MIRELA_TARNOVEANU

Cunoaterea mediului/tiine/didactica cunoaterii mediului i tiinelor n nvmntului primar i precolar

UNITATEA DE NVARE NR. 1 FENOMENE FIZICECuprins1.1 Obiectivele unitii de nvare .....................................................2 1.2 Masa. Volumul. Densitatea corpurilor ..........................................2 1.2.1 Masa .......................................................................................2 1.2.2 Volumul..................................................................................3 1.2.3 Densitatea ...............................................................................4 Test de autoevaluare nr. 1 ...............................................................6 1.3 Energia ..........................................................................................7 1.3.1 Forme de energie....................................................................8 1.3.2. Sugestii metodologice n preluarea noiunilor legate de energie la ciclul primar. Surse de energie Exemple de activiti..........11 1.3.3 Rolul resurselor regenerabile n activitatea de protecie a mediului. Exemple de activiti.................................................................19 1.4 Tunetul, Fulgerul i Ploaia ..........................................................21 1.4.1. Fulgerul care lovete n sus. ...............................................22 1.4.2. Cum afecteaz fulgerul lumea.............................................22 1.5. Eclipse ........................................................................................23 1.5.1. Eclipse de soare...................................................................23 1.5.2. Eclipsele de lun..................................................................24 Test de autoevaluare nr. 2 .................................................................24 1.6 Elemente de teoria haosului ........................................................24 1.6.1 Scurt istoric ..........................................................................24 1.6.2 Determinism, predictibilitate / impredictibilitate .................25 1.6.3 Descrierea comportamentului haotic. Atractori clasici i stranii.........................................................................................................28 1.6.4 Elemente de geometrie fractal. ...........................................31 1.7 Lucrare de verificare nr. 1. ..........................................................34 Rspunsuri la testele de autoevaluare. Sugestii.................................34 Rezumat.............................................................................................35 Bibliografie selectiv.........................................................................36 1

Mirela Trnoveanu

1.1 Obiectivele unitii de nvareDup parcurgerea acestei uniti de curs studentul va fi capabil:

S explice fenomenele fizice prin utilizarea corect a terminologiei de specialitate; S identifice surse de energie i s explice rolul resurselor regenerabile n activitatea de protecie a mediului; S utilizeze investigaia i experimentarea dirijat pentru evidenierea i explicarea unor procese fizice; S rezolve probleme cu caracter teoretic i aplicativ; S descrie fenomenele fizice din aceast unitate; S defineasc i s explice teoria haosului.

1.2 Masa. Volumul. Densitatea corpurilor1.2.1 Masa Un corp se afl n repaus ntr-un interval de timp oarecare dac, n orice moment din acel interval de timp, corpul ocup aceeai poziie fa de un corp referin. Un corp se afl n micare ntr-un interval de timp oarecare dac, exist momente diferite n acel interval de timp, n care corpul ocup poziii diferite fa de corpul de referin. Pentru a pune n micare un corp, pentru a-l opri sau pentru a-i schimba traiectoria trebuie s acionm asupra lui. La orice aciune exterioar care caut s-i schimbe starea de repaus sau de micare rectilinie uniform, corpul se opune, reacioneaz. Micarea rectilinie uniform este micarea n care traiectoria corpului este o linie dreapt i viteza este constant. Ineria este proprietatea unui corp de a-i menine starea de repaus sau de micare rectilinie uniform n absena aciunilor exterioare, respectiv de a se opune la orice aciune care caut s-i schimbe starea de repaus sau de micare rectilinie uniform n care se afl. Masa este mrimea fizic ce msoar ineria unui corp. Unitatea de msur este kilogramul. 2


Determinarea masei corpurilor Instrumentul utilizat pentru msurarea masei unui corp este cntarul de tip balan. Msurarea masei cu ajutorul balanei se numete cntrire. Aceasta const n compararea masei unui corp cu mase marcate (corpuri cu mase cunoscute a cror valoarea este nscris pe ele). Dou corpuri sunt n echilibru pe talerele unei balane dac au aceeai mas.

NU confundai masa cu greutatea unui corp! Greutatea reprezint fora cu care Pmntul atrage un corp G = m g. Se observ o proporionalitate direct ntre greutate i mas prin intermediul acceleraiei gravitaionale g = 9,81 m/s2. 1.2.2 Volumul Fiecare corp ocup un loc n spaiu ce reprezint volumul corpului respectiv. Unitatea de msur pentru volum este m3. n cazul corpurilor cu form geometric regulat, volumul se determin folosind diferite formule matematice (exemplu: volumul paralelipipedului, cubului, cilindrului, sferei). Volumul corpurilor cu form neregulat se determin cu ajutorul cilindrului gradat, procednd astfel: - se introduce ap n cilindrul gradat i se citete indicaia de pe cilindru care reprezint de fapt volumul apei din cilindru; - se introduce n cilindru cu ap, corpul al crui volum vrem s-l determinm i se citete noua gradaie a cilindrului care reprezint volumul apei din cilindru plus volumul corpului; - se scad cele dou valori citite pe cilindru i se determin volumul corpului din cilindru.

Aplicaii practice Experimentul 1. Ineria unui corp Cnd punem un pahar brusc n micare, apa se vars n spate, n sensul opus micrii, deoarece apa tinde s rmn pe loc, n repaus. 3

Mirela Trnoveanu Dac oprim brusc paharul, apa se vars n fa, n sensul micrii, deoarece apa tinde s-i continue micarea. n concluzie, corpurile se opun schimbrii strii de micare. Experimentul 2. Determinarea volumului unui corp solid Materiale necesare: cilindru gradat, ap, cheie; Determin volumul unei chei cu ajutorul cilindrului gradat folosind explicaiile de mai sus. 1.2.3 Densitatea

Aplicaii practice Experimentul 3. Masa corpurilor Materiale necesare: 2 cuburi cu acelai volum din materiale diferite (sticl i oel), balan sau cntar cu arc. Cum procedezi? - Msoar masa celor dou corpuri cu ajutorul balanei sau a unui cntar cu arc Ce observi? Noteaz observaiile. Cntrind cele dou cuburi ai descoperit c masa cubului de oel este mult mai mare dect masa cubului de sticl. Explicaia const n faptul c particulele de oel sunt mult mai apropiate unele de altele comparativ cu cele de sticl. Spunem c densitatea oelului este mai mare dect densitatea sticlei. Densitatea este o mrime fizic ce caracterizeaz substana din care este alctuit un corp. Densitatea este definit prin raportul dintre masa unui corp i volumul acestuia. Se noteaz cu iar unitile de msur sunt kg/m3 sau g/cm3. 1 kg/m3 este densitatea unei substane, dac un corp cu volumul de 1 m3 realizat n acea substan are masa de 1 kg. Densitatea apei este de 1000 kg/m3, adic 1 m3 de ap are masa de 1000 kg. Folosind tabelul de mai jos poi compara densitile unor substane: Substana Ulei alimentar Benzin Ghea Ap Lapte 4 800 800 917 1000 1030 Densitatea kg/m3


Sticl 2500 Aluminiu 2700 Oel 7800 Fier 7880 Argint 10500 Plumb 11350 Mercur 13550 Aur 19310 Platin 21460 Plumbul are densitatea mai mare dect argintul, fierul, oelul, aluminiul i sticla, dar mai mic dect densitatea platinei, aurului i mercurului. Datorit densitii mari pe care o are, plumbul este folosit ca material de protecie mpotriva radiaiilor (materialele radioactive se transport n containere speciale cptuite cu plumb). Aluminiul are o densitate mic, deci este foarte uor. n aliaje cu alte metale, el este folosit pentru construirea aeronavelor, a cror mas trebuie s fie foarte mic. Plutirea i scufundarea corpurilor Ai constatat, probabil, c un corp pare mai uor n ap dect n aer, c un corp din fier se scufund n ap n timp ce un corp din lemn plutete pe suprafaa apei. Pentru a scufunda o minge n ap trebuie s acionezi asupra ei cu o for. Atunci cnd este lsat liber mingea scufundat iese la suprafa. Un lichid exercit, pe suprafaa corpurilor cu care este n contact, fore de apsare datorate presiunii hidrostatice. Rezultanta tuturor forelor (de mpingere) cu care lichidul, datorit presiunii hidrostatice, acioneaz asupra unui corp scufundat n lichid se numete for arhimedic fora arhimedic are direcie vertical i sensul de jos n sus. Punctul de aplicaie al forei arhimedice se numete centru de presiune. El coincide cu centrul de greutate al corpului dac acesta este omogen i complet scufundat n lichid. Legea lui Arhimede: Un corp scufundat ntr-un lichid este mpins de jos n sus cu o for vertical numeric egal cu greutatea lichidului dezlocuit de acel corp. Toate corpurile sunt supuse gravitaiei (forei de atracie a Pmntului) i atunci cnd sunt introduse n ap. Dac greutatea corpului este mai mic dect fora arhimedic corpul urc la suprafa i rmne n echilibru fiind

5

Mirela Trnoveanu parial scufundat. Poriunea scufundat dezlocuie un volum de lichid a crui greutate este egal cu greutatea corpului. n acest caz corpul plutete. Vapoarele plutesc dei sunt confecionate din materiale a cror densitate este mult mai mare dect a apei. Datorit formei lor care asigur dezlocuirea unui volum foarte mare de ap i a prezenei unui numr mare de spaii pline cu aer, densitatea total a acestor vapoare este mai mic dect densitatea apei. Suprancrcarea vapoarelor poate duce la scufundarea lor. Din aceast cauz, fiecare vapor are gradat pe suprafaa lateral un semn care indic nivelul maxim de scufundare a vaporului ncrcat (linia de ncrcare, linia de plutire). Pentru determinarea densitii lichidelor se folosete un instrument special densimetru. Determinarea densitii are aplicaii n diferite domenii, de la verificarea calitii laptelui, la detrminarea coninutului de alcool al unei buturi, de la verificarea antigelului, la verificarea strii acumulatorului unui autovehicul. n medicin, msurtorile de densitate permit determinarea strii fluidelor din corp (sngele i urina). Deoarece densitatea sngelui crete cu creterea concentraiei hematiilor, o densitate mai mic a sngelui indic o anemie. Alte boli duc la eliminarea excesiv a srurilor din organism i pot fi depistate datorit creterii densitii urinei. Legea lui Arhimede este valabil i n gaze. Un balon umplut cu hidrogen sau heliu (gaze mai puin dense dect aerul) i lsat n aer, se ridic datorit forei arhimedice. Test de autoevaluare nr. 1

1. Dou corpuri au mase diferite i volume egale. Are densitatea mai mare corpul cu masa mai ........ 2. Dou corpuri cu volume diferite i mase egale. Are densitatea mai mare corpul cu volumul mai.......... 3. Care afirmaii sunt corecte: a. densitatea lichidului nu depinde de masa sa ; 6


b. densitatea lichidului nu depinde de volumul su; c. dublnd volumul lichidului se dubleaz densitatea sa; d. triplnd masa lichidului se tripleaz densitatea sa. Putei considera c lichidul este lapte (ulei). 4. Rspunde prin adevrat sau fals (1 sau 0) a. densitatea oelului este mai mare dect a mercurului; b. densitatea este o mrime fizic ce caracterizeaz substana din care este alctuit corpul; c. 1m3 de ghea cntrete tot att ct 1m3 de fier.

1.3 EnergiaEtimologic cuvntul energie provine din grecescul energheia activitate. Din punct de vedere fizic energia este msura general a diferitelor forme de micare ale materiei. Exprim capacitatea unui sistem fizic de a efectua lucru mecanic atunci cnd sufer o transformare dintr-o stare n alta. Diferitelor forme ale micrii le corespund diferite tipuri de energie (mecanic, electromagnetic, termic, chimic, nuclear etc.), iar echivalena energiilor, transformarea lor reciproc n raporturi determinate i-a fgsit expresia n legea conservrii i transformrii energiei. Deoarece micarea este un atribut al materiei, energia nu exist i nici nu poate exista separat de materie. Teoria relativitii restrnse a formulat relaia E = mc2 numit legea lui Einstein care fixeaz o legtur ntre energia E i masa m a unui corp, c fiind viteza luminii n vid. Dac fizica clasic consider c energia unui sistem fizic poate varia n mod continuu pentru diferitele stri n care se poate afla sistemul, mecanica cuantic arat c n majoritatea cazurilor, n domeniul atomic, energia variaz discontinuu, valorile ei pentru un sistem microfizic fiind termenii unui discontinuu (ex. Energia electronului n atom) Energia se msoar n Jouli (n sistem MKS), n ergi (n sistem CGS), n calorii n kilogram metri i multipli lor. n energetic se folosete mult unitatea kilowatt or (KWh).

7

Mirela Trnoveanu 1.3.1 Forme de energie Energia mecanic, energie a corpurilor raportabil la o stare de referin care difer de starea considerat exclusiv prin valorile mrimilor de stare geometrice i mecanice (mase inerte, poziia lor, viteza, etc.) Energia cinetic, energie a unui sistem fizic n care intervin numai mrimile se caracterizeaz starea de micare a corpurilor care alctuiesc sistemul. n cazul translaiei Ec = mv2, unde m este masa i v viteza corpurilor n cazul rotaiei n jurul unui ax Ec = i2 unde i este momentul de inerie n raport cu axa de rotaie, iar este viteza unghiular a sistemului. Energia potenial, energie pe care o posed un sistem fizic datorit interaciunilor ce depend numai de poziia relativ a corpurilor componente ale acelui sistem. Energia intern, reprezint suma energiilor cinetice i poteniale ale tuturor particulelor care constituie un sistem fizico-dinamic. Introducerea noiunii de energie intern a fost necesar pentru alctuirea bilanului energetic al unui process fizic, pe baza principiului I al termodinamicii. Energia eolian, energie mecanic a maselor de aer n micare, n atmosfer. Aceast energie poate fi folosit de nave cu pnze, de mori de vnt, de motoare eoliene. Energia hidraulic, energie mecanic cinetic sau potenial a maselor de ap. Ea poate fi folosit n turbine hidraulice la roi hidraulice etc. Energia de deformaie, energie acumulat de un material deformabil sub efectul unei solicitri. Dac deformaiile sunt elastice acest tip de energie poate fi recuperat cnd revine la forma i la dimensiunile iniiale. Energia de zcmnt, energie mecanic natural care condiioneaz curgerea hidrocarburilor fluide din zcmnt spre sonde sau spre galeria de drenare. Energia electromagnetic, energia sistemelor fizice a cror stare difer de starea de referin numai prin valorile de stare local ale cmpului electromagnetic. n general ea se descompune n doi termeni dintre care unul numit energie electric (depinde numai de mrimi electrice) iar al doilea numit energie magnetic (depinde numai de mrimi magnetice). Energia electric datorit calitilor sale remarcabile de a fi produs n cantiti mari din alte forme de energie, de a fi transmis economic la distane foarte mari, de a fi 8


distribuit economic la consumatori, de a fi transformat cu uurin n alte forme de energie, are n prezent o foarte larg utilizare n industrie, agricultur, transporturi, n consumul casnic. Energia luminoas, energie coninut n undele luminoase. Valoarea energiei luminoase depinde de cmpurile alternative, electric i magnetic, care constituie o astfel de und. Se transform uor n cldur, stimuleaz anumite reacii chimice sau poate fi convertit parial n energie electric (prin intermediul semiconductoarelor). Energie radiant, energie care se propag n spaiu sub form de radiaie. Poate fi de natur electromagnetic sau sonor. Enerigia nuclear, energie caracteristic proceselor din interiorul nucleelor atomice, considerabil mai mare dect energia caracteristic pturilor electronice ale atomului. Dac pentru ionizarea unui atom se cheltuiete o energie de civa electroni voli, pentru producerea unei transformri nucleare este nevoie de cel puin cteva milioane de electroni. n timp ce prin arderea unui kg de crbune se obin cel mult 8000000 de calorii, prin fisiunea complet a unui gram de uraniu 235 dintr-un reactor nuclear se obin c.c.a. 20 de miliarde de calorii. Un gram din acest material este energetic echivalent cu 2,5 tone de crbune. Energia de legtur, diferena dintre energia unui grup de particule legate una de alta i energia n starea n care particulele sunt separate ntre ele prin distane foarte mari (teoretic infinite). Cu ct energia de legtur este mai mare, cu att legtura dintre particule este mai puternic. Pentru molecula de hidrogen aceast energie este de 4,5 eV, la cea de clor este de 2,5 eV, iar pentru mercur este de 0,1 eV. n reaciile chimice care au loc cu emisiune de energie, aceasta se face pe seama energiei de legtur a moleculelor, iar n cazul reaciilor nucleare pe seama energiei de legtur a nucleelor. Energia de rezonan, energie cinetic a unei particule care va fi capabil sau mprtiat de obicei de ctre un nucleu, din cauz c nucleul compus care se formeaz prin unire cu particula conine un nivel energetic de rezonan, corespunztor valorii acestei energii. Energia sonor, energie coninut ntr-o poriune a unui mediu datorit undelor sonore care se propag prin el. 9

Mirela Trnoveanu Energia termic, energie asociat agitaiei termice a particulelor care alctuiesc corpurile. ntr-un gaz rarefiat la o anumit temperatur ea este egal cu energia cinetic total a moleculelor gazului; ntr-un cristal este egal cu enrgia micrii oscilatorii a atomilor, ionilor sau moleculelor care formeaz cristalul. Energie a combustibililor, energie degajat prin arderea combustibililor, ea este egal cu diferena dintre energia termic interioar a produselor de ardere n starea de la sfritul procesului i energia interioar a amestecului n starea anterioar aprinderii. Energia liber, parte din energia interioar a unui sistem fizic care, n procesele reversibile i izoterme se poate transforma n alte forme de energie exclusiv pe calea efecturii de lucru mecanic. Diferena dintre energia interioar a unui sistem i energia lui liber se numete energie legat (potenial termodinamic). Energie solar, energie emis de soare n ntreg domeniul radiaiei sale electromagnetice. Pmntul primete dou calorii pe centrimetru ptrat la distana medie Pmnt Soare n afara atmosferei ( perpendicular pe direcia razelor solare ) i pe minut. Energia solar este de natur termonuclear i se produce prin transformarea nucleelor de hidrogen n nuclee de heliu la temperaturi foarte nalte care ajung la 15 000 000 de grade n centrul soarelui. Ea st la baza celor mai multe forme de energie de pe Pmnt ( energie produs de cderile de ap, arderea crbunilor) Energia chimic, energie care se degajeaz sau se absoarbe n reaciile chimice. Este determinat de componena i structura chimic a substanelor. Se exprim ca diferena dintre energia produselor iniiale intrate n reacia chimic i energia produselor de reacie. Energia germinativ, nsuire a seminelor exprimat prin procentul de semine germinate ( normal n1/3 -1/2 ) din timpul stabilit pentru determinarea facultii germinative. Energia specific organelor de sim, teorie idealist subiectiv, formulat de naturalistul german J.P Mller de pe poziiile idealismului filozofic fiziologic. Potrivit ei, activitatea organelor de sim nu este determinat de realitatea obiectiv, ci de o energie proprie rupt n mod metafizic de lumea exterioar. n sprijinul teoriei sale, Mller a invocat 10


argumentul c, indiferent de natura excitantului, organele de sim produc constant aceeai senzaie ( ex. ochiul reacioneaz prin senzaii vizuale nu numai la excitanii optici, ci i la presiuni sau loviri ). Mller nu ine seama de faptul c nsi specializarea simurilor a fost determinat de adaptarea lor la nsuirile excitanilor specifici i c excitaii nespecifice ( ex. cele mecanice sau electrice n cazul ochiului) nu intervin dect n mod accidental (teorie criticat de V.I. Lenin n Materialism i empiriocriticism). 1.3.2. Sugestii metodologice n preluarea noiunilor legate de energie la ciclul primar. Surse de energie Exemple de activiti. Ce este energia ? Energia exist pretutindeni, ea este cea care face posibil tot ceea ce se ntmpl: micare, nclzire, iluminare, meninerea vieii. Tot ce se ntmpl n lume este ca urmarea schimburilor energetice. Dar, energia nu poate fi vzut, auzit, simit sau atins. Este invizibil, ns este fora care face viaa posibil. n jurul tu se petrece n permanen cte ceva. Fie bate vntul, sau mainile trec pe strad, fie oamenii vorbesc i circul. n timp ce citeti aceste rnduri, ochii ti se mic i sngele i circul prin corp. Forme de energie. n continuare putei afla mai multe despre diferitele tipuri de energie i despre felul n care acestea sunt utilizate:

Soarele degaj energie luminoas i cldur ; Apa n micare are energie mecanic, numit energie hidraulic ; Vntul, sau aerul n micare, are energie mecanic, numit energie eolian ; Crbunele nmagazineaz energie care n momentul arderii se transform n cldur ; Organismele umane i animale transform hrana n substane chimice, pe care le depoziteaz sub form de energie chimic. Alimentele sunt un depozit de energie chimic. Cu se msoar energia? Energia se msoar n uniti numite jouli (J) dup J.P. Joule, care a

descoperit c i cldura este un tip de energie. 11

Mirela Trnoveanu A. Surse de energie provenite de la Soare De timpuriu, omul a fcut toat munca cu puterea forei sale. Apoi, cnd a nvat cum s domesticeasc animalele, el a putut s antreneze cteva dintre ele astfel nct s aib muchii mai tari, dac ar fi avut de fcut o munc mai grea pentru el. Cnd omul a aflat despre simpla roat a nceput s foloseasc puterea vntului i a apei, mai ales la punerea n funciune a morilor de vnt i de ap. Obiective: s nvee mai multe despre energie i de unde vine ea; s neleag c Soarele este o surs primar de energie i care, transformndu-se, d natere altor surse de energie i care, transformndu-se, d natere altor surse de energie Lumina Soarelui ndreptai-v spre soare sau luai o poz cu Soarele. Lumina care vine spre pmnt de la Soare este energie pur. Soarele este sursa primar, originar de energie. Aproape toate sursele de energie au primit energia de la Soare. Materia organic, ca plantele, transform energia solar n frunze, flori i fructe. Animalele, care consum materia organic, transform energia n masa corpului. Cnd animalele mor, energia lor este descompus i dup mai mult timp se transform n petrol, crbuni sau gaze naturale. Energia soarelui, numit energie solar, poate fi transformat n energie electric prin celulele solare, sau poate fi utilizat direct pentru a nclzi apa. Unele case sunt nclzite de ctre Soare. Ele au panouri solare, care absorb energia Soarelui, chiar i pe timp noros. Hrana Luai un mr, portocal sau orice fruct sau legum. Hrana este o surs de energie folosit de ctre oameni. Hrana pe care o mncm este digerat i energia rezultat este folosit de ctre organism ca s bat inima, s pompeze sngele i corpul s creasc. Cnd corpul este slbit, el are nevoie s mnnce i s produc mai mult energie aa c putem continua s muncim, s ne jucm

Aplicaii practice

12


-

Facei o list cu animalele care sunt folosite la munc, precum crat, mpins, ridicat! De unde vine energia ce d muchilor fiinelor puterea s munceasc? Ce alte surse de putere mai folosete omul?

Uleiurile organice Uleiurile vegetale i animale au avut un rol important n istoria omenirii. Uleiurile vegetale, ca uleiul de msline, sau floarea-soarelui sunt folosite pentru gtit. Uleiurile animale, ca cel de balen, foc i pete erau folosite n trecut pentru lmpi de iluminat i pentru a impermealiza.

Aplicaii practice Pentru a observa modul de iluminare cu ajutorul uleiurilor luai un pahar cu ulei vegetal, introducei un fir de bumbac astfel nct un capt s fie scufundat n ulei iar cellalt s rmn afar. Aprindei captul exterior al firului. Acelai lucru putei ncerca aprinznd o bucic de grsime animal (de exemplu, slnin). Lemnul Lemnul vine de la copaci, care sunt desigur plante. Plantele iau energia de la Soare. Cnd copacii sunt tiai i ari, ei transform energia lor n cldur. Multe locuine sunt nclzite cu lemne de foc.

Aplicaii practice Luai o bucat de lemn de foc sau un chibrit i aprindei-l. Ce observai? B. Combustibili fosili Obiective: s cunoasc model de formare a combustibililor fosili s cunoasc modul de ntrebuinare a combustibililor fosili

O imens cantitate de energie este necesar pentru industrie i pentru a pune mainile n micare.

13

Mirela Trnoveanu n cea mai mare parte aceast energie este dat de trei tipuri de combustibili: crbunii, petrolul i gazele naturale. Aceti combustibili sunt utilizai la nclzitul locuinelor, pentru a produce energie electric i pentru circulaia autovehiculelor. La fel ca plantele descrise nainte, plantele vechi absorbeau energia solar i o transformau n frunze. Animalele vechi, ca dinozaurii, mncau plante. Cnd plantele i animalele au murit ele s-au colectat sub scoara pmntului i dup cteva milioane de ani au fost descompuse i transformate n crbuni, petrol sau gaze naturale. Crbunii Observai o bucat de mangal sau dac este posibil o bucat de crbune. Crbunii sunt ari pentru a nclzi locuinele i pentru funcionarea mainilor. Aprox. 20% din energia pe care o utilizm este provenit de la crbuni. Petrolul Luai o cantitate de motorin (de prefern n plastic transparent) astfel nct elevii s poat vedea uleiul. Alte produse petroliere similare cu motorina sunt arse de ctre motoarele mainilor i pentru nclzirea caselor. n jur de 45% din energia folosit provine din petrol.

tiai c.... Un avion supersonic polueaz la decolare ct 10000 de automobile la plecare? Cea mai lung conduct are o lungime de 2876 Km. Ea transport iei de la Edmonton, Canada, la Buffalo, SUA? Gazele naturale Gazul natural este folosit la nclzirea caselor multor oameni. Aproape 25% din energia pe care o folosim provine din gazul natural.

Energia nuclerar Puterea nuclear provine din substane radioactive. Aceasta produce mult mai mult energie dect orice alt surs de energie.

14


Aceast energie provine dintr-un combustibil numit uraniu, care este un metal rar, exploatat din mine. Energia nu se degaj prin ardere ci prin fisiunea atomilor de uraniu un proces asemntor procesului de spargere a unei picturi de lichid, n picturi mai mici, cnd volumul su crete. Acest proces este denumit fisiune. n timpul procesului de desprire a atomilor se degaj o cldur imens. Energia nuclear este utilizat la producerea curentului electric. Puterea nuclear nu polueaz aerul, dar pierderile radioactive sunt dezastruase pentru viei. Expunerea la materiale radioactive poate avea rezultat mutilarea, mbolnvirea sau chiar moartea. n urma producerii energiei nucleare, rezult deeuri nucleare, care emit radiaii timp de mii de ani. Radiaiile nucleare sunt duntoare vieii, de aceea sunt ngropate subteran.

Aplicaii practice Luai bricheta i aprindei-o! Combustibilul folosit de brichet nu este acelai cu gazul natural folosit pentru nclzirea caselor, dar bricheta poate fi folosit ca un exemplu. Care este sursa de energie folosit la meninerea flcrii? La ce se mai utilizeaz gazele naturale? C. Alte surse de energie. Energia alternativ Obiective: s neleag noiunea de surs de energie alternativ s cunoasc modul de utilizare a apei din punct de vedere energetic s cunoasc diferite instalaii de utilizare a forei vntului i rolul lor s cunoasc i alte modaliti de producere a energiei

Urmtoarele surse de energie nu provin de la Soare. Ele sunt derivate din alte aspecte ale ecosistemului terestru. Energia care nu provine din petrol, crbune, gaze naturale sau reacii nucleare poart numele de energie alternativ. n cea mai mare parte, ea este dat de ape, soare, vnt. Energia apei Apa nu este o surs de energie, dar este folosit pentru a genera energie. 15

Mirela Trnoveanu Energia de micare a apelor curgtoare este folosit de mii de ani. nc de acum 2000 de ani, oamenii au construit mori de ap de-a lungul rurilor. Apa ce cade de-a lungul unui deal este folosit pentru a pune n funciune turbinele care genereaz electricitatea. Aceasta este numit putere hidroelectric. n jur de 5% din energia din lume este produs acum de baraje hidroelectrice. Energia apelor curgtoare este acum utilizat pentru producerea curentului electric n hidrocentrale. Hidrocentalele asigur peste 6% din energia electric utilizat n prezent n lume. Rezervele de ap curgtoare nu sunt epuizabile, deoarece ele provin din ploi sau topirea zpezilor. ns, numai rile care au multe ape pot produce curent electric n acest fel. rile nordice, scandinave, america de Nord i Rusia produc mari cantiti de energie electric n hidrocentrale. Cele mai mari hidrocentrale de la noi din ar sunt cele de la Porile de Fier I i II, amplasate pe Dunre. Energia valurilor i a mareelor Energia valurilor a fost prima dat utilizat pentru a produce curent electric acum 20 de ani n Japonia. Energia mareelor poate fi utilizat la producerea energiei electrice. Eneriga mareelor este captat n spatele barajului i apoi i se permite s curg napoi prin turbine, prima central se acest fel a fost construit pe rul Rance, n Frana, n 1966. Ea furnizeaz energie electric unui ora cu 300 mii locuitori Dezavantajul acestei metode este, c barajele pot mpiedica micarea petilor ncoace i-ncolo prin ru pentru a ajunge la locul de depunere a icrelor sau pentru alte scopuri migratoare. Energie geotermal Un tip de energie similar provine din energia geotermal. Pungi (rezerve) de ap fierbinte subteran trimit aburi la suprafaa pmntului. Aceast ap fierbinte poate fi de asemenea folosit pentru a genera electricitate. n interiorul Pmntului, temperatura este ridicat i crete cu ct adncimea este mai mare. n unele locuri, apa de adncime nclzit, datorit 16


presiunii mari nete la suprafa. Acest tip de energie, numit energie geotermal, poate fi utilizat pentru termoficare i pentru producerea energiei electrice. Un izvor de ap fierbinte i vapori, care arunc apa pn la mare nlime, se numete gheizer. ara cu cele mai multe gheizere este Islanda. n aceast ar, mai mult de jumtate din populaie folosete ap cald din energia geotermal. Energia vntului (eolian) De mii de ani, energia vntului a fost folosit n navigaie i pentru a pune n micare morile de vnt. Vntul care se produce poate fi folosit s nvrt moara de vnt, care genereaz energie. Moara de vnt a fost folosit de secole n unele pri ale lumii unde exist vnturi puternice. Azi morile de vnt sunt folosite pentru a produce curent electric. Morile de vnt nu sunt poluante, dar sunt mari i fac zgomot. Pentru a da mari cantiti de energie electric, ele acapareaz terenuri extinse. ara care produce cea mai mult energie electric cu ajutorul morilor de vnt este Olanda, numit i ara morilor de vnt. Combustibili obinui din deeuri Acum noi putem extrage energie chiar i din gunoi! Gunoiul este ars pentru a facilita producerea energiei. Prin arderea sa apa din conducte este nclzit. Aceast ap fierbinte este folosit pentru producerea electricitii. Multe deeuri produc destul energie pentru a pune n funciune instalaiile i pentru a aproviziona cu mai mult energie comunitatea. Aceasta este o mic surs de energie, care ns e n continu cretere. Energie chimic Bateriile creaz energie prin reacii chimice cnd diverse substane chimice reacioneaz ntre ele, producndu-se energie. Cnd reacia nceteaz, bateria trebuie nlocuit. Bateriile sunt folosite la mainile cu motor i pentru mai multe mici aplicaii, ca de exemplu ceasuri, aparate auditive, jucrii. Fi de lucru Turnai ap dintr-un pahar n altul simulnd o cdere de ap.

17

Mirela Trnoveanu Observai micarea apei i imaginai-v puterea acesteia cnd volumul crete de mii de ori. Care sunt cele mai mari hidrocentrale din ara noastr? Unde sunt amplasate aceste hidrocentrale? De ce? Luai o moric de vnt i lovii-o! Gndii-v de unde vine energia care face ca morile de vnt s se nvrteasc? Pentru a rspunde la aceste ntrebri, gndii-v la ce determin ploaia. Luai o lantern i identificai sursa luminii pe care o produce. Electricitatea natural Benjamin Franklin a dovedit c fulgerul este electricitate n 1752, descoperirea lui i-a ajutat pe oamenii de tiin s nvee cum s exploreze i s genereze electricitatea prin alte metode. O descrcare electric (fulger) conine o cantitate mare de energie electric natural. Electricitatea nu a fost inventat. Ea a fost descoperit prima dat de ctre greci, acum 2000 de ani. ns abia acum 150 de ani, oamenii au nvat cum s o produc i s-o utilizeze. Electricitatea este o form de energie. Ea poate fi transformat n energie termic, energie luminoas i n energia sunetului. Mai poate fi transformat i n energie cinetic. Aceasta pune n funciune mainile.

tiai c.... Unele animale genereaz singure electricitate ? iparii electrici i imobilizeaz i prind hrana cu ajutorul electricitii. n cozile lor ei au destul energie electric pentru a aprinde 12 becuri. Aceti ipari pot omor chiar i oamenii. D. Electricitatea n jurul nostru Obiective : S cunoasc rolul electricitii n dezvoltarea uman ; S neleag modul de funcionare al unor aparate electrice cunoscute ;

18


-

S identifice materialele cu proprieti electrice sau care conduc electricitatea.

Gndii-v ct de des v uitai la televizor, aprindei lumina sau deschidei frigiderul! Toate acestea i multe altele sunt posibile datorit electricitii. Lumea ar fi total diferit fr electricitate. n mainile de clcat electrice, n sobele electrice i mainile de gtit electricitatea face ca o mic bucat de srm s devin fierbinte. Aceast srm este n aer, dar nu primete destul cldur s ard, astfel nct noi putem s o folosim mult timp. Fi de lucru Facei o list cu tot ce folosii de-a lungul unei zile cu ajutorul electricitii! Avei grij s nu omitei prea multe lucruri! Spre exemplu, nu uita c autobuzul cu care mergi la coal, nu ar funciona fr o scnteie electric n motor dac ar avea un motor Diesel, i presele care tipresc ziarele i revistele sunt conduse de motoare electrice. Lucrurile care conduc electricitate se numesc conductori. Lucrurile care nu conduc electricitatea se numesc izolatori. Facei o list de obiecte pe care le folosii n gospodrie sub cele dou cuvinte, dup cum urmeaz. Conductori Izolatori

1.3.3 Rolul resurselor regenerabile n activitatea de protecie a mediului. Exemple de activiti Unele resurse de energie sunt nlocuite n natur aproape la fel de repede precum sunt folosite i sunt numite resurse regenerabile Puterea apei, puterea vntului energia Soarelui i energia geotermal sunt exemple de surse de energie regenerabile.

Puterea apei este regenerabil prin cderea ploii. Puterea vntului este renoibil de fiecare dat cnd bate vntul. Energia solar este regenerabil cnd Soarele strlucete.

19

Mirela Trnoveanu

Energia geotermal provine din roci care se pstreaz fierbini de-a lungul anilor, n interiorul Pmntului.

Obiective: s identifice sursele de poluare ale mediului din surse energetice ; s neleag importana producerii energiei din surse regenerabile ; s neleag cum este poluat mediu prin arderea de combustibili fosili ; s compare resursele regenerabile i neregenerabile din punct de vedere economic i al proteciei mediului. Poluarea mediului de ctre unele surse de energie Pentru a obine energie din combustibilii fosili, acetia trebuie s ard. Cldura care rezult prin arderea lor poate fi folosit pentru a nclzi ceva sau pentru a pune n funciune un motor. Atunci cnd ard, combustibilii fosili murdresc sau polueaz aerul ; se degaj fum i gaze duntoare oamenilor, plantelor i animalelor. n procesul de ardere a benzinii n motoarele autovehiculelor rezult un gaz foarte nociv, numit monoxid de carbon. Particelele miniscule de funingine rezultate din arderea crbunilor murdresc aerul. Combustibilii poluani sunt: crbunii, petrolul, gazele naturale, lemnul, uraniul. n afara faptului c aceti combustibili polueaz aerul rezervele lor sunt limitate. De aceea oamenii caut noi tipuri de energie pentru a produce energie electric i pentru a pune n funciune mainile.

tiai c.... Prin arderea unui litru de benzin, se elimin n aer 400 g de hidrocarburi, 23 g de oxizi de azot, 1 g tetraetil de plumb. Fi de lucru Ce fel de probleme ar aprea dac fiecare locuin ar fi nclzit cu lemne? Calculai cantitatea de poluani rezultai n urma circulaiei autovehiculelor pe o distan de 1 km, ntr-o or, tiind c :

20


-

motoarele care funcioneaz cu benzin elimin n aer 2,2 g/km monoxid de carbon, 0,97 g/km oxizi de azot motoarele care funcioneaz cu motorin elimin n aer 0,98 g/km monoxid de carbon, 0,8 g/km oxizi de carbon, 0,4 g/km particule solide

Pentru acasta trebuie s : stabilii un punct de control, n apropierea colii sau n cartierul unde locuii ; numrai toate mainile care trec prin punctul de control ales, mprindu-le n dou categorii : maini care funcioneaz pe baz de benzin i maini care funcioeaz pe baz de motorin, timp de cel puin un sfert de or. Pentru nelegerea noiunilor prezentate observaiile directe n natur trebuie s constituie baza de plecare pentru educaia de protecie a mediului n coala general. De aceea profesorului i revine sarcina de a se sprijini pe cunoaterea orizontului local, unde se pot organiza i face observaii, exerciii i aplicaii practice.

1.4 Tunetul, Fulgerul i PloaiaFurtunile produc fenomene violente extrem de spectaculoase, declannd uriae scntei electrice, vnturi slbatice, gloane de ghea i chiar averse cu broate toate acestea, din doar trei ingrediente: cldur, aer i ap. Un trsnet poate conine pn la 100 000 de amperi la tensiunea de 1 milion de voli. Cltorind cu o vitez apropiat de a luminii, el nclzete aerul pn la 30 0000 C declannd o explozie pe care noi o auzim ca tunet. Furtunile iau natere cnd aerul fierbinte i umed care se ridic de la sol lovete aerul rece de sus i se condenseaz n nori cumulus n form de conopid. Acetia se transform n puternici nori de furtun cumulonimbus, care se ntunec pe msur ce coninutul de picturile de ap devin tot mai dense. Cnd picturile de ploaie i particulele de ghia din nor se ciocnesc ntre ele, creeaz electricitate. Sarcinile electrice transform norul de furtun ntr-o imens baterie pufoas, cu o sarcin pozitiv n partea de sus i una negativ n partea de jos.

21

Mirela Trnoveanu Electricitatea devine att de intens, nct trebuie s se elibereze cumva, i sarcinile din partea de jos a norului ajung pe sol sub forma unei uriae scntei. Uneori o descrcare se face n mai multe ci, producnd fenomenul numit fulger bifurcat. Trsnetele din interiorul norilor sau dintre ei se numesc perdea de fulgere i se vd de pe sol ca nite flashuri. 1.4.1. Fulgerul care lovete n sus. S-au constatat fulgere care lovesc att n sus, din nori de furtun, ct i n jos. n 1993, s-au vzut lumini colorate nind din partea de sus a unor nori de furtun meduze portocalii cu tentacule albastre, nori de lumin albastr i uriae globule roii. Aceste spectacole de fulgere au fost denumite nluci. Ele se ridic pn la 95 km. pe cer, lovind fie separat fie n roiuri. Mai rare sunt fasciculul de lumin albastr care nete cu 95 km/h denumit jet i discurile explozive de lumin denumite spiridui. Toate se produc n cmpurile electrice puternice de deasupra furtunilor. Lumina fulgertoare. Fulgerul globular poate ptrunde n cldiri fr s produc pagube, dei au fost cazuri cnd a explodat n flcri. 1.4.2. Cum afecteaz fulgerul lumea Dei poate s ucid, s provoace incendii i s distrug aparatura electric, fulgerul poate fi i o for a binelui. Descrcnd electricitate din aer pe pmnt, el contribuie la dispersarea uriaelor sarcini electrice din atmosfer. Totodat fulgerul ngra solul. Imensa lui cldur transform azotul i oxigenul din aer n oxid i bioxid de azot, ngrminte naturale care intr n sol odat cu ploaia. Anual, pe tot globul, fulgerul produce pn la 15 milioane de tone ngrminte cu azot, un sfert din azotaii produi n lume de natur. Copacii i pdurile sunt, de asemenea, beneficiari. Trsnetele incendiaz pduri ntregi i focul transform vegetaia n cenu bogat n minerale, care ngra solul. Ba chiar stimuleaz unele semine s germineze. n pdurile dese, incendiile cur solul i contribuie la regenerarea zonelor mpdurite.

22


Efectul dramatic.

Fulgerul lovete solul de 100 de ori la fiecare

secund pe tot globul. Predomin la tropice .

1.5. Eclipsen inima sistemului solar se afl soarele, un furnal gigantic, alimentat de un reactor termonuclear. Este o stea cu accese de furie brute i violente, care pot tulbura delicatul echilibru al vieii pe pmnt, producnd haos n spaiul cosmic. Soarele fi de date

distana fa de pmnt 149 600 000 Km ; lumina Soarelui ajunge pe pmnt n 8 minute i 18 sec; diametru aproximativ 1 392 000 Km de 109-ori mai mare dect al Pmntului; circumferina este de aproximativ 4 373 000 Km; masa 2 miliarde de miliarde de miliarde de tone de 330 000 de ori mai mare dect cea a Pmntului. Soarele reprezint 99,8 % din masa sistemului solar ( Jupiter reprezint aproape tot restul ). rotaii: circa 25 de zile la ecuator i 36 de zile lng poli.Este rezultatul compoziiei gazoase. temperatura la suprafa este de 5 5000C; temperatura n miez 15 milioane grade C; gravitaia de suprafa este de 38 de ori mai mare dect cea a Pmntului; vrsta: aproximativ 4,6 miliarde de ani; sperana de via: probabil nc 5 miliarde de ani pn va ncepe s se sting; compoziia chimic: 92,1 % hidrogen, 7,8 % heliu; restul aproximativ 0,1 % oxigen, carbon, azot i neon. clasificare: stea G2 relativ mic, galben.

1.5.1. Eclipse de soare ntuneric n plin zi cnd soarele e umbrit. Cerul se ntunec, apar stelele i planetele noaptea pare s se fi lsat mai devreme.

23

Mirela Trnoveanu Doar dup cteva secunde sau minute, se face din nou lumin, de parc nu s-ar fi ntmplat nimic.Aceasta este o eclis de soare. Eclipsele totale de soare au loc o dat la 18 luni, cnd Luna trece prin faa Soarelui i arunc o umbr peste Pmnt. n punctul n care Luna acoper Soarele, nu mai vedem n jurul umbrei negre a Lunii dect atmosfera extrem a Soarelui, numit coroan. Umbra Lunii. O eclips solar este atunci cnd Luna trece printre Pmnt i Soare, ne ofer ansa de a vedea coroana Soarelui. 1.5.2. Eclipsele de lun Eclipsa face luna s roeasc. Aproximativ o dat la ase luni, o umbr trece peste lun. De obicei ntunec doar parial Luna, dar din cnd n cnd o ntunec complet. Aceasta este eclips de lun. Ea are loc cnd Pmntul trece printre Lun i Soare, obturnd fia de lumin solar de pe suprafaa Lunii. Una dintre ciudeniile eclipsei de lun este c Luna pare s se nroeasc. Fenomenul este produs de faptul c atmosfera Pmntului refract razele Soarelui care lumineaz suprafaa Lunii la fel cum o lentil sau o prism refract raza de lumin. n timpul unei eclipse de Lun, vzut aici n etape, Pmntul trece printre Soare i Lun, aruncnd o umbr pe suprafaa Lunii.

Test de autoevaluare nr. 21. 2. 3. Definii trei forme de energie. Dai minim 3 exemple de uniti Care este efectul benefic al fulgerului? Explicai eclipsa de soare sau lun. de msur a energiei.

1.6 Elemente de teoria haosului1.6.1 Scurt istoric Opinia majoritar consider c n secolul al XX-lea au fost, n fizic, 3 momente de vrf: mecanica cuantic, teoria relativitii i teoria haosului. Termenul de teoria haosului a fost introdus de Jim Yorke, matematician la Universitatea din Maryland, SUA. 24


Teoria haosului a nceput s se dezvolte din 1961 cnd Edward Lorenz a descoperit efectul fluture (butterfly effect) n cursul studiilor sale viznd prevederea evoluiei n timp a condiiilor atmosferice. Acest efect va fi explicat i el n acest capitol. Un alt om de tiin care a contribuit n mod semnificativ la dezvoltarea teoriei haosului a fost Benoit Mandelbrot. El a nceput s dezvolte matematica fractalilor, termen pe care l-a introdus n 1975. geometria fractalilor (geometria haosului), dezvoltat de el, nu explic comportarea haotic a unor sisteme, ci o descrie i o ilustreaz grafic. Prin haos se nelege n mod obinuit dezordine, evenimente aleatorii. n sens tiinific, prin teoria haosului (numit, mai adecvat, dinamic neliniar) se nelege teoria sistemelor, n principiu deterministice, care au o mare sensibilitate la condiiile iniiale. Acestea pot conduce, datorit ecuaiilor neliniare de evoluie, la comportamente distincte, divergente, complet diferite. Exemple de astfel de sisteme: atmosfera, plcile tectonice, economia, populaiile, circuite electrice, laseri, sistemul cardio-vascular, creierul, reacii chimice etc. Teoria haosului este o denumire utilizat pentru desemnarea unei discipline tiinifice n plin dezvoltare, ale crei limite nu pot fi nc precizate. Specificul acestei teorii este c descrie comportarea unor sisteme fizice neliniare. Fizica studiat pn acum, de exemplu mecanica newtonian, este n esen liniar: fiind precizate condiiile iniiale i ecuaiile de micare vezi micarea liniar, uniform sau accelerat se pot deduce toate concluziile privind fenomenele respective. Observaie: prima conferin internaional privind teoria haosului a fost organizat n Italia n 1977. Ilya Prigojin a primit Premiul Nobel, n anul 1977, pentru studiul structurilor disipative. Este considerat un fondator al teoriei haosului. 1.6.2 Determinism, predictibilitate / impredictibilitate Determinismul este concepia filozofic, ale crei origini dateaz din antichitate, conform creia orice eveniment fizic sau aciune sau fenomen (efect) sunt determinate de evenimente sau aciuni (cauz) care au avut loc la un moment de timp anterior. n tiina modern determinismul a fost ncorporat 25

Mirela Trnoveanu n jurul anului 1500 prin acceptarea ideii c regulile de tip cauz efect determin complet orice micare i structur la nivel fizic. Un prim model concret, complet i consistent este mecanica newtonian. Newton a formulat un set de principii care permit descrierea, cu precizie, a micrilor care au loc ntr-o diversitate de sisteme: micarea unui proiectil la suprafaa Pmntului, micarea planetelor n jurul Soarelui, generarea i ciclicitatea mareelor, etc. Legile lui Newton sunt un exemplu convingtor de legi dinamice: valorile numerice ale msurtorilor efectuate la un moment dat de timp (condiii iniiale) determin valorile lor la orice moment ulterior. Sistemele fizice guvernate de astfel de legi dinamice sunt numite predictibile. Ai studiat anterior astfel de sisteme: micarea rectilinie uniform, respectiv, uniform accelerat a punctului material, micarea circular, oscilatorul armonic, aruncarea pe oblic etc. Legile lui Newton (principiile mecanicii newtoniene) au caracter determinist deoarece, pentru orice sistem fizic studiat, ele arat c pentru aceleai condiii iniiale se obin ntotdeauna, pentru un moment de timp ulterior, aceleai rezultate. Condiiile iniiale poziia unui corp (descris, de exemplu, de modelul punctului material) ntr-un sistem de referin dat, viteza corpului ct i alte caracteristici fizice cum sunt masa acestuia, fora care acioneaz asupra sa sunt determinate prin msurtori. Experimental se constat c aceste msurtori au ntotdeauna o precizie finit. Rezultatul msurtorii unei mrimi fizice este ntotdeauna aproximativ, adic include o anumit incertitudine (o anumit eroare de msur). ntr-un caz concret oarecare, folosind un aparat de msur mai precis se poate obine un rezultat cu o incertitudine mai mic. Chiar dac s-ar utiliza un aparat de msur perfect (ideal) rezultatul msurtorii ar avea, totui, o precizie finit. O precizie infinit (deci un rezultat exact al msurtorii) ar presupune obinerea unei valori numerice cu un numr infinit de zecimale, ceea ce este practic irealizabil. Deoarece valorile mrimilor care reprezint condiiile iniiale i alte caracteristici fizice ale sistemului studiat pot fi msurate numai cu o precizie finit rezult c ecuaiile de micare dei complet detrministice vor conduce, pentru un moment de timp ulterior dat, la rezultate fizice diferite. 26


Folosind principiile mecanicii newtoniene i legea atraciei universale a putut fi descris micarea Pmntului n jurul Soarelui sau a Lunii n jurul Pmntului. Observaie: n cazul micrii Pmntului n jurul Soarelui, el este numit atractor. Relevana denumirii va deveni clar n cele ce urmeaz. n prezent se consider c atmosfera este cel mai complex sistem cunoscut. Comportarea acesteia (descrierea precis a evoluiei vremii) necesit un model care trebuie s pstreze toate caracteristicile sistemului. De aceea descrierea precis a vremii este practic imposibil; tot ce se poate obine este numai prezicerea vremii probabile. Din punct de vedere matematic sistemele complexe sunt descrise de ecuaii neliniare. De aceea astfel de sisteme mai sunt numite i sisteme neliniare. Una dintre caracteristicile eseniale ale sistemelor complexe este imprectibilitatea. Aceasta este generat de sensibilitatea la condiiile iniiale. Aceasta nseamn c, n cazul unui sistem complex, modificri orict de mici ale condiiilor iniiale conduc la un moment ulterior dat la rezultate diferite (stri ale sistemului cu totul diferite), spre deosebire de cazul sistemelor liniare unde mici schimbri ale condiiilor iniiale conduc la un moment ulterior dat la rezultate complet diferite (stri ale sistemului cu totul diferite), spre deosebire de cazul sistemelor liniare unde mici schimbri ale condiiilor iniiale conduc la rezultate care difer la fel de puin. Acest fenomen este numit efectul fluture (butterfly effect). Teoretic, neglijarea unei bti din aripi a unui fluture aflat ntr-un anumit loc poate s conduc la imposibilitatea modelului de a prezice o furtun sau alt efect ntr-un loc ndeprtat ( a se vedea observaia de mai sus). Concluzie: sistemele cu comportare haotic, dei deterministe (descrise de ecuaii specifice, neliniare) sunt sensibile la condiiile iniiale: o mic modificare a condiiilor iniiale poate conduce la comportri ulterioare complet diferite.

27

Mirela Trnoveanu 1.6.3 Descrierea comportamentului haotic. Atractori clasici i stranii. Pentru diverse sisteme fizice spaiul fazelor poate avea cele mai diferite forme. Unele cazuri concrete vor fi vizualizate n continuare. Spaiul fazelor permite i vizualizarea conceptelor studiate n seciunile anterioare. n figura 1 este ilustrat comportarea unui sistem cu evoluie predictibil. Dup cum se observ din figur, pornind din 3 puncte diferite stri iniiale diferite sistemul fizic considerat evolueaz n timp pe traiectorii similare n spaiul fazelor. Aceasta nseamn c sistemul fizic respectiv are aceeai comportare n timp indiferent de starea iniial. Un astfel de sistem are deci o comportare predictibil.

Fig.1 Comportarea unui sistem cu evoluie predictibil n spaiul fazelor.

Un alt tip de comportare previzibil este ilustrat n figura 2. pornind din stri complet diferite (puncte figurative deprtate unul de altul: A,B,C) starea sistemului evolueaz n timp ctre o aceeai stare final indiferent de starea iniial a sistemului. Aceast situaie conduce la concluzia c starea final n care ajunge sistemul este o stare de echilibru, n timp ce strile iniiale A, B, C, sunt stri departe de echilibru. C

A

BFig. 2 Sistem cu comportament predictibil

n cazul altor sisteme se constat c, pornind din stri apropiate (puncte configurative vecine n spaiul fazelor), sistemul evolueaz n timp pe traiectorii complet diferite, avnd deci o comportare sensibil la condiiile iniiale figura 3. O astfel de comportare care transform, n cursul evoluiei sistemului, diferene foarte mici ale condiiilor iniiale n diferene foarte mari 28


de stare la momente ulterioare este o caracteristic a sistemelor haotice. Aceast situaie n care starea sistemului la momente ulterioare este mpredictibil (deoarece starea iniial nu poate fi msurat dect aproximativ, deci cu o precizie finit) exprim sensibilitatea la condiiile iniiale caracteristic sistemelor haotice. Aa cum se vede n figura 2 indiferent de starea iniial a sistemului, dup trecerea unui interval de timp, mai mic sau mai mare, sistemul ajunge ntr-o aceeai stare final de echilibru. Punctul figurativ al acestei stri finale, este numit atractor punctiform. De exemplu, un corp lsat liber cade pe sol unde se oprete i rmne n stare de repaus. Punctul figurativ din spaiul fazelor corespunztor poziiei corpului n repaus pe sol este un atractor punctiform. Atractorii reprezint strile n care se fixeaz sistemele complexe n final, n funcie de proprietile lor.

Fig.3 Sistem cu comportament impredictibil

Un alt tip de atractor este atractorul periodic, numit uneori i ciclu limit. Un atractor periodic determin sistemul s parcurg (la infinit) o bucl nchis de stri n spaiul fazelor. De exemplu, n cazul micrii unei planete n jurul Soarelui pe o orbit eliptic, Soarele este un atractor periodic. Observaie: Uneori termenul de atractor periodic este neles ca fiind mulimea ciclurilor repetate de stri parcurse de sistem. n exemplul precedent aceasta este mulimea orbitelor identice parcurse de planet n jurul Soarelui. n cazul micrilor haotice se manifest un al treilea tip distinct de atractor: atractorul straniu. Atractorul straniu arat simplu, micarea lui este dependent de condiiile iniiale i unete efecte contradictorii. Un exemplu de atractor straniu este atractorul Lorenz. Aici i n continuare mulimea traiectoriilor parcurse de sistem n spaiul fazelor.

29

Mirela Trnoveanu Observaie: n realitate atractorul Lorenz este tridimensional. Pentru simplitate, este prezentat numai o proiecie bidimensional.

Experiment virtual. La adresele http://www.cmp.caltech.edu/~mcc/chaosnew_lorenz.html sau http://www.apmaths.uwo.ca/~bfraser/nll/version1/lorenzsimulate.html putei gsi animaii care ilustreaz generarea atractorului Lorenz, pornind de la un moment iniial.

Experiment virtual. La adresa: http://brain.cc.kogakuin.ac.jp/~kanamaru/Chaos/e/Lorenz/ Putei gsi o animaie care ilustreaz generarea 3 D a atractorului Lorenz, pornind de la un moment iniial.

Experiment virtual. La adresa:http://ccrma-www.stanford.edu/~stilti/images/chaotic_attractors/poly.html

putei vizita o galerie de atractori stranii. Atractorul Lorenz reprezint comportarea unui gaz la un moment oarecare de timp atunci cnd acesta depinde de starea gazului la momentul anterior i este descris de ecuaii neliniare. Observaie: Cele mai simple exemple de ecuaii neliniare sunt cele polinomiale. Ele conduc la rezultate fascinante aa cum se poate vedea la adresa de la ultimul experiment virtual propus. Originea sa poate fi explicat pe un model simplu. Acest model a fost formulat de Eduard Lorenz n 1963 n cursul studiilor sale privind prevederea timpului probabil pe termen lung. Acest model este dezvoltat pe baza unor ipoteze simplificatoare privind comportarea atmosferei. S presupunem c incinta conine un gaz omogen. Pe suprafaa superioar a incintei se pune o surs de cldur. Gazul mai cald urc iar cel mai rece coboar. La anumite temperaturi gazul va efectua micri circulare, ca n 30


figur. Dac se menine constant temperatura peretelui superior este de ateptat ca micarea circular a gazului s fie regulat i predictibil. n realitate se constat c micarea gazului este haotic: gazul se rotete un timp ntr-o direcie, pentru ca apoi s se opreasc i s nceap s se roteasc n direcia opus. Apoi, dup un timp, gazul ncepe s se roteasc din nou n sensul iniial; aceste modificri ale sensului de rotaie (fluctuaii) continu un timp nedeterminant cu viteze impredictibile. Modelul dezvoltat de Lorenz este un model matematic bazat pe un sistem de ecuaii difereniale ceea ce face imposibil prezentarea lui n cadrul acestui curs. Pentru vizualizarea altor atractori putei accesa adresele de internet menionate anterior. 1.6.4 Elemente de geometrie fractal. Atractorii stranii au o structur fractal. Noiunea de fractal a fost introdus de Benoit Mandelbrot pornind de la adjectivul latinesc fractus. Verbul latin corespunztor frangere nseamn a rupe, a sparge pentru a crea fragmente neregulate. ntr-unul dintre eseurile sale, Mandelbrot se ntreba:Ct de lung este coasta britanic?. Ideea ar fi c n funcie de dimeniunea instrumentului utilizat, lungimea va fi mai mare atunci cnd se va utiliza un instrument mai mic. n natur exist o mulime de fractali. Pentru corectitudine menionm cteva exemple: linia care separ rmul unei insule de apa mrii (linia de coast), distriuia cutremelor pe Pmnt, forma munilor, forma rurilor etc. Definiie: Se numete fractal ( n cel mai elementar sens) un model (schem, structur) care se dovedete din ce n ce mai complex pe msur ce este mrit (dilatat).

Experiment virtual. La adresa: http://classes.yale.edu/fractals/Panorama/Nature/NatFracGallery.html putei vizualiza muli fractali din natur.

31

Mirela Trnoveanu

Experiment virtual. La adresa: http://www.coolmath4kids.com/fractals.html putei vizualiza fractali generai n mediul virtual. Fractalii sunt forme geometrice care contrar celor ale lui Euclid, nu sunt deloc regulate. n primul rnd, sunt neregulate peste tot. n al doilea rnd au acelai grad de neregulariate la orice scar. Un obiect fractal arat la fel cnd este examinat de departe sau de aproape este selfsimilar spunea Benoit Mandelbrot. n continuare vom studia cum se pot genera fractalii i vom studia unele dintre proprietile acestora. Vom studia dou exemple simple: triunghiul Sierpinski i curba Koch. S considerm un triunghi echilateral. Se duc nlimile din cele trei vrfuri. Se unesc mijloacele celor trei laturi i se obin 4 triunghiuri mai mici cu laturile egale cu jumtate din lungimea laturilor triunghiului iniial (b) Se reitereaz procedura i se obin triunghiurile (c). Acesta este modul de a genera triunghiul Sierpinski. Procedura se poate repeta n continuare, obinndu-se din ce n ce mai multe triunghiuri din ce n ce mai mici (d).... a b

c

d

Fig. 4 Generarea triunghiului Sierpinski

Vom construi acum curba Koch, numit i fulgul de zpad al lui Koch. Se pornete cu un triunghi echilateral. Se mparte fiecare latur a triunghiului n trei pri egale. Se scot segmentele de la mijlocul fiecrei laturi i se nlocuiesc cu dou linii, de lungime egal cu cea a segmentului scos, aezate la

32


un unghi de 60o una fa de cealalt i se obine figura 5, continund procedura se obine fulgul Koch cu zigzaguri din ce n ce mai mici.

Fig. 5.Generarea fulgului de zpad Koch

Observaie: Ai vzut astfel modul de a construi iterativ dou cazuri de fractali. Pentru a obine un numr ct mai mare de iteraii este necesar s se utilizeze calculatorul. S considerm acum self-similaritatea fractalilor. n cazul triunghiului Sierpinski, se pornete cu un triunghi echilateral. Prin procedura descris mai sus se obin, iterativ, figuri care conin n interiorul triunghiului iniial triunghiuri similare din ce n ce mai mici. Toate acestea sunt similare cu triunghiul iniial. Aceasta nseamn c triunghiul Sierpinski are proprietatea de self-similaritate. S studiem n final care este dimensiunea unui fractal. Un punct nu are dimensiune (nu are lungime, nici lime, nici nlime). O linie are dimensiunea 1 (are numai lungime). Un dreptunghi are dimensiunea 2 (are lungime i lime, dar nu are nlime). Un paralelipiped are dimensiunea 3 (are lungime, lime i nlime). n toate aceste cazuri de figuri geometrice dimensiunea este un numr ntreg. Fractalii au dimensiune fracionar. De exemplu, un fractal poate avea dimensiunea 2,2. cum este posibil o astfel de situaie vom vedea n cele ce urmeaz. n cazul triunghiului Sierpinski, conform figurii 4 b, avem 3 triunghiuri mici (cele cu fond gri) factorul de amplificare fiind 2. din ele, amplasndu-le n jurul triunghiului alb (numit iniiator) se obine triunghiul mare figura 4 a. Observaie: Triunghiul alb din figura 4 b, nu este self-similar cu celelalte trei triunghiuri (are vrful orientat n jos i nu n sus).

33

Mirela Trnoveanu Dimensiunea D5 a triunghiului Sierpinski este atunci: D5 = log (numrul de triunghiuri similare) / log(factorul de amplificare) = log 32/log22 = log3/log2 1,585. n mod analog, n cazul din figura 4 c, se obine: D5 = log (numrul de triunghiuri similare) / log(factorul de amplificare) = log 32/log22 = log3/log2 1,585. n concluzie, dac o linie are dimensiunea 1, iar un ptrat dimensiunea 2, triunghiul Sierpinski are dimensiunea 1,58 cuprins ntre cele dou valori ntregi. Dimensiunea fractal este o dimensiune fracional caracteristic specific fractalilor. Studiul unor sisteme cu comportament haotic. Cteva sisteme din lumea real care se comport haotic. Vom ncepe prin a sulinia nc o dat faptul c suntem alctuii dintr-o multitudine de structuri fractale: de la sistemul circulator la cel limfatic, plmnii, sistemul muscular, rinichii, creierul, intestinul subire. Aceste structuri au posibilitatea de ase autoreproduce. Astfel, o parte dintre ele pot fi afectate sau pierdute fr consecine grave. Graie existenei structurilor fractale, se mresc suprafeele de schimb necesare colectrii, absoriei i eliminrii toxinelor i a fluidelor vitale.

1.7 Lucrare de verificare nr. 1. Rspunsuri la testele de autoevaluare. Sugestii1. Ce nelegei prin haos? 2. Cum definii fractalii? 3. Ce exemple de fractali din natur cunoatei? 4. Explicai dup vizitarea site-urilor indicate un fenomen haotic? Test de autoevaluare nr 1 1. mare - vezi definirea noiunilor de densitate 2. mic - vezi definirea noiunilor de densitate 3. a) A; b) A; c) F; d) F 4. a) F; b) A; c) F. Vezi tabelul din paragraful 1.2.3 5. Rspunsul se gsete n paragraful 1.3.1 34


Test de autoevaluare nr 1 1. Vezi paginile cursului cu definiiile diferitelor forme de energie 2. Rspunsul se gsete n paginile paragrafului 1.4.2 3. Rspunsul se gsete n paragraful 1.5.1 sau 1.5.2. Sugestii de notare pentru lucrarea de verificare: Un punct din oficiu 4 x 2,25 p fiecare (1 4) Timpul alocat parcurgerii unitii de curs 4 x 50 min Timp alocat testelor de autoevaluare 2 x 10 min

RezumatIneria proprietate a unui corp de a-i menine starea de repaus sau de micare rectilinie uniform n absena aciunilor exterioare, respectiv, de a se opune la orice aciune care caut s-i schimbe starea de repaus sau de micare rectilinie n care se afl; Masa mrimea fizic ce msoar ineria unui corp; Greutatea fora cu care Pmntul atrage un corp; Volumul spaiul ocupat de un corp; Densitatea mrimea fizic definit prin raportul dintre masa i volumul unui corp; Legea lui Arhimede un corp scufundat ntr-un lichid este mpins n jos cu o for vertical numeric egal cu greutatea lichidului dezlocuit de acel corp; Energia; Tunetul, Fulgerul i Ploaia; Eclipse; Elemente de teoria haosului:

Prin haos se nelege n mod obinuit dezordine, evenimente aleatorii. Teoria haosului (dinamic neliniar) este teoria sistemelor, care au o mare sensibilitate la condiiile iniiale. Haosul nseamn un fel de ordine fr periodicitate.

35

Mirela Trnoveanu

Sistemele haotice au comportament instabil, aperiodic descris de dinamica neliniar. Evoluia n timp a strii unui sistem haotic este descris prin traiectoria punctului figurativ din spaiul fazelor. Atractorii stranii au o structur fractal. Fractalul este un model (schem, structur) care se dovedete din ce n ce mai complex pe msur ce este mrit (dilatat). Fractalii prezint n mod uzual proprietatea de self-similaritate. Teste de autoevaluare i lucrare de verificare.

Bibliografie selectiv1. Constantin Mantea, Mihaela Garabet, Fizica Manual pentru clasa a XI-a, Editura All, Bucureti, 2006. 2. Carmen ic, tiine i cunoaterea mediului, Didactica n nvmntul primar i precolar, M.E.C., PIR 2007 3. Michael Bright, David Burnie, .a., 1000 de miracole ale Naturii, Editura Readers Digest, Londra 2001 Bucureti, 2006. 4.Crocnan Daniel Ovidiu, Huanu Elena, Manualul nvtorului, clasa a III-a, Editura Didactic i Pedagogic, R.A., Bucureti, 2001, p5-14; 5. Crocnan Daniel Ovidiu, Huanu Elena, Manualul nvtorului, clasa a IV-a, Editura Didactic i Pedagogic, R.A., Bucureti, 2002, p4-10; 6. Pacearc tefan, Constantinescu Rodica, Popescu Maria-Luizatiine, clasa a IV-a, Editura Cartea Universal, 2003; 7. Bogheanu Maria Magdalena, Ilarion Niculina, tiine ale naturii, clasa a IV-a, experimente, evaluare, autoevaluare, Editura Humanitas Educaional, 2002; 8. Prial Viorica, Prial Dumitru, Filoti Carmen, 2002. tiine ale naturii, auxiliar pentru elevi, cadre didactice i prini, Editura Euristic, Iai,

36


UNITATEA DE NVARE NR. 2 FENOMENE FIZICE I CHIMICECuprins2.1 Obiectivele unitii de nvare nr. 2 ...........................................38 2.2 Stri de agregare. Transformri ale strilor de agregare .............38 2.2.1 Topirea. Solidificarea ...........................................................38 2.2.2 Vaporizarea. Condensarea....................................................39 2.2.3 Circuitul apei n natur.........................................................40 2.2.4 Exemple de activiti practice ce se pot aplica la ciclul primar ........................................................................................................41 Test de autoevaluare nr. 1 .................................................................42 2.3 Substane i amestecuri ...............................................................42 2.3.1 Exemple de activiti practice ..............................................43 2.3.2 Metode de separare a substanelor din amestecuri ...............44 2.3.2.1 Decantarea.........................................................................44 2.3.2.2 Filtrarea .............................................................................45 2.3.2.3 Cristalizarea.......................................................................46 2.3.2.4 Distilarea ...........................................................................47 2.4 Soluii ..........................................................................................47 2.4.1 Dizolvare. Dizolvant. Dizolvat. Solubilitate ........................47 2.4.2 Concentraia unei soluii. Probleme rezolvate......................49 Test de autoevaluare nr. 2 .................................................................51 2.5 Aliaje ...........................................................................................51 2.5.1 Tipuri de aliaje .....................................................................52 2.5.2 Titlul unui aliaj. Probleme rezolvate ....................................52 Probleme rezolvate........................................................................53 2.6 tiai c ?..................................................................................54 2.7 Lucrare de verificare nr. 2. Rspuns ...........................................55 Rspunsuri la testele de autoevaluare 1 i 2......................................55 Rezumat.............................................................................................56 Bibliografie selectiv.........................................................................57

37

Mirela Trnoveanu

2.1 Obiectivele unitii de nvare nr. 2Pe parcursul i la sfritul unitii de nvare studentul va fi capabil:

s explice procesele chimice prin utilizarea corect a terminologiei de specialitate; s utilizeze investigaia i experimentarea dirijat pentru evidenierea i explicarea proceselor chimice; s rezolve probleme cu caracter teoretic i aplicativ.

2.2 Stri de agregare. Transformri ale strilor de agregaren natur, substanele se afl n diferite stri de agregare . Strile de agregare sunt: solid, lichid, gazoas. Corpurile, n funcie de starea de agregare n care se afl au diferite proprieti: - solide au volum, au form proprie, nu curg; - lichidele au volum propriu, nu au form proprie (iau forma incintei n care se afl), curg; - gazele nu au volum propriu (sunt expansibile), nu au form proprie (iau forma incintei n care se afl), sunt fluide. Aceste proprieti sunt datorate interaciunilor dintre moleculele corpului (particule extrem de mici, care nu se vd cu ochiul liber). Un corp poate s existe n cele trei stri de agregare: solid, lichid i gazoas. Uneori , el trece dintr-o stare de agregare n alta, adic i schimb starea de agregare. Astfel, apa poate fi n stare de agregare: solid (ghea), lichid (ap) i gazoas (vapori de ap). Schimbarea strii de agregare a unui corp are loc prin schimb de cldur ntre corp i mediul exterior. 2.2.1 Topirea. Solidificarea Trecerea unei substane din starea solid n stare lichid se numete topire (exemplu: trecerea naftalinei din starea solid n starea lichid, topirea gheii). Pentru a se topi, corpurile absorb cldur. Trecerea unei substane din starea lichid n starea solid se numete solidificare. Solidificarea este fenomenul invers topirii. Pentru a se solidifica 38


corpurile cedeaz cldur (exemplu: trecerea apei din stare lichid n stare solid ghea, trecerea naftalinei din stare lichid n stare solid). Temperatura la care se topete sau se solidific o substan se numete temperatur de topire sau de solidificare i este o caracteristic a fiecrei substane: - temperatura de topire (solidificare) a naftalinei 80o C; - temperatura de topire (solidificare) a gheii 0o C. n timpul topirii (solidificrii), volumul substanei se modific. De regul, volumul crete prin topire i se micoreaz prin solidificare. Excepie face apa, la care volumul crete prin solidificare. Aceast mrire a volumului apei prin solidificare provoac spargerea evilor radiatoarelor i a altor instalaii dac nu sunt golite nainte ca temperatura s scad sub 0o C. n industrie, fenomenul de topire i solidificare a metalelor este folosit la obinerea prin turnare a unor piese. 2.2.2 Vaporizarea. Condensarea Procesul de trecere a substanelor din stare lichid n stare de vapori se numete vaporizare. Vaporizarea care se produce la suprafaa lichidului se numete evaporare. Vaporizarea n toat masa lichidului se numete fierbere. Prin fierbere, apa trece n stare de vapori. Fiecare lichid fierbe la o anumit temperatur (apa la 100o C, alcoolul la 78o C). Unele lichide (aceton, alcool) se evapor repede la temperatura camerei i se numesc volatile. Evaporarea se produce mai repede atunci cnd suprafaa lichidului este mai mare (se evapor mai repede alcoolul dintr-un vas ntins fa de alcoolul dintr-o eprubet). Procesul de evaporare se produce mai repede atunci cnd exist deplasri ale aerului care nltur vaporii formai (exemplu: vntul produce uscarea rufelor ude). Evaporarea este mai rapid dac temperatura mediului nconjurtor este mai ridicat (evaporarea apei din lacuri, ruri, mri i oceane este mai pronunat n zilele clduroase). Vaporizarea este un proces ce are loc cu absorie de cldur. 39

Mirela Trnoveanu Procesul de trecere a unei substane din stare de vapori n stare lichid se numete condensare. Dac n buctrie fierbe ap ntr-un vas, pe geamul ferestrei se depune un strat subire de lichid. Suflnd pe un geam rece, pe lentilele ochelarilor sau pe oglind, acestea se aburesc. Vaporii de ap din aerul expirat se condenseaz pe obiecte, transformndu-se n lichid. Condensarea se produce cu cedare de cldur. Unele substane (iodul, naftalina, camforul) trec direct din stare solid n stare gazoas (au sublimat). Trecerea din stare solid n stare gazoas se numete sublimare. Fenomenul invers sublimrii se numete desublimare i reprezint trecerea unei substane din stare gazoas n stare solid. Prin desublimarea dioxidului de carbon se obine zpada carbonic (artificial). n concluzie, prin absorie sau cedare de cldur corpurile i pot schimba starea de agregare. 2.2.3 Circuitul apei n natur n natur, apa trece dintr-o stare de agregare n alta datorit variaiilor de temperatur din atmosfer. Cldura soarelui evapor apa de la suprafaa lacurilor, mrilor, oceanelor i de la suprafaa pmntului sub form de vapori. Vaporii de ap se ridic n aer i formeaz norii. Norii sunt purtai de vnt la diferite nlimi. Din nori, cad pe pmnt precipitaii, sub form de ploaie sau zpad. Precipitaiile iau natere prin condensarea vaporilor de ap atunci cnd ntlnesc straturi de aer mai reci. n timpul nopilor reci, vaporii de ap din atmosfer vin n contact cu corpurile mai reci, se condenseaz n picturi fine de ap i formeaz roua. Dac temperatura coboar sub 0o C se formeaz bruma. Iarna, atunci cnd temperatura coboar sub 0o C, picturile de ap se transform n cristale de ghea de diferite forme i dimensiuni ce formeaz fulgii de zpad. Apa rezultat din ploi sau topirea zpezilor ajunge din nou n ruri, mri, oceane sau ptrunde n pmnt. Circuitul continuu pe care l realizeaz apa n natur, trecnd dintr-o stare de agregare n alta se numete circuitul apei n natur.

40


n fiecare an, aproximativ 450000 500000 km3 de ap se evapor i revin la suprafaa pmntului sub form de precipitaii. 2.2.4 Exemple de activiti practice ce se pot aplica la ciclul primar

Experimentul 1. Evidenierea strii gazoase Materiale necesare: eprubet, tub deschis la ambele capete, vas cu ap Cum procedezi? ncearc s introduci o eprubet cu captul deschis, n paharul cu ap; repet experimentul folosind un tub deschis la ambele capete. Ce observi? Explic. Noteaz observaiile fcute. Constatare. Apa nu urc n eprubet pentru c, dei pare goal, ea conine de fapt aer. Aerul este un gaz. Ca toate gazele, aerul nu are form proprie i ia forma vasului n care se afl. n cazul tubului deschis la ambele capete, apa urc n interiorul tubului. Apa a mpins aerul din interiorul tubului. Experimentul 2. evidenierea fenomenului de topire. Materiale necesare: dou eprubete, clete pentru eprubete, spirtier, cristale de naftalin, cear. Cum procedezi? pune ntr-o eprubet cristale de naftalin iar n alt eprubet puin cear; nclzete eprubetele la flacra spirtierei i msoar timpul necesar pentru topirea coninutului acestora. Ce observi? Noteaz observaiile fcute. Constatare. Naftalina i ceara se topesc n intervale de timp diferite deoarece cldura necesar topirii acestora este diferit. Experimentul 3. Evidenierea vitezei de evaporare a lichidelor. Materiale necesare: trei eprubete, trei vase ntinse (farfurii), aceton, alcool, ap.

41

Mirela Trnoveanu Cum procedezi? toarn acelai volum (5 ml o linguri) de aceton, de alcool i de ap n cele trei vase identice; observ i noteaz n ct timp se desfoar evaporarea; repet experimentul folosind eprubete. Ce observi? Noteaz observaiile. Constatare. Alcoolul se evapor mai repede dect apa, dar mai ncet dect acetona. Viteza de evaporare depinde de natura lichidului i de suprafaa liber a lichidului (lichidul din farfurie se evapor mai repede dect cel din eprubet.

Test de autoevaluare nr. 11. Unete prin sgei cuvintele din prima coloan cu enunurile din cea de-a doua coloan. (Ex. 1, c) 1. Topirea 2. Condensarea 3. Solidificarea a. trecerea din stare lichid n stare solid b. trecerea din stare gazoas n stare lichid c. trecerea din stare solid n stare lichid d. trecerea din stare lichid n stare gazoas 2. Rspunde la urmtoarele ntrebri: a) De ce se usuc mai repede rufele cnd bate vntul? b) De ce se sparge o sticl cu ap, dac este pus n congelator? c) Pentru a proteja mbrcmintea de molii se pun n dulapuri cristale de naftalin. Dup un timp mai ndelungat dei mirosul naftalinei se simte, naftalina a disprut. Cum explici?

2.3 Substane i amestecuriTot ceea ce ne nconjoar este materie. Corpurile sunt poriuni limitate de materie (exemplu: o piatr, apa dintr-un pahar, aerul dintr-un balon, etc.). Formele heterogene de materie cu o compoziie variat se numesc materiale (exemplu: lemn, sticl, ciment). Formele omogene de materie cu o compoziie constant se numesc substane: (exemplu: oxigen, dioxid de carbon, azot, ap, aur, argint, etc.).

42


Substanele sunt alctuite din particule foarte mici, invizibile cu ochiul liber, numite molecule. Moleculele reprezint o grupare de unul sau mai muli atomi. Atomii i moleculele alctuiesc toate corpurile care ne nconjoar i au o caracteristic important i anume aceea de a se afla ntr-o continu micare ntmpltoare. Chiar i moleculele unui corp solid se mic n permanen ns, deplasarea moleculelor se face pe distane att de mici nct aceast micare nu poate fi observat. Aerul care ne nconjoar este i el alctuit din molecule (oxigen, azot) i atomi (argon). Atomii i moleculele de aer se mic cu viteze apreciabile, dar nu se pot observa direct. Datorit micrii lor nencetate, moleculele unei substane pot ptrunde cu uurin printre moleculele altei substane. Fenomenul de ptrundere a moleculelor unei substane printre moleculele altei substane se numete difuzie. Aa se explic de ce n apropierea unei benzinrii se simte n permanen mirosul caracteristic al benzinei. Difuzia este procesul prin care obinem un ceai punnd un plic de ceai ntr-o can cu ap fierbinte. Factorii care influeneaz difuzia sunt temperatura i starea de agregare. 2.3.1 Exemple de activiti practice

Aplicaii practice Experimentul 1. Evidenierea procesului de difuzie Materiale necesare: dou sticlue identice cu alcool i ulei Cum procedezi? Deschide n acelai timp cele dou sticlue i deprtez-te civa pai de acestea. Ce observi? Noteaz observaiile fcute. Constatare. Mirosul alcoolului ajunge pn la tine relativ repede, pe cnd mirosul de ulei nu se va simi. De ce? Noteaz observaiile. Experimentul 2. Evidenierea factorilor care influeneaz difuzia (temperatura)

43

Mirela Trnoveanu Materiale necesare: pahar cu ap cald, pahar cu ap rece, cerneal, pipet. Cum procedezi? Toarn cu ajutorul pipetei cteva picturi de cerneal, n paharul cu ap rece i apoi, n paharul cu ap cald; Observ cum difuzeaz cerneala, n apa din fiecare pahar; Ce observi? Noteaz observaiile. Constatare. Apa din paharul cu ap cald s-a colorat omogen, pe cnd n apa rece, difuzia nu s-a realizat omogen. Difuzia este influenat de temperatur (procesul se desfoar mai repede la temperatur mai ridicat). Procesul de difuzie este influenat i de starea de agregare. Particulele unui gaz se mic mult mai repede dect particulele unui lichid (mirosul unui parfum sau al alcoolului se simt imediat, pe cnd cerneala are nevoie de un timp pentru a se amesteca cu apa). n natur exist substane pure a cror compoziie rmne neschimbat prin operaii fizice (exemplu: oxigen, hidrogen, azot). Substanele pot fi simple (oxigen, carbon, mercur) i compuse (sunt alctuite din 2 sau mai multe substane oxidul de mercur este alctuit din oxigen i mercur; oxidul de aluminiu este alctuit din oxigen i aluminiu). Amestecurile de substane se obin prin punerea mpreun a dou sau mai multe substane (exemplu: aerul, apa mineral). Amestecurile de substane se clasific n: - amestecuri omogene (au n masa lor aceeai compoziie i aceeai proprieti); - amestecuri neomogene (au compoziie diferit n masa lor i propriti diferite); 2.3.2 Metode de separare a substanelor din amestecuri 2.3.2.1 Decantarea Decantarea este metoda de separarea unui solid dintr-un amestec neomogen solid lichid. Aceast metod de separare se folosete atunci cnd densitatea solidului este mai mare dect a lichidului.

44


n practic, decantarea este folosit pentru obinerea apei potabile din ape naturale, pentru purificarea srii extrase din salin sau pentru obinerea aurului i a argintului din minereu, n decantoare speciale.

Aplicaii practice Experimentul 1. Separarea nisipului de ap Materiale necesare: pahar, ap, nisip Cum procedezi? Pune ntr-un pahar ap cu nisip; Amestec cu o baghet de sticl (poi folosi i un creion).

Ce fel de amestec ai obinut? Las amestecul n repaus cteva minute. Ce observi? Noteaz observaiile fcute. Constatare. Amestecul de ap cu nisip este un ameste neomogen. Nisipul se depune pe fundul paharului deoarece are o densitate mai mare dect apa. 2.3.2.2 Filtrarea Filtrarea este metoda de separare a unui solid dintr-un amestec neomogen solid lichid, cu ajutorul unui filtru permeabil numai pentru lichid. Se utilizeaz cnd densitatea solidului este mai mic sau egal cu a lichidului. Lichidul care trece prin hrtia de filtru se numete filtrat. n practic, filtrarea este folosit pentru obinerea apei potabile. Ca materiale filtrante se folosesc straturi succesive de pietri i nisip. Exist i filtre de aer folosite pentru purificarea aerului.

Aplicaii practice Experimentul 2. Separarea pulberii de crbune de ap Materiale: 2 pahare, plnie, ap, pulbere de crbune, hrtie de filtru Cum procedezi? Pune puin pulbere de crbune, ntr-un pahar cu ap; Agit sau amestec cu o baghet amestecul. Ce amestec ai obinut? ntr-o plnie, pune o hrtie de filtru, toarn amestecul, prin plnie, ntr-un pahar. 45

Mirela Trnoveanu Ce observi? Noteaz observaiile. Constatare. Amestecul de ap i pulbere de crbune este un amestec neomogen solid lichid. Pulberea de crbune se depune pe hrtia de filtru iar n pahar se separ apa. 2.3.2.3 Cristalizarea Cristalizarea este operaia de trecere a unei substane solide din soluie n stare cristalin. Cristalele sunt corpuri solide, omogene, cu form geometric definit. n practic, metoda cristalizrii este folosit pentru obinerea zahrului din trestie de zahr i pentru obinerea srii de buctrie din apa mrii.

Cristalizarea nu se folosete n cazul lichidelor inflamabile. Cristalizarea poate avea loc n adncul Pmntului prin modificarea magmei formndu-se roci magmatice (granit, bazalt).

Aplicaii practice Experimentul 3. Extragerea srii din apa srat Materiale: capsul de porelan, trepied, sit de azbest, ap, sare de buctrie, spirtier. Cum procedezi? ntr-o capsul de porelan, toarn ap cu sare de buctrie; nclzete capsula n care se afl amestecul, cu ajutorul spirtierei pn la evaporarea complet a apei. ntr-o plnie, pune o hrtie de filtru, toarn amestecul, prin plnie, ntr-un pahar. Ce observi? Noteaz observaiile. Constatare. Prin nclzire pn la fierbere, apa se evapor, iar n capsul rmne sarea.

46


2.3.2.4 Distilarea Distilarea este operaia de separare a componenilor dintr-un amestec omogen de lichide, prin fierbere urmat de condensare. Aceast metod de separare este utilizat la obinerea alcoolului i n prelucrarea ieiului n rafinrii pentru obinerea benzinei, petrolului lampant i a motorinei. Perspective. Alte metode de separare a substanelor din amestecuri sunt magnetizarea i electrizarea.

2.4 SoluiiAmestecurile omogene formate din dou sau mai multe substane, ntre care nu se produc fenomene chimice se numesc soluii. n fiecare zi, amestecm apa cu diverse substane solide, lichide sau gazoase, cum ar fi: zahrul, sarea de buctrie, oelul, alcoolul, sucurile concentrate de fructe, dioxidul de carbon. n acest mod se obin soluii. 2.4.1 Dizolvare. Dizolvant. Dizolvat. Solubilitate Fenomenul n urma cruia o substan solid, lichid sau gazoas se rspndete printre particulele altei substane rezultnd soluii se numete dizolvare. O soluie este format din dou componente: dizolvantul sau solventul (substana n care se face dizolvarea) i dizolvatul sau solvatul (substana dizolvat). Exemplu: n soluia de ap cu zahr, apa este dizolvantul iar zahrul este dizolvatul. n majoritatea soluiilor, dizolvantul este apa. Exist i ali dizolvani: alcoolul, benzina, acetona, eterul. Cnd soluia este format din dou lichide se consider dizolvant, lichidul aflat n cantitate mai mare. Proprietatea unei substane de a se dizolva n alt substan se numete solubilitate. n funcie de solubilitatea ntr-un anumit solvent, substanele se clasific n: substane solubile, substane greu solubile i substane insolubile (sarea este solubil n ap, nisipul este insolubil n ap). Solubilitatea substanelor este influenat de natura dizolvantului i a dizolvatului i de temperatur.

47

Mirela Trnoveanu

Aplicaii practice Experimentul 1. Evidenierea factorilor care influeneaz solubilitatea (natura dizolvantului i a dizolvatului). Materiale: pahare transparente, ap, aceton, lac de unghii. Cum procedezi? a) pune o pictur de lac de unghii, ntr-un pahar cu ap. Ce observi? Ce fel de amestec se obine? Noteaz observaiile. b) pune o pictur de lac de unghii, ntr-un pahar, care conine o cantitate mic de aceton. Ce observi? Ce fel de amestec se obine? Noteaz observaiile. Constatare. Solubilitatea este influenat de natura dizolvantului i a dizolvatului. Lacul de unghii nu se dizolv n ap dar se dizolv n aceton.

Aplicaii practice Experimentul 2. Evidenierea factorilor care influeneaz solubilitatea (temperatura). Materiale: 2 pahare transparente, ap cald, ap rece, zahr, linguri. Cum procedezi? Pune ntr-un pahar, ap cald, iar n cellalt pahar, un volum egal de ap rece; Adaug, n fiecare pahar, cte o linguri de zahr. Ce observi? Noteaz observaiile. Constatare. Cristalele de zahr se dizolv mai repede n apa cald. Solubilitatea substanelor solide depinde de temperatur. Viteza de dizolvare crete odat cu creterea temperaturii. Cantitatea de substan dizolvat ntr-o anumit cantitate de soluie se numete concentraie. Dup concentraie soluiile pot fi: soluii diluate (conin o cantitate mic de substan dizolvat) i soluii concentrate (conin o cantitate mare de substan dizolvat).

Aplicaii practice 48


Experimentul 3. Obinerea unei soluii concentrate Materiale: pahar transparent, ap, zahr, linguri. Cum procedezi? ntr-un pahar cu ap, pune o linguri de zahr; Amestec cu ajutorul linguriei. Ce observi? Adaug, din ce n ce mai mult, zahr n ap. ce n ce mai mult zahr n ap, la un

Ce observi? Noteaz observaiile. Constatare. Adugnd din moment dat, acesta nu se mai dizolv. Soluia care conine cantitatea maxim de substan dizolvat la o anumit temperatur se numete soluie nesaturat. 2.4.2 Concentraia unei soluii. Probleme rezolvate. Cantitatea de substan dizolvat n 100 g soluie se numete concentraie procentual. md = masa dizolvatului ms = masa soluiei md + mapei = masa soluiei c = (md x 100) / ms , concentraia procentual (%) c=

md ms

Exemplu: 1. Care este concentraia, n procente, a unei soluii obinut prin dizolvarea a 20 g sare de lmie n 80 g ap? md = 20g mapei = 80g c = (md x 100) / ms ms = md + mapei c = (20 x 100) / (20 + 80) c = 20(%) 2. Care este concentraia, n procente, a soluiei obinut prin dizolvarea a 30g sod caustic n 270g de ap? c = (md x 100) / ms ms = md + mapei 49

Mirela Trnoveanu c = (30 x 100) / (30 + 270) c = 10(%) Probleme rezolvate: c = md / msoluie md masa substanei ce se dizolv (masa dizolvantului) msoluie = md +msolventului 1) Aflai concentraia unei soluii obinute prin dizolvarea a 80 g de zahr n 420 g ap. - cunoatem masa dizolvantului (md zahr) - cunoatem masa solventului (apei) - determinm masa soluiei = 80 + 420 = 500 (g) - calculm concentraia c = 80 / 500 c = 0,16 c = 16% 2. O soluie cu concentraia de 16% are n compoziie 40 g sare. Afl n ce cantitate de ap a fost dizolvat sarea! - cunoatem concentraia i masa dizolvatului (sarea) putem afla masa soluiei (md + map) - ms = md : c ms =40 :0,16 (g) ms = 250 (g) 250 = 40 + mapei mapei = 210 (g) 3. Pentru obinerea unei soluii cu concentraia de 16% a fost dizolvat sare n 210 g ap. Ce cantitate de sare a fost necesar? - pornim de la faptul c ms =msare + map - notm x masa sare - din definirea concentraiei deducem ecuaia: C = x/(x + map) 16% = x/(x + 210) 0,16(x + 210) = x 0,84x = 0,16 210 rezult x = 40 (g) 16% =16/100 = 0,16

50


Masa dizolvatului, masa apei, masa soluiei se exprim n aceeai unitate de msur (g, kg, etc.).

Test de autoevaluare nr. 2I. Alege rspunsul corect: 1. Soluiile sunt: a) amestecuri omogene; b) substane pure; c) amestecuri neomogene. 2. Vrsnd o cantitate de soluie dintr-un pahar, soluia: a) se concentraz; b) se dilueaz; c) rmne la aceeai concentraie. 3. Cnd ambele componente ale unei soluii sunt n aceeai stare de agregare (lichid); se consider solvent, substana aflat n cantitate: a) mai mic; b) mai mare; c) indiferent care dintre. II. Activitate experimental Umple un pahar pe trei sferturi cu ap i pune nuntru un ou ntreg. Ce observi? Scoate oul din ap i dizolv n aceasta ct mai mult sare. Pune oul n apa srat. Ce observi

MIRELA_TARNOVEANU

Documents

Transcript of MIRELA_TARNOVEANU