:
1. Добавлен канал точного определения цели (Pinpointer)
2. Разделено питание цифровой и аналоговой части
Так же был самостоятельно изготовлен и настроен датчик типа DD, состоящий из двух контуров параллельного приёмного (rx) и последовательного
передающего (tx).
В результате выполненной работы был получен металодетектор с дискриминацией металлов, возможностью точного определения цели.
Кроме того, имеется возможность настройки датчика в дополнительном
меню прибора без помощи внешних измерительных приборов (осцилографа,
генератора и т.д.).
Датчик металлодетектора
713
Прибор в сборе
Блок управления
714
715
Окончательно собрав, доработанный металлоискатель, я получил прибор,
который больше чем полностью удовлетворил мои потребности.
Сравнение изготовленного аппарата с дорогим промышленным металлоискателем Minelab E-Track показали примерно одинаковые параметры.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ
1. Выбор частоты генератора от 4,5 кГц до 19,5 кГц., при настройке датчика, с сохранение в EEPROM память.
2. Имеется 3 профиля для настройки и выбора датчика, с сохранением в
EEPROM память.
3. Выбор порога чувствительности «SENS»-ручной, с шагом 5mV., орган
оперативный.
4. Выбор регулировки излучаемой мощности ТХ- ручной, с сохранением
в EEPROM память.
5. Режим отстроики от грунта «GR.Ball» - ручная, с сохранением в
EEPROM память.
6. Регулировка громкости звука «Volume» - ручная, с сохранением в
EEPROM память.
7. Отключаемая опция (атака громкости) «Attack Volume», то есть, зависимость уровня громкости от уровня сигнала цели, параметр сохраняется в
EEPROM память.
8. Опция выбора длительности звукового сигнала при обнаружении цели, «Sound duration», сохраняется в EEPROM память.
9. Два режима поиска все металлы (ALL) и дискриминация (DISC) только озвучивание цветных целей.
10. Имеется отображение VDI, в цифровой форме.
11. Имеется программный фильтр «Filtr», для устранения помех и с переходными процессами сигналов, параметр сохраняется в EEPROM.
12. Имеется программная компенсация вычитания грунта по каналу Х,
ипользуется на тяжёлых грунтах.
13. Отключаемая опция дистанционного снятия звукового сигнала, при
наличии FM приёмника, параметр сохраняется в EEPROM.
14. Имеется опция просмотра разбаланса датчика.
15. Имеется выбор подсветки дисплея
16. Питание от 6 до 12 вольт.
17. Потребление прибора в режиме молчания без подсветки, зависит от
установленной мощности ТХ.
Библиографический список
1. Адаменко М.В Металлоискатели. – М.: ДМК-Пресс, 2006
716
2. Корякин-Черняк С.Л. Металлоискатели своими. – М. :Наука и техника,
2009
3. Булгак Л.В. Охота за сокровищами. – М..: Вече 2007
4. Шедрин А. И. «Новые металлоискатели для поиска кладов и реликвий»// Москва 2007
5. Открытые интернет источники.
Баховцева Маргарита, 8-1 кл., БОУ г. Омска «СОШ № 118»
Руководитель: Калашникова А. Г., учитель физики и информатики
БОУ г. Омска «СОШ № 118»
ВЛАЖНАЯ УБОРКА
Теоретическая часть
Сила трения
Тре́ние – процесс взаимодействия твёрдых тел при их относительном
движении (смещении) либо при движении твёрдого тела в газообразной или
жидкой среде. По-другому называется фрикционным взаимодействием (англ.
friction). При наличии относительного движения двух контактирующих тел силы трения, возникающие при их взаимодействии, можно подразделить на:
Трение скольжения — сила, возникающая при поступательном перемещении одного из контактирующих/взаимодействующих тел относительно другого и действующая на это тело в направлении, противоположном направлению
скольжения;
Трение качения — момент сил, возникающий при качении одного из двух
контактирующих/взаимодействующих тел относительно другого;
При отсутствии относительного движения двух контактирующих тел и
наличии сил, стремящихся осуществить такое движение, в ряде ситуаций возникает
Трение покоя — сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения. Эту силу
необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в
движение друг относительно друга. Она действует в направлении, противоположном направлению возможного движения.
В физике взаимодействия трение принято разделять на:
• сухое, когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими
дополнительными слоями/смазками — очень редко встречающийся на практике
случай. Характерная отличительная черта сухого трения — наличие значительной силы трения покоя;
717
• жидкостное (вязкое), при взаимодействии тел, разделённых слоем твёрдого тела (порошком графита), жидкости или газа (смазки) различной толщины — как правило, встречается при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость, величина вязкого трения характеризуется вязкостью среды;
• смешанное, когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения;
• граничное, когда в области контакта могут содержаться слои и участки
различной природы (окисные плёнки, жидкость и т. д.) — наиболее распространённый случай при трении скольжения.
В связи со сложностью физико-химических процессов, протекающих в
зоне фрикционного взаимодействия, процессы трения принципиально не поддаются описанию с помощью методов классической механики.
Основной характеристикой трения является коэффициент трения μ, который определяется материалами, из которых изготовлены поверхности взаимодействующих тел.
В простейших случаях сила трения F и нормальная нагрузка (или сила
нормальной реакции) Nnormal связаны неравенством
обращающимся в равенство только при наличии относительного движения. Это
соотношение называется законом Амонтона — Кулона.
В большинстве традиционных механизмов (ДВС, автомобили, зубчатые
шестерни и пр.) трение играет отрицательную роль, уменьшая КПД механизма.
Для уменьшения силы трения используются различные натуральные и синтетические масла и смазки. В современных механизмах для этой цели используется
также напыление покрытий (тонких плёнок) на детали. С миниатюризацией механизмов и созданием микроэлектромеханических систем (МЭМС) и наноэлектромеханических систем (НЭМС) величина трения по сравнению с действующими в механизме силами увеличивается и становится весьма значительной
, и при этом не может быть уменьшена с помощью обычных смазок,
что вызывает значительный теоретический и практический интерес инженеров
и учёных к данной области. Для решения проблемы трения создаются новые
методы его снижения в рамках трибологии и науки о поверхности (англ.).
Наличие трения обеспечивает возможность перемещаться по поверхности. Так, при ходьбе именно за счёт трения происходит сцепление подошвы с
полом, в результате чего происходит отталкивание от пола и движение вперёд.
Точно так же обеспечивается сцепление колёс автомобиля с поверхностью дороги. В частности, для увеличения величины этого сцепления разрабатываются
специальные типы резины для покрышек, а на гоночные болиды устанавливаются антикрылья, сильнее прижимающие машину к трассе.
718
Вес
Вес — сила воздействия тела на опору (или другой вид крепления в случае подвешенных тел), возникающая в поле сил тяжести. Единица измерения
веса в СИ — ньютон, иногда используется единица СГС — дина.
Вес в инерциальной системе отсчёта совпадает с силой тяжести и пропорционален массе и ускорению свободного падения в данной точке:
Значение веса (при неизменной массе тела) пропорционально ускорению
свободного падения, которое зависит от высоты над земной поверхностью, и,
ввиду несферичности Земли от географических координат точки измерения.
Другим фактором, влияющим на ускорение свободного падения и, соответственно, вес тела, являются гравитационные аномалии, обусловленные особенностями строения земной поверхности и недр в окрестностях точки измерения.
Смачивание
Сма́чивание — это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с поверхностью твёрдого тела или другой жидкости. Смачивание бывает двух видов:
• Иммерсионное (вся поверхность твёрдого тела контактирует с жидкостью)
• Контактное (состоит из трёх фаз — твердая, жидкая, газообразная)
Смачивание зависит от соотношения между силами сцепления молекул
жидкости с молекулами (или атомами) смачиваемого тела (адгезия) и силами
взаимного сцепления молекул жидкости (когезия).
Степень смачивания характеризуется углом смачивания. Угол смачивания (или краевой угол смачивания) это угол, образованный касательными плоскостями к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, а вершина угла лежит на линии раздела трёх фаз. Измеряется методом
лежащей капли. В случае порошков надёжных методов, дающих высокую степень воспроизводимости. Предложен весовой метод определения степени смачивания, но он пока не стандартизован.
Измерение степени смачивания весьма важно во многих отраслях промышленности (лакокрасочная, фармацевтическая, косметическая и т. д.). К
примеру, на лобовые стёкла автомобилей наносят особые покрытия, которые
должны быть устойчивы против разных видов загрязнений. Состав и физические свойства покрытия стёкол и контактных линз можно сделать оптимальным
по результатам измерения контактного угла.
К примеру, популярный метод увеличения добычи нефти при помощи закачки воды в пласт исходит из того, что вода заполняет поры и выдавливает
нефть. В случае мелких пор и чистой воды это далеко не так, поэтому приходится
719
добавлять специальные ПАВ. Оценку смачиваемости горных пород при добавлении различных по составу растворов можно измерить различными приборами.
Явление смачивания имеет большое практическое значение, его используют в процессах пайка, склеивание, окрашивание тел, смазывания тертевих
поверхностей и тому подобное. Особенно широко применяется смачивание
вФлотацийних процессах (обогащении руд ценной породой). В основу этих
процессов положено изменение поверхностного натяжения жидкости с помощью разных примесей и неодинаковое смачивание ею разных твердых тел.
Флотационный процесс заключается в прилипании пузырьков воздуха к
частицам полезного ископаемого. Плотность полезного ископаемого и пузырька воздуха меньше плотности воды, потому они всплывают. Следовательно,
флотация возможна при таких условиях: 1) поверхность частиц полезного ископаемого не должна смачиваться водой; 2) руда должна быть раздроблена на
такие частицы, чтобы они могли всплывать с пузырьками воздуха, которые к
ним прилипают. Для улучшения процесса прилипания пузырьков воздуха к
частицам полезного ископаемого в флотационную ванну добавляют масло, которое смачивает частицы полезного ископаемого и не смачивает частицу породы. Пузырьки воздух хороший прилипают к покрытым тонкой пленкой масла
частиц полезного ископаемого.
При механической обработке металлов, бурении скважин в горных породах их смачивают специальными жидкостями, что облегчает и убыстряет их
обработку.
Явление смачивания необходимо учитывать и в конструировании космических аппаратов. В состоянии невесомости смачивающая жидкость расплывается по стенкам сосуда, а несмачивающая собирается в сосуде в виде большой
капли. Поэтому материал стенок и форму емкостей для топлива нужно выбирать так, чтобы топливо содержалось около отверстий, сквозь которые оно перекачивается к двигателям.
Экспериментальная часть
Для начала выясним: давит ли тряпка на поверхность и почему? Да, тряпка давит на поверхность по двум причинам: со стороны земли на тряпку действует сила тяжести, а следовательно тряпка имеет вес, т.е. действует на опору,
кроме того жидкость которая появляется в тряпке, тоже имеет вес. Кроме того
перемещать тряпку по поверхности трудно, когда поверхность не гладкая.
Опыт № 1
Определение зависимости силы трения от веса материала для уборки
Приборы и материалы: образец №1 для влажной уборки, динамометр,
стакан, вода
720
Вес образца,
P,Н
0,3
0,35
0,5
Сила трения,
Fтр.Н
0,3
3,8
4,4
Вывод: Сила трения прямо пропорциональна весу тела
Опыт №2
Определение зависимости силы трения от смачиваемости материалов для
влажной уборки
Приборы и материалы: различные виды материалов для влажной уборки,
динамометр, стакан с водой
Современные образцы для влажной уборки
образец №1
образец №2
образец№3
образец№4
образец №5
образец №6
образец №7
образец№8
образец№9
образец №10
вес
сухого
Р,Н
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
вес
смоченного
Р1
0,5
0,5
0,6
0,7
1
0,7
0,8
0,4
0,5
1
Сила
трения Fтр1,Н
0,5
0,6
2,4
1,6
1,7
1,6
1,2
3,8
0,9
1
вес
смоченного
Р2,Н
0,8
0,8
0,8
1,4
1,8
1,8
1,6
0,5
0,6
1,7
Образцы проверенные временем
ЗА ВИ СИ МОСТЬ
СИ ЛЫ ТРЕНИ Я ОТ СТЕПЕНИ
СМАЧИ ВА ЕМОСТИ СОВРЕМЕННЫ Х
ОБ РА ЗЦОВ
Линейная (Сила трения Fтр1,Н)
Линейная (Сила трения Fтр2,Н)
1
3
721
4
1,7
1,8
1
0,7
1,6
1,4
2,4
0,6
0,5
0,6
0,8
2
4,2
Сила трения Fтр2,Н
2,4
0,8
3,4
вес смоченного Р2,Н
2,7
Сила трения Fтр1,Н
0,5
0,5
0,8
2,2
вес смоченного Р1
5
Сила
трения
Fтр2,Н
2,2
2,7
3,4
2,4
4,2
3,4
5,2
4,4
1,3
3,8
ЗАВИСИМОСТЬ СИЛЫ ТРЕНИЯ ОТ
СТЕПЕНИ СМАЧИВАЕМОСТИ
ПРВЕРЕННЫХ ВРЕМЕНЕМ
МАТЕРИАЛОВ
Сила трения Fтр1,Н
вес смоченного Р2,Н
Сила трения Fтр2,Н
2
4
1,7
3,8
3
1
1
0,5
0,9
0,6
1,3
3,8
0,5
0,4
0,8
1,2
1,6
3,4
0,7
1,6
1,8
1
4,4
5,2
вес смоченного Р1,Н
5
Вывод: при увеличении степени смачивания материала увеличивается сила трения
Опыт №3
Определение зависимости силы трения от рода трущихся поверхностей
Современные образцы
образец№1
образец№2
образец №3
образец №4
образец №5
учебный стол
0,5
0,4
2,4
1,6
1,7
стекло
0,6
0,5
3,4
1,2
1,8
Проверенные временем образцы
образец№6
образец№7
образец№8
образец№9
образец№10
учебный стол
1,6
1,2
3,8
0,9
1
722
стекло
1,8
1,3
4,2
0,9
1,2
Вывод: сила трения зависит от рода поверхности.
Опыт №4 Сравнение силы трения различных материалов для влажной
уборки
сила трения
0,5
0,4
2,4
1,6
1,7
1,6
1,2
3,8
0,9
1
образец №1
образец №2
образец №3
образец №4
образец №5
образец №6
образец №7
образец №8
образец №9
образец №10
Образец №1Салфетка универсальная Русалочка LuxUltra из микрофибрыполиэстер80%,полиамид20%
Образец
№2Салфетка
универсальная
Русалочка
губчатая
Практичная и удобная в использовании, прекрасно впитывает влагу. Экологически безопасная. Идеальна для кухни и ванной. Чисто вытирает без ворсинок и
разводов.
Перед применением рекомендуется увлажнитьвискоза30%полиэстер 70%
Образец №3 микрофибра: полиэстер 70%,полиамид30% Салфетка для
стекла идеально подходит для обработки стекол даже без химических моющих
средств, может применяться для хромированных, эмалированных поверхностей
и автомобильных стекол.
Образец №4 микрофибра полиэстер 60%,полиамид40%
Имеет специальную фактуру ворса, которая не позволяет пыли разлетаться.
Создает после применения антистатическое покрытие и не оставляет разводов.
723
Образец №5 микрофибра полиэстер 50%, полиамид50%
Салфетка для кухни с махрово-вафельной структурой, эффективно очищающей раковины, плиты и кухонную технику.
Образец №6 трикотаж: хлопок 95%,эластан 5%
Образец №7 техническая ткань:хлопок 100%
Образец №8 ситец : хлопок 100%
Образец №9 леняное полотенце (хлопок 45%,55%лен)
Образец №10 махровое полотенце( лен 57%,хлопок43%)
Вывод: сила трения зависит отструктуры ткани и наиболее эффективным
материалом для уборки является образец №3 и 8
Результаты опытов подтвердили наше предположение о том, что сила сопротивления при движении тряпки зависит от веса тряпки и ее смачиваемости и
рода трущихся поверхностей.
В результате проделанных опытов можем сделать выводы, что сила сопротивления при движении материала для влажной уборки зависит:
1. от силы тяжести тряпки (веса тряпки);
2. от веса жидкости смоченной тряпки;
3. от материала тряпки (структура ткани);
4. от смачиваемости ткани;
5. от свойства верхнего слоя поверхности.
Заключение
Проведенные нами опыты и вычисления подтверждают выдвинутую нами
гипотезу о том, что сила сопротивления тряпки зависит от веса тряпки, веса
жидкости в ней, свойства смачивания ткани, структуры ткани и покрытия поверхности.
В будущем хотелось бы продолжить исследование силы сопротивления
тряпки от температуры воды и от влияния моющих средств.
724
Библиографический список
1. Перышкин А.В. Физика 7 класс
2. Я Перельман « Занимательная физика»
3. И.П.Лисовский« Трение в природе и технике», журнал « Квант»
4. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0
%B8%D0%B5
5. http://www.nado5.ru/e-book/trenie-v-prirode-i-tekhnike
6. http://penz.edurm.ru/proekt_zra.htm
Мартынычев Дмитрий, 6 кл. БОУ г. Омска «Лицей № 25»
Руководитель: Вишневская Т. А., учитель физики
БОУ г. Омска «Лицей № 25»
ГЕТЕРОДИННЫЙ ПРИЕМНИК
20-ТИ МЕТРОВОГО ЛЮБИТЕЛЬСКОГО ДИАПАЗОНА
Актуальность
Гетеродинный приемник был изобретен в 1901 г., задолго до появления
электронной лампы и спустя всего 5 лет после первых опытов по радиосвязи.
Тогда использовались искровые передатчики и детекторные приемники на основе когерера - стеклянной трубочки с выводами, заполненной железными
опилками. Под воздействием поля приходящей волны между опилками возникали микроскопические разряды, образовывались проводящие "мостики" и сопротивление когерера резко уменьшалось, что и приводило к срабатыванию реле приемника. В опытах было замечено, что чувствительность приемника к
слабым сигналам возрастает, если с приемником связан собственный генератор,
пусть даже маломощный, настроенный на частоту, близкую к частоте принимаемого сигнала. Собственный генератор назвали гетеродином, а приемник гетеродинным.
Расцвет гетеродинных приемников наступил с переходом на излучение
незатухающих колебаний и с изобретением кристаллического детектора
(1906...1908 гг.), где множество нестабильных контактов между опилками было
заменено одним контактом между кристаллом полупроводника и металлическим острием. Принципиально кристаллический детектор не отличался от полупроводникового диода наших дней. Незатухающие колебания в антенном
контуре передатчика в те годы получали с помощью дугового разряда. На
сверхдлинных волнах широко использовались и электромашинные генераторы.
725
Полтора десятилетия гетеродинный прием безраздельно царил в радиотехнике. В эпоху его расцвета появляются радиолампы - диод и триод, ламповый генератор, автодинный приемник и супергетеродин.
Гетеродинные приемники больше известны под другим названием - приемники прямого преобразования.
В радиолюбительской практике они появились с начала 70-х годов и быстро завоевали широкую популярность благодаря исключительной простоте и
хорошему качеству работы. Введя это новое, а на самом деле очень старое название, мы лишь восстанавливаем историческую справедливость и определяем
место гетеродинных приемников среди множества известных в настоящее время радиоприемных устройств.
Гетеродинный приемник 20-ти метрового диапазона.
Данный гетеродинный приемник предназначен для приема сигналов любительских радиостанций в одном из наиболее популярных KB диапазонов —
20-метровом. Приемник перекрывает весь этот диапазон: от 14000 до 14350
кГц. Как известно, прямое преобразование частоты позволяет принимать только сигналы радиостанций, работающих телеграфом (CW) или однополосной
модуляцией (SSB). Приемник имеет гетеродин с довольно мощным выходом,
что позволяет в дальнейшем путем несложной доработки превратить его в однодиапазонный трансивер. Изменяя частотоопределяющие элементы - катушки
и конденсаторы в колебательных контурах - этот приемник (или трансивер)
может быть переведен на любой любительский диапазон.
Чувствительность приемника составляет примерно 1 мкВ. Такая чувствительность вполне достаточна для повседневной работы в эфире при условии
использования на станции наружной антенны. Ее без труда можно повысить в
три-четыре раза, введя на входе приемника (между входным контуром и смесителем) эмиттерный повторитель.
Полоса пропускания приемника лежит в пределах 250 ...3000 Гц. При
приеме телеграфных станций в условиях сильных помех ее можно сузить до
200...300 Гц (при средней частоте около 600 Гц).
Питается приемник от батареи элементов, обеспечивающих напряжение в
пределах 9...15 В. Потребляемый ток при использовании головных телефонов — около 30 мА, при использовании встроенного динамика – около 50 мА.
Приемник выполнен на трех печатных платах — основной, гетеродина и
УНЧ, на которых расположено подавляющее большинство деталей. На рисунках позиционные обозначения деталей даны без указания номера платы (1—
основная, 2 — гетеродина), а в тексте они во избежание путаницы будут обозначаться как 1-С1, 2-L1 и т. д.
726
Основная плата
Принципиальная схема основной платы приемника приведена на рис. 1.
Селективность приемника по радиочастоте обеспечивается одиночным входным контуром 1-L1, 1-С1, 1-С2. Полоса пропускания входного контура лежит
в пределах 450...550 кГц, и подстраивать его при перестройке приемника по
диапазону нет необходимости. Входное сопротивление 50 Ом обеспечено выбором конденсаторов 1-C-1 и 1-C-2.
Рис. 1. Принципиальная схема основной платы
Смеситель выполнен по балансной схеме на встречно-параллельных диодах, что не позволяет попадать сигналу гетеродина во входные цепи и цепи
фильтра низких частот. Смеситель подключен к контуру полностью. Это позволило получить достаточно высокую чувствительность приемника без усилителя радиочастоты. Напряжение гетеродина подается на смеситель через симметрирующий трансформатор 1-Т1. Со средней точки вторичной обмотки этого
трансформатора продукты смешения поступают на фильтр низших частот 1-L2,
1-С6, 1-С7 с частотой среза около 2,5 кГц. Этот фильтр выделяет полезный сигнал звуковой частоты, который предварительно усиливается каскадом на транзисторе 1-VT1. Для улучшения селективности приемника параллельно нагрузке
транзистора 1-VT1 включен конденсатор 1-С9. Он обеспечивает дополнительное ослабление сигналов с частотами, лежащими выше 5 кГц.
Основное усиление приемника обеспечивает каскад на операционном
усилителе 1-DA1. В целом от тракта звуковой частоты приемника требуется коэффициент усиления около 100 000. В этом случае напряжение шумов на выходе ОУ будет примерно 20 мВ, так как напряжение шумов, приведенное ко входу усилителя на транзисторе 1-VT1, обычно лежит в пределах 0,1...0,3 мкВ.
727
Для увеличения нагрузочной способности каскада, на выходе операционного усилителя установлен эмиттерный повторитель на транзисторе 1-VT2.
Принципиальная схема гетеродина
Принципиальная схема платы гетеродина приведена, на рис. 2. Генератор
собран на транзисторе 2-VT1 по хорошо известной схеме, Обратим внимание
лишь на несколько ее особенностей. Для уменьшения высокочастотного напряжения на контуре генератора напряжение питания каскада выбрано относительно низким — менее 6 В. В гетеродине использован стандартный блок конденсаторов переменной емкости от радиовещательного приемника, секции
включены параллельно. Блок не подвергается каким-либо переделкам, а нужное
перекрытие по частоте обеспечивают “растягивающие” конденсаторы 2-С1, 2С2, 2-С4. Поскольку в приемнике применен балансный смеситель на встречнопараллельных диодах, то генератор настроен на частоту в два раза ниже рабочей частоты, т. е. перекрывает, с некоторым запасом на краях диапазона, участок 7000...7175 кГц. Резистор 2-R1 устраняет паразитное самовозбуждение генератора на низких частотах, определяемых индуктивностью дросселя 2-L2.
Вместо обычного балластного резистора в цепи питания стабилитрона используется генератор стабильного тока на полевом транзисторе 2-VT2.
Рис. 2. Принципиальная схема гетеродина
Высокочастотное напряжение с генератора поступает на двухступенчатый эмиттерный повторитель. Основное назначение резистора 2-R5—установка
(предварительная) уровня выходного напряжения гетеродина таким, чтобы не
перегружались транзисторы эмиттерных повторителей. Ослабляя сигнал в этом
месте, мы дополнительно развязываем генератор от выхода устройства, улучшаем его нагрузочные характеристики. Подстроечным резистором 2-R10 в процессе налаживания приемника точно подбирается оптимальное напряжение гетеродина на диодном смесителе.
Предполагается со временем превратить приемник в трансивер, поэтому в
гетеродин заложена возможность расстройки его частоты с помощью варикапа,
а также предусмотрен дополнительный выход для передающего тракта.
728
УНЧ (усилитель низкой частоты)
Принципиальная схема УНЧ приведена на рис. 3. УНЧ выполнен на основе сдвоенного низковольтного интегрального усилителя TDA2822M, включенного по мостовой схеме. Приемник можно прослушивать как на головные
телефоны, так и на встроенный динамик. При подключении головных телефонов к приемнику – внутренний динамик отключается.
Рис. 3. Принципиальная схема УНЧ
Конструкция и детали
Корпус приемника стандартный и выбран с учетом габаритных размеров
печатных плат и радиокомпонентов. Печатные платы выполнены «ЛУМ»способом («Лазерно-утюговый-метод») из фольгированного стеклотекстолита.
Рисунок печатной платы был разведен в программе Layout затем напечатан на
глянцевой фотобумаге лазерным принтером. Поверхность фольги была зачищена до блеска и обезжирена. Лист фотобумаги прикладывается рисунком к
фольге и прогревается обычным бытовым утюгом в течение некоторого времени. После прогрева тонер с бумаги переносится на фольгу, бумага удаляется, а
будущая плата помещается в раствор хлорного железа. После травления плата
хорошо промывается и делаются отверстия для выводов компонентов.
Все радиокомпоненты доступные и недорогие.
Для увеличения помехоустойчивости плата гетеродина помещена в экран,
сделанный из фольгированного стеклотекстолита.
Чтобы обеспечить более плавную настройку на станции, совместно с КПЕ
применено верньерное устройство.
729
Приложение 1
Рис. 1 Гетеродин:
а – печатная плата;
б – размещение элементов на плате
Рис. 2 Основная плата:
а – печатная плата, б – расположение
деталей на плате
Библиографический список
1. Поляков В.Т. Радиолюбителям о технике прямого преобразования. –
М.: Патриот, 1990.
2. Борисов В.Г. Юный радиолюбитель. – М.: Энергия, 1992.
3. Степанов Б.Г. и др. Любительская радиосвязь на КВ. – М.: Радио и
связь, 1991.
Сурнина Евгения, 9-1 кл. БОУ г. Омска «СОШ № 118»
Научный руководитель: Калашникова А. Г.учитель физики и информатики
БОУ г. Омска « СОШ №118»
ДИФФУЗИЯ В ДОМАШНИХ ОПЫТАХ
Введение
Как много удивительного и интересного происходит вокруг нас. Уже в
глубокой древности, за 2500 тыс. лет до нашего времени, зародилось представление, что все окружающие нас тела состоят из мельчайших частиц, недоступных непосредственному наблюдению, а лишь за после 150 лет развилось и было экспериментально обоснованно учение о молекулах и атомах – молекулярная теория. И основателей молекулярной теории был Демокрит. Суть учения
730
Демокрита сводилась к следующему: не существует ничего, кроме атомов; атомы бесконечны по числу и бесконечно разнообразны по форме; различие между вещами происходит от различия их атомов в числе, величине, форме и порядке; качественного различия между атомами нет. У Демокрита существует
давно, однако и ныне учение основано на предположениях того времени.
В основе современного положения молекулярно –кинетической лежат три
утверждения, каждое из которых в настоящее время строго доказано экспериментально: вещество состоит из ; эти частицы хаотически движутся; частицы
взаимодействуют друг с другом.
Учения Демокрита следует, что все тела состоят из атомов, однако атомы
могут образовать молекулы. Молекулами называют мельчайшие частицы, из
которых состоят различные вещества ( и которые обладают свойствами этого
вещества). В частицы находятся в непрерывном движении. Одним из проявления теплового движения является процесс. Диффузия – это явление молекул
одного в промежутке между молекулами другого вещества.
Заваривается чай, растворяется сахар, салфетка впитывает влагу, распространяется запах духов, разводится краска, краска проникает в бумагу, кисточка
окрашивает воду это лишь небольшая часть явлений диффузии, которое в нашей
жизни играет немаловажную роль. Распространение запахов происходит из-за того, что молекулы движутся. Молекулы духов на своем пути сталкиваются с молекулами газов, которые входят в состав воздуха, они постоянно меняют направление движения, и беспорядочно перемещаясь, разлетаются по комнате.
Цель работы:
- исследовать явления диффузии в домашних опытах.
Задачи:
- рассмотреть содержание понятия явления «диффузия»;
- рассмотреть примеры диффузии в жизнедеятельности;
-исследовать зависимость скорости диффузии от температуры;
- исследовать зависимость скорости диффузии от структуры вещества.
Актуальность: Диффузия доказывает, что тела состоят из молекул, которые находятся в беспорядочном движении; диффузия имеет большое значение
в жизни человека, животных и растений, а также в технике.
1. Роль диффузии в нашей жизни
1.1 Теоритические основы диффузии
Ещё в Древней Греции учёным было известно, из-за чего происходит испарение влаги, распространение запахов, смешивание металлов.
В 1827 году ботаник Броун наблюдал беспорядочное движение частичек
цветочной пыльцы в воде. Частички были достаточно малы, и для наблюдений
использовался микроскоп. Маршруты частичек не подчинялись никакой систе731
ме и были столь причудливы, что Броун вначале принял это движение за какоето особое проявление жизни. Правильно броуновское движение было объяснено полвека спустя. Молекулы воды постоянно находятся в хаотическом движении. Это они бомбардируют с разных сторон огромную (по сравнению с ними)
частицу пыльцы, заставляя ее двигаться случайным образом. Поэтому броуновское движение может служить наблюдаемым доказательством невидимого даже
под микроскопом движения молекул.
Некоторые из молекул одного вещества проникают в межмолекулярные
промежутки другого вещества, и наоборот. То есть происходит взаимная диффузия веществ.
Диффузия (от лат. Diffusio – распространение, растекание, рассеивание) –
это явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного
вещества между молекулами другого.
Диффузия происходит во всех трех состояниях вещества: газообразном,
жидком, твердом. В различных состояниях диффузия протекает по разному.
Скорость протекания диффузии зависит от температуры и строения вещества.
Самая высокая скорость протекания это газы, затем жидкости и твердые вещества, что связано со строением веществ в различных состояниях. При более высоких температурах диффузия протекает быстрее, это связано с тем, что молекулы движутся быстрее и явление проникновения веществ друг в друга проходит быстрее.
1.2. Явления диффузии в жизни растений, животных, в технике, быту.
Диффузионные процессы могут протекать и в твердых телах, но там они
происходят слишком медленно, чтобы быть заметными при комнатной температуре. Однако с ростом температуры движение молекул (или атомов) становится более интенсивным. Поэтому при длительном выдерживании твердых тел
при высоких температурах можно убедиться, что диффузия протекает и в них.
Впервые это удалось сделать в 1896 году английскому металлургу Робертсу Аустену. Он прижал друг к другу золотой диск и свинцовый цилиндр и поместил их па 10 дней в печь, где поддерживалась температура 200 °С. Когда
печь открыли, разъединить диск и цилиндр оказалось невозможно. За счет
диффузии золото и свинец буквально проросли друг в друга. Сегодня такая
технология соединения деталей хорошо известна и носит название диффузионной сварки.
Процессы диффузии имеют большое значение в природе:
• Питание, дыхание животных и растений;
• Проникновение кислорода из крови в ткани человека;
• Вследствие диффузии газов состав воздуха Земли однороден;
• На сахарных заводах из сахарной свеклы получают сахар.
732
В растительном мире роль диффузии также немаловажна.
Загрязнители проникают в те вещества, которые обеспечивают жизнедеятельность растений, животных, человека.
Благодаря диффузии, насекомые находят себе пищу. Бабочки, порхая меж
растений, всегда находят дорогу к красивому цветку. Пчелы, обнаружив сладкий объект, штурмуют его своим роем.
А растение растет, цветет для них тоже благодаря диффузии. Ведь мы говорим, что растение дышит и выдыхает воздух, пьет воду, получает из почвы
различные микродобавки.
Плотоядные животные находят своих жертв тоже благодаря диффузии.
Акулы чувствуют запах крови на расстоянии нескольких километров, также как
и рыбы пираньи.
Для деревьев наблюдается особенно большое развитие поверхности (листовая крона), так как диффузионный обмен сквозь поверхность листьев выполняет функцию не только дыхания, но частично и питания. В настоящее время
широко практикуется внекорневая подкормка плодовых деревьев путем опрыскивания их кроны.
Большую роль играют диффузионные процессы в снабжении кислородом
природных водоемов и аквариумов. Кислород попадает в более глубокие слои
воды в стоячих водах за счет диффузии через их свободную поверхность. Поэтому нежелательны всякие ограничения свободной поверхности воды. Так,
например, листья или ряска, покрывающие поверхность воды, могут совсем
прекратить доступ кислорода к воде и привести к гибели её обитателей. По
этой причине сосуды с узким горлом непригодны для использования в качестве
аквариума.
В технике используют:
• Для придания железным и стальным деталям твердости их поверхности
подвергают диффузному насыщению углеродом (цементация);
• Природный горючий газ, которым мы пользуемся дома, не имеет не
цвета ни запаха… При утечке заметить его невозможно, поэтому на распределительных станциях газ смешивают с особым веществом, обладающим резким,
неприятным запахом, который легко ощущается человеком даже при малой
концентрации. (Меры безопасности).
Экология окружающей среды ухудшается за счёт выбросов в атмосферу,
в воду химических и прочих вредных веществ, и это всё распространяется и загрязняет огромные территории.
Таким образом, диффузия имеет большое значение в природе, но это явление также вредно в отношении загрязнения окружающей среды
К сожалению, в результате развития человеческой цивилизации оказывается негативное влияние на природу и процессы, протекающие в ней. Процесс
733
диффузии играет большую роль в загрязнении рек, морей, океанов. Например,
можно быть уверенным, что моющие средства, слитые в канализацию, например, в Одессе, окажутся у берегов Турции из-за диффузии и существующих течений. Годовой сброс производственных и бытовых стоков в мире исчисляется
десятками триллионов тонн. Примером отрицательного влияния человека на
процессы диффузии в природе являются крупномасштабные аварии, произошедшие в бассейнах разных водоемов. В результате этого явления нефть и продукты ее переработки растекаются по поверхности воды и, как результат, нарушаются процессы диффузии, например: кислород не поступает в толщу воды,
и рыбы без кислорода погибают.
Вследствие явления диффузии воздух загрязняется отходами разных фабрик, из-за него вредные отходы жизнедеятельности человека проникают в почву, воду, а затем оказывают вредное влияние на жизнь и функционирование
животных и растений. Увеличивается площадь земель, загрязненных выбросами промышленных предприятий и т.д. Свыше 2 тыс. гектаров земли занято
свалками промышленных и бытовых отходов. Один из трудно решаемых в настоящее время вопросов является вопрос утилизации промышленных отходов,
в том числе токсичных.
Насущной проблемой является загрязнение воздуха выхлопными газами,
продуктами переработки вредных веществ, выбрасываемыми в атмосферу различными заводами. В некоторых медицинских исследованиях была показана
связь заболеваемости органов дыхания и верхних дыхательных путей с состоянием воздуха. Отмечается прямая зависимость между показателем уровня заболеваемости органов дыхания и объемом выбросов вредных веществ в атмосферу. Перечисленные примеры диффузии оказывают вредное влияние на различные процессы, происходящие в природе. (Учитывая глобальное потепление,
важно исследовать изменение скорости диффузии в зависимости от повышения
температуры окружающей среды.)
2. Исследование явления диффузии в домашних опытах
2.1 Зависимость диффузии от температуры.
Опыт №1.
Зависимость скорости протекания диффузии от температуры
Приборы и материалы: 3 стакана с водой различной температуры, пакетированная заварка, секундомер.
Ход работы:
1) Налить воду нужной температуры в стаканы;
2) Разложить пакетики чая;
3) Пронаблюдать за явлением;
4) Занести результаты в таблицу.
Выводы к опыту:
734
1. В стакане с кипятком диффузия происходила быстрее.
2. Скорость диффузии зависит от температуры.
Результаты опыта (приложение 1)
2.2. Изучение протекания явления диффузии в цитрусовых.
Опыт 2.
Зависимость скорости протекания диффузии от строения вещества ( на
примере фруктов)
Приборы и материалы: Фрукты ( лимон, мандарин, грейпфрут, апельсин),
раствор марганца, секундомер.
Ход работы:
1) Нарезать фрукты;
2) Нанести на фрукты две капли раствора;
3) Наблюдать за явлением.
4) Результаты занести в таблицу.
Выводы к опыту
1. В дольке мандарина диффузия произошла быстрее всего
2. Скорость протекания диффузии зависит от структуры фруктов
Результаты опыта ( приложение 2)
2.3 Изучения протекания явления диффузии в овощах.
Опыт № 3 Зависимость скорости протекания диффузии от строения вещества (на примере овощей)
Приборы и материалы: Овощи ( морковь, картофель и редька), раствор
марганца, секундомер.
Ход работы:
1) Нарезать овощи;
2) Нанести на овощи две капли раствора;
3) Наблюдать за явлением.
4) Результаты занести в таблицу.
Выводы к опыту
1. В дольке моркови, диффузия произошла быстрее всего.
2. Скорость протекания диффузии зависит от структуры овощей.
Результаты опыта (приложение 3)
Выводы:
1.Диффузия имеет большое значение в процессах жизнедеятельности человека, животных и растений.
2.Скорость протекания диффузии увеличивается с ростом температуры.
3. Скорость протекания диффузии зависит от строения вещества
Заключение.
Диффузия одно из разгаданных явлений природы. Человек давно научился применить ее в своих нуждах. Но совершенствованию предела нет.
735
Диффузия протекает во всех трех агрегатных состояниях вещества. В газах диффузия протекает быстрее, чем в жидкостях, а в жидкостях быстрее, чем
в твердых телах.
Явление диффузии широко применяется на производстве, в процессах
жизнедеятельности человека, животных и растений, в медицине, в полупроводниковом производстве (для создания микросхем).
Физика – это не страшно, физика – это интересно.
Библиографический список
1. Физика. 7 кл.:учебник для общеобразовательных учреждений ./
А.В.Перышкин.- М.: Дрофа,2010
2. Ц.Б. Кац Биофизика на уроках физики. /Пособие для учителей. –
М._Просвещение, 1974
3. http://ru.wikipedia.org/
4. http://dic.academic.ru
5. http://school.xvatit.com
Приложение 1
Опыт № 1 Зависимость скорости протекания диффузии от температуры
Начало исследования
Окончание исследования
Результаты исследования
Таблица 1
Образцы исследования.
Стакан с холодной водой ( 240 С)
Стакан с теплой водой (40 0 С)
Стакан с кипятком (1000 С)
Время t, с
184
86
25
Приложение 2
Опыт № 2
Зависимость скорости протекания диффузии от строения вещества (на
примере фруктов)
736
Начало исследования
Окончание исследования
Результаты исследования
Таблица 2
Образцы исследования
Мандарин
Апельсин
Лимон
Грейпфрут
Время , t ,с
18
20
23
22
Приложение 3
Опыт №3
Зависимость скорости протекания диффузии от строения вещества (на
примере овощей)
Начало исследования
Окончание исследования
Результаты исследования
Таблица3
Объект исследования.
Морковь
Редька
Картофель
Время t , с
6
7
9
737
Бахарева Анна, 8А кл. БОУ г. Омска «СОШ № 109 с углубленным изучением
отдельных предметов»
Руководитель: Максимова Е. В., учитель физики БОУ г. Омска
«СОШ № 109 с углубленным изучением отдельных предметов»
Научный руководитель: Коновалов В. А., к.т.н., доцент кафедры
«Машиностроение и материаловедение» ОмГТУ
ИССЛЕДОВАНИЕ УПРОЩЕНИЯ МЕТАЛЛОВ МЕТОДОМ
ЗАМЕРА ТВЕРДОСТИ
Технологии штамповки являются основой изготовительного производства. Формоизменяющая операция обжим толстостенных труб недостаточно изучена. Поэтому предлагаемый фрагмент исследования заключает в себе актуальность.
Обжим представляет собой операцию, при помощи которой производится уменьшение поперечного размера трубы, когда конец заготовки вталкивается в воронко-образную рабочую часть матрицы, имеющую форму готового
изделия или промежуточного перехода (рис. 1).
Также обжимом обрабатывают заготовки в виде сварных кольцевых обечаек и цилиндрических полуфабрикатов, полученных вытяжкой. Заготовки с
дном могут быть обжаты как со стороны открытого конца (торца), так и со стороны дна.
В массовом и крупносерийном производстве обжим осуществляют в специальных штампах, рабочий орган которых - кольцевая матрица.
В зависимости от требуемой формы детали (конусной или куполообразной) используют матрицы с рабочей полостью, имеющей прямолинейную, наклонную к оси симметрии или криволинейную образующую.
Если обжим ведут в свободном состоянии - без противодавления (подпора) заготовки снаружи и изнутри (или только снаружи), пластически деформируется лишь ее участок, находящий в полости матрицы, остальная часть деформируется упруго. Обжимом получают горловины цилиндрических баллонов, в том числе баллонов для аэрозольной упаковки, различные переходники
трубопроводов, горловины гильз и пр. Кроме того, обжимом в сочетании с другими операциями штамповки (например, раздачей) получают различные детали
из сварных кольцевых заготовок: сепараторы подшипников качения, детали колес сельскохозяйственных машин и др.
Различают трубы тонкостенные и толстостенные. У последних, отношение толщины стенки к наружному диаметру должно быть не менее 0,1.
В этой работе использовались именно такие, так как параметры формоизменения их исследованы в меньшей степени, чем для тонкостенных труб.
738
Деформация при обжиме оценивается коэффициентом обжима, который
1
определяют по формуле:
2
Коб = D/d
Пластическая деформация осуще3
ствляется как в холодном состоянии (без
нагрева) так и горячем (для сталей это
D
4
температуры свыше 1000 0). Холодная
деформация приводит к значительному
изменению механических, физических и
химических свойств металла. В деформированном металле с увеличением
степени деформации увеличиваются все
d
показатели сопротивления деформированию: предел упругости, пропорциоРис. 1. Схема обжима
нальности, текучести и прочности. Такполых цилиндрических заготовок:
же растет показатель твёрдости металла.
1 – пуансон; 2 – контейнер;
Одновременно с этим наблюдается
3 – заготовка; 4 – матрица
уменьшение показателей пластичности
(относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость). Изменяются ряд физических и химических
свойств: увеличивается электрическое сопротивление, уменьшаются сопротивления коррозии, теплопроводность, изменяются магнитные свойства ферромагнитных металлов и т.п. Совокупность явлений, связанных с изменением механических, физических и химических свойств металлов в процессе холодной
пластической деформации, называется упрочнением (наклёпом).
Для правильного построения технологического процесса штамповки необходимо установить зависимость показателя сопротивления деформированию
от фактора формоизменения – степени деформации. Такую зависимость называют кривой упрочнения.
Так как напряжения, вызывающие пластическую деформацию, зависят от
многих факторов, в том числе от температурно – скоростных условий деформирования, то кривые упрочнения для каждого металла и сплава следует устанавливать применительно к конкретным температурно – скоростным условиям
деформирования. Меняющиеся в зависимости от величины и скорости деформации напряжения, вызывающие пластическую деформацию при линейном напряжённом состоянии при данных температурно – скоростных условиях деформирования, называют напряжением текучести и обозначают σт.
Показателями формоизменения образца, оценивающими степень деформации, могут быть относительное удлинение образца при растяжении:
P
739
ε = l −lοlο
или относительное уменьшение площади поперечного сечения:
Fo − F ;
ψ=
Fo
где Ɩо, Ɩ и Fо, F – соответственно, исходные и конечные значения длины и площади поперечного сечения образца. По аналогии можно представить, что показателем формоизменения образца, оценивающим степень деформации при обжиме может быть относительное уменьшение диаметра образца, которое, как
известно, оценивается коэффициентом обжима Коб.
Для операции обжим удобно строить кривые упрочнения именно в зависимости от Коб.
Поэтому была поставлена задача по результатам экспериментов построить кривые упрочнения в осях σт - Коб. для стали марки 20. В исследованиях
использовались трубные заготовки наружным диаметром D = 38 мм и длиной
L = 75 мм.
Напряжения текучести было решено определять по результатам измерения твердости на основании методики, разработанной доктором технических
наук Г. Д. Делем [1], который вывел
2300 ,
σi = 130 − HRB
5
5
зона 3
зона 2
зона 1
5
Где σi – интенсивность напряжений (в нашем случае – напряжение текучести);
HRB - значение твёрдости, замеренное на приборе Роквелла по шкале В.
Образцы (называют – тем1
плеты) для замеров представляли
2
3
собой пластины, вырезанные из
4
5
обжатых деталей вдоль оси симметрии и прошлифованные для
6
7
обеспечения параллельности сто8
рон и низкой шероховатости (рис.
9
2).
10
11
Схема замеров твердости
12
представлена на рис. 3. Здесь выделены 3 характерные зоны деформированной обжимом детали:
Рис. 3.Схема замеров твердости
зона 1 – не обжатая часть, зона 2 –
обжимаемая часть, зона 3 – обжатая цилиндрическая зона. Всего на поверхности получалось 12 точек замеров. В
результате замера твёрдости видно, что она возрастает от зоны 1 к зоне 3. Результаты измерений для удобства занесём в таблицу 8.
740
Фотографии натуральных обжатых образцов, темплетов и прибора Роквелла представлены на рис. 4 и 5.
Результаты замеров твердости преобразовали по формуле (1) в значения
σт и построили кривые упрочнения для случая деформирования заготовок с относительной толщиной стенки Sо/D = 0,1; 0,12; 0,15; 0,18; 0,21 (Sо – толщина
стенки исходной заготовки) в матрицах с углом воронки (на сторону) 220 30′,
обеспечивающих коэффициенты обжима, равные 1,25, 1,40, 1,55, 1,70
(рис. 6–8).
Рис. 4. Обжатый образец и вырезанный
из него темплет для замера твердости
741
Рис. 5. Замер твердости темплета из стали марки 20,
вырезанного из деформированной обжимом
толстостенной трубной заготовки
742
1,7
Рис. 6. Кривые упрочнения для зоны – 1
743
400
500
600
σТ ,МПа
1,25
1,4
1,55
So / D = 0.18
So / D = 0.15
К обж
So / D = 0.12
So / D = 0.12 К обж
600
700
σТ, МПа
1,25
1,4
1,55
1,7
So / D = 0.18 So / D = 0.15
Рис. 7. Кривые упрочнения для зоны 2
744
1,7
1,4
1,55
So / D = 0.18
So / D = 0.12
К обж
So / D = 0.1
600
700
1,25
σТ, МПа
Рис. 8. Кривые упрочнения для зоны 3
745
По полученным результатам замера твёрдости и кривым упрочнения
(рис. 6-8) видно, что твёрдость и предел текучести возрастает с увеличением
коэффициента обжима в направлении от зоны 1 к зоне 3. При этом, чем больше
коэффициент обжима, тем выше конечное значение напряжения текучести металла.
Полученные результаты могут быть применены при проектировании технологических процессов точной холодной штамповки обжимом толстостенных
трубных заготовок.
Библиографический список
1. Дель Г. Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твердости. - М.: Машиностроение, 1971. – 200 с.
2. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика – 10. - М.: Просвещение, 2010 г.
3. Кабардин О.Ф., Пинский А.А. Физика – 10. – М.: Просвещение, 2002.415с.
Макаров Валерий, 11 А кл., БОУ г. Омска «Лицей № 25»
Научный руководитель: Полонянкин Д. А. к.п.н., ст. преподаватель
кафедры «Физика» ОмГТУ
ПОВЕРХНОСТНОЕ МАГНЕТРОННОЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕ
ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ 38Х2МЮА
Введение.
Модифицирование конструкционных материалов с целью направленного
изменения их физико-химических свойств является весьма востребованной и
актуальной задачей современного материаловедения. Во многих отраслях машиностроения широко востребованы материалы с улучшенными эксплуатационными свойствами, такими как работоспособность, механическая прочность,
износостойкость и т.д.
Повышение работоспособности изделий из конструкционной стали, работающих в динамических высокотемпературных условиях является актуальной
научно-практической задачей современного материаловедения. Моделирование
температурного поля и напряженно-деформированного состояния поверхности
под воздействием теплового импульса позволяет прогнозировать характер
структурных изменений в бинарной системе «сталь-покрытие». Структурная
деградация, имеющая место в этом случае, может быть устранена посредством
746
ионно-плазменной магнетронной обработки поверхности, представляющей самостоятельный метод упрочнения материала.
В процессе эксплуатации деталей, узлов и агрегатов технологического
оборудования, а также изделий машиностроения, изготовленных из конструкционных сталей и сплавов, в условиях высокотемпературных импульсных воздействий происходит снижение их работоспособности с дальнейшим разрушением, например, в установке лазерной резки «LaserMat-4200». Изготовление деталей из дефицитных и дорогостоящих материалов нерационально, а зачастую
невозможно, что обусловливает актуальность фундаментальных и прикладных
исследований, направленных на формирование покрытий, наносимых на различные конструкционные металлические материалы с целью повышения их работоспособности. В тех случаях, когда изменениям, в том числе необратимым,
подвергается поверхностный слой объемной детали, в качестве альтернативы ее
полного восстановления с использованием дорогостоящих конструкционных
материалов, применяются методы поверхностного модифицирования. Нанесение покрытий позволяет восстановить свойства изделий, утраченные в процессе
эксплуатации, а также повысить их ресурс, поэтому чаще всего модифицируют
поверхности исходных изделий, получаемых в процессе производства. Среди
таких методов высокой эффективностью отличается ионно-плазменное модифицирование.
Таким образом, актуальность проблемы повышения работоспособности
конструкционных сталей обусловлена их широким применением в механизмах
машин и технологического оборудования, эксплуатируемых при воздействии
высоких импульсных температур. Одним из возможных способов разрешения
этой проблемы является модифицирование поверхностей конструкционных
сталей посредством применения ионно-плазменных методов.
Объект и методы исследования. Конструкционная сталь 38Х2МЮА, модифицированная молибденом и танталом комбинированным ионно-плазменным методом. При выполнении работы были использованы апробированные
экспериментальные методы исследования поверхности (электронная микроскопия, измерение микротвердости), а также структуры и химического состава
(рентгенографическая дифрактометрия) поверхностных слоев. Используемый
метод модифицирования поверхности конструкционной стали 38Х2МЮА –
магнетронное напыление, установка VSM-200 позволяет производить предварительную очистку мишени в плазме тлеющего разряда (в среде аргона), а также проводить поверхностное модифицирование с получением качественных
однородных плотных покрытий.
Цель работы: исследование микротвердости, элементного и химического
состава конструкционной стали 38Х2МЮА, модифицированной методом маг747
нетронного напыления. В соответствии с поставленной целью были сформулированы основные задачи исследования:
1. Установление взаимосвязи между структурными изменениями и химическим составом поверхностного слоя стали 38Х2МЮА и материалом модификатора.
2. Установление взаимосвязи между характеристиками модифицированной стали (микротвердость) и материалом модификатора, а также режимом его
нанесения.
Основная часть. Выбор материала модификатора обусловлен его теплофизическими характеристиками – молибден и тантал обеспечивают наиболее
эффективное снижение теплонапряженного состояния бинарной системы
«сталь-молибден», «сталь-тантал» [1, 2].
Технологический процесс ионной имплантации с последующим ионноплазменным напылением проводится поэтапно и включает следующие операции:
– подготовка образцов;
– ионная очистка;
– ионно-плазменное магнетронное напыление;
– охлаждение.
1. В ходе выполнения первой операции осуществляется осмотр изделий,
их подготовка.
Удаляются загрязнения с обрабатываемых изделий, так как различные загрязнения приводят к резкому ухудшению характеристик покрытия. Требования, предъявляемые к используемым изделиям:
а) шероховатость обрабатываемых рабочих поверхностей должна быть не
ниже Ra=1,25, так как качество покрытия улучшается с повышением чистоты
поверхности;
б) на нерабочих поверхностях шероховатость может быть больше, однако
наличие окалины, ржавчины, пор и трещин не допускается;
в) модифицированию не подвергается деталь, прошедшая химикотермическую обработку, паяные соединения, в состав которых входят легколетучие компоненты: цинк, олово, кадмий и др.
Подготовка к процессу магнетронного модифицирования также включает:
– промывку в ультразвуковой ванне (частота составляет4 кГц, а время обработки – 5 минут);
2. Ионная очистка деталей в камере установки производится с целью удаления окислов с модифицируемой поверхности.
Ионная очистка камеры проводится в среде аргона при давлении
5х10-5 мм. рт. ст.
748
3. Ионно-плазменное модифицирование проводится на установке VSM200 в рабочей камере при давлении 3,2-3,4 х10-3 Па, сила тока 0,3 А, в среде аргона. Оптимальное время напыления составляет 30 минут.
4. Охлаждение изделий происходит в камере до температуры 250 – 300
0С при давлении 5х10-5 мм. рт. ст. Для ускорения охлаждения в камеру подается аргон. Изделия выдерживаются в камере не менее 30 минут.
После проделанных операций производится разгерметизация камеры и
выгрузка изделий.
Режим ионно-плазменного напыления определялся экспериментально для
каждого вида напыляемого материала. Поверхностное модифицирование образцов выполнялось в соответствии с описанным методом [3].
Исследование образцов, модифицированных молибденом и танталом, а
также исходного образца осуществлялось на растровом электронном микроскопе Jeol JCM-5700 в режиме высокого вакуума. Тип сигнала – вторичные электроны (SEI). Были получены изображения поверхностей образцов (рис. 1), а
также проведен качественный и количественный анализ их поверхности (рис. 2)
с использованием рентгеновского энергодисперсионного спектрометра.
Проведено сравнение качественного и количественного состава исходного и модифицированного молибденом и танталом образцов.
Для исследования структуры поверхности стали 38Х2МЮА модифицированной Ta и Mo проводилось сканирование образцов на порошковом дифрактометре D8 Advance (Bruker) в CuKα – излучении в области углов 20-125° (2Θ).
Полученные результаты свидетельствуют об образовании в поверхностном
слое модифицированных образцов устойчивых соединений Ta2O5 и Mo2С, что
подтверждает целесообразность использования тантала и молибдена для модифицирования.
а)
б)
в)
Рис. 1. Изображение поверхности а) исходного образца, изготовленного из
стали 38Х2МЮА; б) стали 38Х2МЮА, модифицированной молибденом;
в) стали 38Х2МЮА, модифицированной танталом
749
а)
б)
в)
а1)
б1)
в1)
Рис. 2. Количественный состав и рентгенограмма (а, а1)
исходного образца из стали 38Х2МЮА; (б, б1) стали 38Х2МЮА, модифицированной молибденом; (в, в1) стали 38Х2МЮА, модифицированной танталом
Измерение микротвердости образцов до и после напыления проводилось
микротвердомером ПМТ-3М по методу Виккерса. Сравнительный анализ микротвердости стали до (Hv=227) и после ее модифицирования позволяет сделать
вывод о целесообразности магнетронного напыления, которое приводит к повышению ее микротвердости в 1,9 и 1,84 раза при использовании молибдена и
тантала в качестве материала модификатора соответственно [4].
Полученные значения микротвердости исследуемых образцов позволяют
сделать вывод о том, что модифицирование поверхности конструкционной стали 38Х2МЮА комбинированным ионно-плазменным методом приводит к значительному повышению ее микротвердости по сравнению с микротвердостью
исходного образца после 30-минутного напыления Ta и Mo.
750
Полученные зависимости микротвердости модифицированной стали
38Х2МЮА от времени напыления (рис. 3,4) показывают, что наибольшей микротвердостью обладают образцы, для которых время напыления составило 30
минут, при этом значения микротвердости модифицированных образцов превышают микротвердость исходного образца в 1,9 раза при модифицировании
молибденом и в 1,84 раза – танталом.
Рис. 3. Зависимость микротвердости стали 38Х2МЮА,
модифицированной Mo, от времени напыления
Рис. 4. Зависимость микротвердости стали 38Х2МЮА,
модифицированной Ta, от времени напыления.
751
Экстремальный характер зависимости микротвердости модифицированных образцов от времени напыления может быть объяснен с точки зрения островковой модели.
В случае, когда длительность напыления составила 30 минут, интенсивность осаждения ионов была минимальна, площадь поверхности максимальна,
процессы распыления и осаждения на поверхности – равновероятны.
Выводы.
Полученные результаты свидетельствуют об образовании в поверхностном слое модифицированных образцов устойчивых соединений Ta2O5 и Mo2С,
что подтверждает целесообразность использования тантала и молибдена для
модифицирования.
Полученные значения микротвердости исследуемых образцов позволяют
сделать вывод о том, что модифицирование поверхности конструкционной стали 38Х2МЮА комбинированным ионно-плазменным методом приводит к значительному повышению ее микротвердости по сравнению с микротвердостью
исходного образца после 30-минутного напыления Ta и Mo.
Полученные зависимости микротвердости модифицированной стали
38Х2МЮА от времени напыления (рис. 3,4) показывают, что наибольшей микротвердостью обладают образцы, для которых время напыления составило 30
минут, при этом значения микротвердости модифицированных образцов превышают микротвердость исходного образца в 1,9 раза при модифицировании
молибденом и в 1,84 раза – танталом.
Разработанный метод был использован для поверхностного модифицирования
тарировочных пластин установки лазерной резки «LaserMat-4200». Пластины,
модифицированные магнетронным ионно-плазменным методом, прошли натурные испытания на данной установке на заводе мостовых металлоконструкций ООО НПО «Мостовик». Оценочные испытания показали значительное (не
менее чем в 2 раза) увеличение межремонтных сроков эксплуатации
Библиографический список
1. Hofera, A.M. Sputtered molybdenum films: Structure and property evolution
with film thickness / A.M. Hofera, J. Schlacher, J. Keckes, J. Winkler, C. Mitterer //
Vacuum. – 2014. – Vol. 99. – P. 149-152.
2. Zhou, Y.M. Effects of deposition parameters on tantalum films deposited by
direct current magnetron sputtering in Ar–O2 mixture / Y.M. Zhou, Z. Xie, H.N.
Xiao, P.F. Hu, J. He // Applied Surface Science. – 2011. – Vol. 258. – P. 1699 –1703.
3. Blesman A.I., Study microhardness steel 41CrAlMo7 modified by
molybdenum / A.I. Blesman, D.A. Polonyankin, D.V. Postnikov // European Science
and Technology: materials of the VII international research and practice conference,
752
Vol. II, Munich, April 23th – 24th, 2014 / publishing office Vela Verlag
Waldkraiburg – Munich – Germany, 2014. – P. 411 – 414.
4. Блесман, А.И. Сравнительный анализ микротвердости и фазового состава конструкционной стали 38Х2МЮА, модифицированной молибденом и
танталом / А.И. Блесман, Д.А. Полонянкин, Д.В. Постников, А.А. Теплоухов //
Нанотехнологии функциональных материалов (НМФ’14): труды междунар. науч.-техн. конференции 24-28 июня 2014 года. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та,
2014. – 460 с. – Nanotechnologies of functional materials (NFM’14). – С. 78 – 82.
Воронин Дмитрий, 11-1 кл. БОУ г. Омска «СОШ № 118»
Руководитель: Биневская С. А., учитель математики и информатики
БОУ г. Омска «СОШ № 118»
ЭКОЛОГИЯ, РЕСУРСОСНАБЖЕНИЕ
И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ
Введение
По результатам материалов Всемирной организации здравоохранения
причиной заболеваний людей раком лёгких в 22% является загрязнённый воздух мегаполисов.
По данным статистики на 2012 год количество выбросов загрязняющих
атмосферу составило
.
Почти 89 процентов выбросов крупных предприятий, таких как ОАО
«ТГК-11», ОАО «Газпромнефть-ОНПЗ», ООО «Омсктехуглерод», ОАО «Омский каучук» и ОАО «Омск­шина», улавливаются специальными установками
и не попадают в атмосферу, – говорит начальник управления экологической
безопасности министерства природных ресурсов и экологии Омской области
Евгений Медведюк.
В общем количестве выбросов на территории города доля выхлопов
автомобилей составляет около 30 процентов, на территории области еще больше – 47 процентов.
Актуальность темы вызвана резким возрастанием количества часов, нахождения старшеклассников на остановочных комплексах автомагистралей города Омска (72% моих одноклассников записались на подготовительные курсы
ВУЗов, которые находятся в1-2 часах езды).
Цель работы: выяснить способы уменьшения загрязнения окружающего
воздуха тепловыми двигателями и по возможности назвать теоретические пути
повышения КПД тепловых двигателей.
Задачи:
1. выяснить основные виды двигателей грузового и легкового автомобильного транспорта города Омска;
753
2. изучить устройство и работу дизельного, карбюраторного, инжекторного двигателей;
3. составить (Р; V) диаграммы данных видов тепловых двигателей;
4. на основе составленных (Р; V) диаграмм, провести анализ способов повышения КПД тепловых двигателей;
5. назвать теоретические пути снижения выбросов в атмосферу выхлопных газов.
Методы:
1. тест - опрос одноклассников;
2. изучение литературы по устройству выделенных тепловых двигателей;
3. компьютерная программа для моделирования (Р;V) диаграмм.
Ход работы
Опрос среди учеников 11 класса показал: в среднем каждый из нас находится вблизи проезжей части дороги 2 часа и 55 минут.
Таблица 1
Результаты опроса
Ф.И. ученика
1. Антуфьева Анастасия
Количество
часов
в неделю
1,7
2. Белоусова Маргарита
2,5
3. Бочкова Милана
3,4
4.Гичун Мария
1,8
5.Елагин Илья
5
6.Золотухин Роберт
7,2
7.Золотых Анна
3,1
8.Каллас Ольга
2,7
9.Капитулина Виктория
4,6
10.Касьянова Екатерина
5,2
11.Киселёв Дмитрий
9,2
12.Колесова Ксения
7,6
13.Коненкова Екатерина
2,3
14.Коржук Владислав
3,7
15.Манапова Жанара
5,6
16.Маркин Виктор
4,2
17.Платковский Максим
6
18.Платковский Роман
6,1
19.Погодин Константин
3,7
20.Понамарева Снежана
8,6
754
Рисунок 1. Схемы изопроцессов
в различных тепловых двигателях
755
Вывод
Продолжительное время ученики находятся у проезжей части и 3 часа
вдыхают выхлопные газы.
В ходе изучения устройства данных двигателей было выявлено:
1. Очень малое КПД (карбюраторного двигателя-25-30%; инжекторного
двигателя-20%);
2. Большой расход топлива.
Все эти недостатки нужно устранять, и было найдено несколько путей
решения:
1. Переход от двигателей внутреннего сгорания к электродвигателям;
2. Увеличение КПД двигателей с помощью изменения изопроцессов в работе двигателя;
3. Установка дополнительных систем фильтрации на выхлопные трубы
автомобилей.
В каждом решении проблемы были свои плюсы и минусы. В первом способе решались сразу две проблемы: и выхлопы в атмосферу, и увеличение
КПД. Но были и минусы: огромные финансовые затраты на данный переход,
магнитное поле, которое существует вокруг любого тела, проводящего электрический ток (которым и является электродвигатель).
Второй способ до сих пор не был применён, вот уже несколько лет учёные пытаются изобрести новый двигатель, чтобы увеличить в нём КПД, результата нет.
Последнее решение менее эффективное, но более реалистичное. В нём
нет минусов, за исключением того, что это не решение проблемы, а лишь уход
от неё.
Наиболее действенным является первый способ, так же президент Франции издал указ, который заключался в переходе всей страны от тепловых двигателей к электрическим до 2015 года.
756