Исследование значения диффузии в экологической обстановке города Новая Ляля

 

Отыщи всему начало — и ты многое поймёшь.

Козьма Прутков

 

Каждое утро, выпивая чашку кофе (чая), мы не догадываемся, что наблюдаем явление диффузии, о которой мы узнали на уроках физики. Я думаю, что диффузия является одним из важных процессов в жизни людей и живой природы Земли. Но насколько важным?

Что может произойти с участием диффузии или при нарушении и изменении этого процесса?

Поэтому важно знать особенности диффузии, влияние различных факторов на скорость протекания диффузии в природе.

Цель работы: рассмотреть роль диффузии в экологическом равновесии природы и влияние человека на явление диффузии.

Задачи:

1.      Изучить особенности протекания диффузионных процессов, раскрыть роль диффузии в природе.
2.      Провести опрос обучающихся 7-х и 9-х классов о роли диффузии в природе.
3.      Провести некоторые опыты и наблюдения, демонстрирующие явление диффузии в природе.
4.      Изучить диффузионные процессы в природе, воздействие человека на их протекание, сделать выводы о роли диффузии в экологическом равновесии природы.

Объект исследования — явление диффузии.

Предмет исследования: влияние диффузии на процессы, протекающие в природе, связанные с жизнедеятельностью человека.

Гипотеза

Возможно, существует связь между явлением диффузии и экологическими проблемами, связанными с загрязнением природы.

Методы: изучение литературных и Интернет источников, проведение экспериментов, социологический опрос, интервью, наблюдение, анализ информации и результатов.

Практическая значимость моей исследовательской работы заключается в том, что зная способы влияния человека на диффузию, мы сможем влиять на экологическое состояние нашего города.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1.            История открытия явления диффузии.

Ещё в Древней Греции учёным было известно, почему происходит испарение влаги, распространение запахов, смешивание металлов.

В 1827 году ботаник Роберт Броун наблюдал беспорядочное движение частичек цветочной пыльцы в воде.

Р.Броун. Модель броуновского движения

 

Теория броуновского движения была основана на предположении и позже опытно доказана. Броуновское движение — это беспорядочное движение мельчайших частиц, взвешенных в жидкости или газе, происходящее под действием ударов молекул окружающей среды. Благодаря движению молекул, происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого вещества. Такое явление в физике называется диффузией [3].

1.2.            Роль диффузии в природе

Значение диффузии в природе огромно. Для всех животных и насекомых жизненно важную роль играет распространение запахов. Как муравьи узнают дорогу домой? Оказывается, 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 красивому цветку. Пчелы, обнаружив сладкий объект, штурмуют его своим роем.

Плотоядные животные находят своих жертв тоже благодаря диффузии. Все известно, как по следу запаха бежит волк. Акулы чувствуют запах крови на расстоянии нескольких километров, так же как и рыбы пираньи.

Растение растет тоже благодаря диффузии. Ведь мы говорим, что растение дышит и выдыхает воздух, пьет воду, получает из почвы различные микродобавки. Диффузия растворов различных солей в почве способствует нормальному питанию растений. Деревья выделяют кислород и поглощают углекислый газ тоже с помощью диффузии.

Еще несколько простых примеров. Результатом диффузии является выравнивание температуры в помещении при проветривании. Таким же образом происходит загрязнение воздуха вредными продуктами промышленного производства и выхлопными газами автомобилей. 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.

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 инертные газы.

В небе мы тоже наблюдаем это явление. Рассеивающиеся облака — тоже пример диффузии [2].

Во всех приведенных примерах мы наблюдаем взаимное проникновение молекул веществ, т. е. диффузию. На этом процессе основаны многие физиологические процессы в организме человека и животных: такие как дыхание, всасывание и др. Как полезные вещества попадают в кровь? Как кислород питает головной мозг? Как выводятся из организма вредные вещества? Все эти процессы возможны благодаря диффузии [2].

Вывод: диффузия имеет большое значение в природе, но это явление также вредно в отношении загрязнения окружающей среды.

1.3.            Влияние деятельности человека на экологию, посредством диффузии.

К сожалению, в результате развития человеческой цивилизации оказывается негативное влияние на природу и процессы, протекающие в ней. Процесс 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 [2].

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 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) [4].

ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1. Эксперименты

Для исследования факторов, влияющих на протекание диффузии, мы провели ряд опытов [1].

Опыт № 1. Наблюдение диффузии в газах (опыт с освежителем воздуха)

Цель: изучение изменения диффузии газа в воздухе в зависимости от изменения температуры в помещении.

Приборы и материалы: часы с секундной стрелкой, освежитель воздуха.

Описание опыта и полученные результаты: В кабинете в одном углу распылили освежитель воздуха, и через 5 секунд почувствовал запах освежителя первый наблюдатель, который находился на расстоянии 4 м, а ещё через 15 секунд — второй наблюдатель. Распространение запаха объясняется движением молекул. Это движение носит непрерывный и беспорядочный характер. Сталкиваясь с молекулами газов, входящих в состав воздуха, молекулы дезодоранта много раз меняют направление своего движения и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по всей комнате.

 

Таблица 1

Начало опыта Время- t	Температура воздуха помещения	Первый наблюдатель почувствовал распространение запаха	Второй наблюдатель почувствовал распространение запаха	Условия выполнения опыта
15.00	20оС	15 ч 00 мин 05 сек	15 ч 00мин 20сек	В направлении по диагонали распыляем освежитель воздуха
15.30	16оС	15ч 30мин 10сек	15ч 30мин 35сек	Помещение проветриваем, доводим до необходимой температуры
16.00	14оС	16ч 00мин 26сек	16ч 00мин 55сек	Помещение проветриваем, доводим до необходимой температуры

 

Вывод: анализ показателей времени распространения запаха — освежителя воздуха показал, что диффузия освежителя воздуха ускоряется при повышении температуры воздуха в комнате.

Опыт № 2 Наблюдение явления диффузии в жидкости.

Цель: наблюдение диффузии в жидкости, влияние температуры на протекание диффузии.

Приборы и материалы: стакан с холодной водой, раствор «зелёнки», тарелка с горячей водой, пипетка.

Описание опыта и полученные результаты:

а) в стакан с холодной водой капнули «зелёнку» и пронаблюдали, как происходит процесс диффузии;

б) провели этот же опыт, поставив стакан с водой в тарелку с горячей водой, процесс произошел гораздо быстрее, чем в первом случае

 

 

Вывод: проведя опыт, мы обнаружили, что диффузия наблюдается в жидкостях и с увеличением температуры скорость данного процесса увеличивается.

Опыт № 3. Влияние плёнок различных веществ на поверхности воды на процесс диффузии

Цель: изучить, как различные вещества на поверхности воды влияют на скорость испарения воды, и сделать вывод о скорости протекания диффузии.

Приборы и материалы: цифровая лаборатория «Архимед», стаканы — 4 шт., теплая вода, бензин, керосин, растительное масло.

Описание опыта и полученные результаты: во все стаканы налили воды (по 100мл), во второй стакан добавили бензин, в третий — керосин, в четвёртый — растительное масло (по 2 мл). Растительное масло в нашем опыте имитировало нефть. Засекалось время, через каждые 5 минут снимались показания термометров, помещенных во все жидкости, при помощи цифровой лаборатории «Архимед».

 

Результаты измерений зафиксированы в таблице № 2.

 

Таблица 2

Время	Температура чистой воды, Со	Температура воды с бензином, Со	Температура воды с керосином, Со	Температура воды с растительным маслом, Со
15.00	50	50	50	50
15.05	49	50	50	50
15.10	48	49	49	49
15.15	46	48	48	49

 

Теоретическое обоснование: При испарении из воды вылетают отдельные молекулы. Так как вода, покрытая плёнкой различных веществ, остывает медленнее, то можно судить о том, что и молекулам кислорода труднее проникнуть в воду. В результате эти плёнки растекаются по поверхности воды и, при этом нарушаются процессы диффузии: кислород не поступает в толщу воды, и рыбы без кислорода погибают [3].

Вывод: наличие различных веществ на поверхности воды нарушает процессы диффузии и может привести к экологическим последствиям.

2.2 Наблюдения

Подобные явления под влиянием человека часто происходят и в природе. Какие диффузионные процессы происходят в воде, в воздухе в нашем городе, что является источником загрязнения? Чтобы ответить на этот вопрос, мы провели ряд наблюдений:

Наблюдение № 1: явления диффузии в газах

Цель: наблюдение диффузии в газах.

Что такое запах? (словарь русского языка С. И. Ожегова — Запах-свойство веществ, воспринимаемое обонянием).

А распространение запаха? Молекулы газа все время движутся!

 

Возьмём для примера наше градообразующее предприятие: НЦБК. Дым из труб распространяется на большие расстояния. Вследствие явления диффузии воздух загрязняется отходами НЦБК, из-за него вредные отходы жизнедеятельности человека проникают в почву, воду, а затем оказывают вредное влияние на жизнь и функционирование животных и растений.

ЦБК находится в северной части нашего города. Если посмотреть на Розу ветров в Новой Ляле (архивные метеорологические наблюдения за 2017г), то можно сказать, что господствующие ветра (З, Ю-З, С-З, С) несут с НЦБК неприятный запах! Особенно этот запах чувствуется в микрорайонах Леспромхоз, Город и Новостройка. А если ещё учесть, что среднегодовая скорость ветра — 6,7м/с и средняя скорость диффузии газов около 0,7 м/с, то можно сделать вывод, что жители города постоянно ощущают этот неприятный запах.

 

Что содержится при этом в воздухе и насколько он вреден? Метилмеркаптан — это вещество преимущественно содержится в выбросах предприятий целлюлозной бумажной промышленности. Причислен ко второму классу опасности, имеет крайне неприятный запах и в большом количестве опасен для здоровья, вызывает тошноту и головную боль. В соединении с озоном может быть очень сильным аллергеном [2].

Для снижения выброса вредных газов из промышленных труб устанавливают специальные фильтры. Такие фильтры на ЦБК не установлены, т. к. установка их стоит очень дорого.

На территории нашего города две заправочные станции, ежедневно по улицам города ездят бензовозы. Для примера: 300 гр. бензина пролитого при заправке автомобиля загрязняет 200 тыс. м³ воздуха.

 

Таким же образом происходит загрязнение воздуха выхлопными газами автомобилей, численность которых растёт с каждым годом. Эти вредные для здоровья людей и животных вещества распространяются очень быстро. Летом это происходит еще быстрее (доказано опыт № 1).

Наблюдение № 2: явления диффузии в жидкости: состав питьевой воды в г. Новая Ляля

Цель: наблюдение диффузии в жидкости.

В городе Новая Ляля источниками питьевой воды являются скважины, колодцы, родники, но самым главным есть и остается река Ляля, на верховье которой стоит Водозабор, снабжающий питьевой водой большую часть города. Ни для кого не секрет, что река сильно загрязнена отходами Новолялинского Целлюлозно-бумажного комбината (НЦБК) и отмечена как одна из самых грязных рек Свердловской области. Возросший дефицит пресной воды всегда был связан с загрязнением водоёмов промышленными и бытовыми стоками.

 

Вот что сливает наш ЦБК в реку

Контроль за качеством сточных вод ведется экологической службой Водозабора с привлечением лаборатории.

 

Мы встретились для беседы о диффузионных процессах, происходящих в воде и о составе питьевой воды в г.Новая Ляля с инженером МУП «Водоканал» Дроздовой Н. А.

Она нам рассказала о процессе очистки воды в нашем городе, отметила, что в настоящее время потребности города в питьевой воде полностью обеспечиваются Новолялинским водозабором, предоставила нам таблицу, в которой отражен качественный и количественный состав питьевой воды.

 

Таблица 3

Данные лаборатории Водозабора за 2017 год

Месяц	Растворенный кислород	Нитриты	Нитраты	Сухой остаток	Фенолы	Нефтепродукты	Медь	Al	Fe	Мутность	Цветность	Прозрачность	Щелочность	Жесткость	Окисляемость	PH
Январь	10,4	0,004	0,440	141,0	0,001	0,064		0,058	0,66	0,575	33,8	30	1,6	1,7	3,2	7,2
Февраль	9,65	0,006	0,34	147,5				0,04	0,689	0,48	42,0	30	1,7	1,8	3,0	7,4
Март	8,5	0,004	0,48	152,7				0,06	0,674	1,46	26,7	29	1,7	1,8	2,1	7,2
Апрель	7,7			107,5	0,001	0,030		0,06	1,372	3,0	113,1	16	1,1	1,2	17,3	7,3
Май	8,6	0,018		68,0				0,09	1,645	4,1	174,0	9	0,4	0,7	35,7	7,0
Июнь	7,1		0,167	61,3			0,14	0,14	2,119	5,7	256,0	10	0,3	1,7	11,1	6,9
Июль	6,7			127,5				0,04	1,3	1,1	141,3	20	0,8	1,1	12,6	7,6
Август	6,6	0,014		109,5				0,04	0,63	1,1	53,7	23	1,2	0,9	5,1	7,8
Сентябрь	7,6		0,345	110,0	0,001	0,090	0,15	0,02	0,547	0,96	54,8	23	1,2	0.9	12,3	7,9
Октябрь	9,9			117,5				0,04	0,64	1,2	61,2	24	1,4	1,3	4,1	7,9
Ноябрь	10,3	0,015		123,0	0,001	0,058		0,037	0,55	0,7	40,9	27	1,7	1,8	4,6	7,5
Декабрь	9,6		0,24	122,3			0,073	0,05	0,579	1,05	36,3	28	1,8	2,0	5,3	7,2

 

На основе «Санитарно-эпидемиологических правил и нормативов СанПиН 2.1.4.1074–01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству питьевой воды на предприятии разработана программа производственного контроля качества воды и согласована с органами Роспотребнадзора г.Серова».

Делаем вывод:

‒          жесткость воды находится в норме;

‒          окисляемость превышает допустимые показатели (5,0 мг/л) в апреле, мае, июне, июле, августе, сентябре и декабре месяце (май — 35,7 мг/л);

‒          содержание нефтепродуктов в воде соответствует норме;

‒          наличие железа в течение всего года выше нормы (0,3 мг/л);

‒          мутность в апреле, мае и июне также выше нормы (2,6 мг/л).

 

Таблица 4

Данные микробиологических исследований

№	Микроорганизмы	Вода из реки	Вода, поступающая в город
1	Общие колифорные бактерии	Присутствуют	Отсутствуют
2	Термотолерантные колиброрибные бактерии	Присутствуют	Отсутствуют
3	Споры сульфитредуцирующих клостридий	Присутствуют	Отсутствуют
4	Колифан	Присутствуют	Отсутствуют
5	Цисты лямблий	Присутствуют	Отсутствуют
6	Яйца гельминтов	Присутствуют	Отсутствуют
7	Вирусный гепатит А	Присутствуют	Отсутствуют
8	Ротавирусы	Отсутствуют	Отсутствуют

 

Анализируя данные в таблицах, можно дать следующую оценку диффузиционным процессам, которые повлияли на экологическое состояние реки Ляля: степень загрязнения реки средняя, имеется превышение допустимых норм качества воды, присутствуют тяжелые металлы, а также микроорганизмы, вредные для здоровья. Вода из реки Ляля без технологической обработки не пригодна для питья.

На карте хорошо видны процессы диффузии на реке Ляля (вид со спутника).

 

Об экологическом состоянии реки Ляля можно прочитать на страницах районной газеты «Обозрение»:

Новолялинский ЦБК сбросил в р.Ляля неочищенные промстоки (Свердловская область) 07.10.2013

По информации эколога МО «Новолялинский район» наблюдается высокая степень загрязнении реки Ляля сбросами сточных вод ОАО «Новолялинский целлюлозно-бумажный комбинат». Комиссией в составе специалистов СОГУ «Центр экологического мониторинга и контроля», ГУПР по Свердловской области и ФГУ «Специализированная инспекция аналитического контроля по уральскому региону» 24 сентября была проведена проверка. В ходе обследования установлено, что ЦБК сбрасывает загрязненные воды с хозбытовых очистных сооружений и промстоков. С целью устранения выявленных нарушений, предприятию рекомендовано все точки водосброса в реку Ляля оснастить водоизмерительными приборами, ликвидировать сброс загрязненных стоков без очистки с целлюлозного цеха и организовать контроль их токсичности и т. д.

Ещё одна статья:

Екатеринбург, 12 мая 2014, 15:16 — REGNUM Из-за промышленных сбросов Новолялинского целлюлозно-бумажного комбината в р. Ляля гибнет рыба. Как сообщил начальник Серовской межрайонной Госинспекции рыбоохраны по Свердловской области Борис Горев, рыбаки-любители г. Новая Ляля направили областным властям очередную жалобу на ОАО «Новолялинский Целлюлозно-бумажный комбинат». На этот раз рыбаки обратились в правительство Свердловской области с просьбой организовать «специальный строгий контроль за очистными сооружениями целлюлозно-бумажного комбината и сбросом загрязненных промышленных вод в р. Ляля»

Как сообщил председатель Новолялинского общества охотников и рыболовов Вадим Панов, рыба полностью перевелась в р. Ляля ниже по течению от стационарного места сбросов целлюлозно-бумажного комбината еще несколько лет назад. Однако в период нереста, когда заходит «пришлая» рыба, можно наблюдать ее массовую гибель и гниение трупов на берегах реки. По словам Вадима Панова, общественность города на протяжении последних пяти лет неоднократно тщетно обращалась в администрацию муниципалитета и природоохранным органам с просьбой принять кардинальные меры в отношении целлюлозно-бумажного комбината.

СПРАВКА:

Основная причина негативного воздействия на окружающую среду ОАО «Новолялинский ЦБК» заключается в использовании старых технологий и устаревшего оборудования. Большой объем сточных вод и высокая концентрация в них загрязняющих веществ (сульфаты, фосфор, хлориды, нефтепродукты и пр.) вынуждает использовать громоздкие очистные сооружения, сбрасывая при этом в реку недостаточно очищенные промышленные воды. ОАО «Новолялинский ЦБК» производит 37,4 % (9,196 млн. м3 в год) объема сброса загрязненных сточных вод в поверхностные водные объекты от общего сброса по отрасли.

Вывод: одна из причин загрязнения воды в реке — это промышленные стоки.

Перечисленные примеры доказывают вредное влияние диффузии на различные процессы, происходящие в природе на территории нашего города.

2.3. Социологическое исследование «Что ты знаешь о диффузии?»

Цель: привлечь внимание людей к экологической проблеме, узнать, что они знают о диффузии.

Содержание:

1.                Вы знаете, что такое диффузия?
2.                Играет ли диффузия какую-либо роль в природе?
3.                Влияет ли человек на процесс протекания диффузии в природе?
4.                Какова, на ваш взгляд, экологическая обстановка в нашей местности?
5.                Что вы делаете для улучшения экологической обстановки в нашем городе?

Варианты ответов на вопросы 1–4: Да. Нет. Не знаю.

Ответ на 5-й вопрос — каждый респондент мог высказать свое мнение.

Анализ результатов

Опрос проводился анонимно. Было опрошено 35 учащихся 7-х и 9-х классов. Результаты социологического опроса показали, что подростков волнуют проблемы экологии. «Что такое диффузия» — знают почти все. О роли диффузии в природе — тоже, некоторые приводили пример о выбросах вредных веществ. На вопрос: “Влияет ли диффузия на экологию?” утвердительно ответили 74 % и отрицательно –14 % школьников, 3 % ответили, что не знают.

На основании проведенного опроса можно сделать следующие выводы:

Учащиеся задумываются о влиянии человеческой деятельности на качество воздуха и воды, но отмечают, что по сравнению с крупными городами, экологическая обстановка в Новой Ляле благоприятная.

Заключение

Работая над проектом, удалось выяснить особенности протекания диффузионных процессов, узнали, что диффузия играет огромную роль в жизни человека и животных, без этого явления жизнь на Земле была бы невозможна.

Проведённые опыты и наблюдения, помогли нам узнать, что диффузия — временной процесс. Продолжительность диффузии зависит от температуры и агрегатного состояния вещества: чем выше температура, тем быстрее протекает процесс диффузии.

Изучая диффузию, ее роль в экологическом равновесии природы и факторы, влияющие на ее протекание в природе, мы пришли к выводу, что люди в результате своей деятельности часто оказывают негативное влияние на естественные процессы в природе, это проявляется в загрязнении природы.

 

Литература:

 

1. Алексеев С. В., Груздева М. В., Муравьёв А. Г., Гущина Э. В. Практикум по экологии. М. АО МДС, 1996 г
2. Рыженков А. П. Физика. Человек. Окружающая среда. М.Просвещение,1996
3. Перышкин А. В. Физика. 7 кл. — 14-е изд., стереотип. — М.: Дрофа, 2010.
4. http://www.zelife.ru — «Зелёная жизнь» — экологический портал.