Учеба  ->  Среднее образование  | Автор: | Добавлено: 2015-03-23

Вода, как источник обеспечения жизнедеятельности человека

Без воды не может жить человек. Вода – один из важнейших факторов, определяющих размещение производительных сил, а очень часто и средство производства. Вода обеспечивает существование живых организмов на Земле и развитие процессов их жизнедеятельности. Она входит в состав клеток и тканей любого животного и растения. В среднем вода составляет около 90 % массы всех растений и 75% массы животных. Сложные реакции в животных и растительных организмах могут протекать только при наличии водной среды. Тело взрослого человека содержит 60-80 % воды. Климат и погода на Земле во многом зависят и определяются наличием водных пространств и содержанием водяного пара в атмосфере. Океаны и моря благодаря большой теплоемкости воды служат аккумуляторами тепла и способны изменять погоду и климат на планете.

В деятельности человека вода находит самое широкое применение. Вода – это материал, используемый в промышленности и входящий в состав различных видов продукции и технологических процессов, выступает в роли теплоносителя, служит для целей обогрева. Сила падения воды приводит в действие турбины гидроэлектростанций. Водный фактор является определяющим в развитии и размещении ряда промышленных производств. К водоемким отраслям, ориентирующимся на крупные источники водоснабжения, относятся многие производства химической и нефтехимической промышленности, где вода служит не только вспомогательным материалом, но и одним из важных видов сырья, а также электроэнергетика, черная и цветная металлургия, некоторые отрасли лесной, легкой и пищевой промышленности, сельском хозяйстве.

Реки, каналы, озера – дешевые пути сообщения. Водные объекты – это и места отдыха, восстановления здоровья людей, спорта, туризма.

В настоящее время обеспеченность водой в расчете на одного человека в сутки в различных странах мира разная. В ряде стран с развитой экономикой назрела угроза недостатка воды. Дефицит пресной воды на земле растет в геометрической прогрессии.

Продолжается истощение водных ресурсов рек под влиянием хозяйственной деятельности. Практически исчерпаны возможности безвозвратного водоотбора в бассейнах рек Кубань, Дон, Терек, Урал, Исеть, Миасс и ряда других.

Неблагополучным является состояние малых рек, особенно в зонах крупных промышленных центров. Значительный ущерб малым рекам наносится в сельской местности из-за нарушения особого режима хозяйственной деятельности в водоохранных зонах и прибрежных защитных полосах, приводит к загрязнению рек, а также смыву почвы в результате водной эрозии.

Основным потребителем воды является население (81%), в промышленности используется 11%, остальная часть – в коммунально-бытовом секторе.

Совершенно очевидным напрашивается вывод, что основным источником сбережения водных ресурсов является грамотное и эффективное использование воды населением.

В результате развития общества, расширения сфер его жизнедеятельности перед человечеством встало две основные проблемы – проблема сокращения полезных ископаемых и проблема экологии. В настоящее время наряду с техническими способами решения этих проблем имеется и другой – организационный.

Суть данного способа состоит в сокращении потребления электрической и тепловой энергии учреждениями, предприятиями и населением. Одним из методов энергосбережения и является сокращение потребления воды.

Именно на эту сферу жизнедеятельности нашей школы направлена эта работа. В наших исследованиях мы преследовали цель получения реальной экономической выгоды от установки датчиков расхода воды и внедрения организационных методов снижения расходов воды. На примере нашей школы мы хотим показать, что снижение расхода воды приводит, соответственно, к снижению потребляемой электроэнергии, что в свою очередь приводит к сокращению потребляемого природного топлива.

Анализ показаний датчиков расхода воды дает нам возможность выработать наиболее рациональный метод сбережения и экономии воды.

Строение жидкостей.

В жидкостях молекулы находятся значительно ближе друг к другу, чем в газах, поэтому силы притяжения между ними имеют значительную величину. Молекулярное вандерваальсовское давление в жидкостях Рi=а/V2 очень велико, в частности, для воды Рi=10³ МПа (для сравнения: атмосферное давление Ратм. = 0,1 МПа). Применительно к жидкостям в уравнении Ван-дер-Ваальса (Р+a/V²)∙(V-b)=RT можно пренебречь внешним давлением, и уравнение примет вид:

(a/V²) (V-b) = RT

Жидкость является агрегатным состоянием, промежуточным между газообразным и твердым, поэтому она обладает свойствами как газообразных, так и твердых тел. Жидкости, как и газы, обладают абсолютной текучестью, так что любая неуравновешенная сила вызывает их течение. Текучестью объясняется тот факт, что в широких сосудах, находящихся в поле тяжести, их поверхности горизонтальны.

Жидкость, сохраняя свой объем, под воздействием силы тяжести принимают форму сосуда. Если же жидкость освободить от действия силы тяжести, то она принимает форму шара, что подтверждено экспериментами, проведенными на орбитальных космических кораблях, в условиях невесомости.

Для жидкостей в отличие от газов характерна малая сжимаемость, что обусловлено большой величиной молекулярного давления.

Для многих жидкостей К (коэффициент сжимаемости жидкости) имеет величину порядка 10¹² Паˉ¹.

Среднее расстояние между молекулами жидкости того же порядка, что и их размеры, поэтому перемещение частиц в жидкости крайне затруднено. Теорию теплового движения молекул жидкости разработал Я. И. Френкель. Согласно Френкелю, молекула в течение определенного времени, называемого временем «оседлой» жизни, колеблется около положения равновесия, а затем скачком меняет положение равновесия, перемещаясь на расстояние порядка размера молекулы. При неизменной температуре между «оседлыми» молекулами и перемещающимися («кочующими») сохраняется динамическое равновесие. С ростом температуры доля «кочующих» молекул возрастает.

Все агрегатные состояния вещества различаются степенью упорядоченности пространственного расположения частиц. Так, в газе частицы расположены совершенно неупорядоченно. В твердом теле – наоборот, совершенно упорядоченно на больших расстояниях, и для кристаллов характерен так называемый дальний порядок. Для жидкостей строгая упорядоченность – ближний порядок наблюдается только для ближайших соседей, находящихся на одно-, двух межмолекулярных расстояниях, или, другими словами, находящихся на первой или второй координатной сферах.

Центральная молекула отмечена крестиком, точками – упорядоченные молекулы в первой координатной сфере. Очевидно, что уже во второй сфере наблюдается частичное отсутствие упорядоченности, что указывает на существование только ближнего порядка в жидкости.

Поверхностное натяжение.

Силы притяжения между молекулами жидкости весьма значительны и создают на свободной поверхности поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение наглядно проявляется в опытах с мыльной пленкой. Если проволочный каркас с подвижной перекладиной находящейся в положении A’B’, погрузить в мыльный раствор, а затем вынуть, то каркас будет затянут пленкой. При этом перекладина под действием сил поверхностного натяжения f поднимается вверх, в положение АВ. Возвратить перекладину в исходное положение A’B’ можно, если подвесить груз Q = f.

Установлено, что величина груза Q зависит от длины перекладины I и, следовательно, f = σ ∙ 2ℓ коэффициент 2 учитывает двойную поверхность мыльной пленки, σ=f/2ℓ называют коэффициентом поверхностного натяжения и численно он равен силе поверхностного натяжения, приходящейся на единицу длины контура. С другой стороны для увеличения свободной поверхности пленки требуется совершить работу внешних сил

∆A = Q∆h = σ2ℓ∆h = σ∆Ѕ

∆S – двойная дополнительная поверхность пленки и

σ=ΔА/ΔS, т. е. коэффициент поверхностного натяжения численно равен работе, необходимой для образования единицы площади новой поверхности (в изотермических условиях).

Поверхностным натяжением объясняется шарообразная форма свободной капли жидкости, т. к. поверхность шара минимальна при одинаковом объеме тел разной формы.

Смачивание и несмачивание.

Капля жидкости на поверхности твердого тела может вести себя двояко: а). либо растекаться, образуя большое пятно, б). либо сохранять форму, близкую к шарообразной. По краям капли соприкасаются три различные среды: 1). твердое тело, 2). жидкость и 3). газ (воздух). Соответственно σ13 характеризует поверхностное натяжение твердого тела, σ23 жидкости, а σ12 – поверхностное натяжение на границе раздела жидкость – твердое тело.

Явление растекания жидкости по поверхности твердого тела называется смачиванием.

Угол между касательной к поверхности жидкости и твердым телом, отсчитываемый в сторону жидкости, называется краевым. При смачивании краевой угол θ < π / 2.

Если жидкость сохраняет шарообразную форму на поверхности твердого тела, то это проявление несмачивания. При смачивании краевой угол тупой (θ >π / 2).

Несмачивающая жидкость не вытекает через очень малые отверстия. Если проволочная сито обработать парафином, то в нем можно носить воду (!) (вода не смачивает парафин). Смачивающие жидкости применяются во флотационных процессах (процессов извлечения металлов из руд) и, наоборот, с помощью, например, свинца производят сбор пролитой ртути, которая абсолютно смачивает свинец.

Давление под изогнутой поверхностью жидкости. Формула Лапласа.

Вследствие явлений смачивания (несмачивания) вблизи стенок сосуда происходит искривление поверхности жидкости. Искривленная поверхность оказывает на жидкость избыточное (добавочное к внешнему) давление. Это давление, обусловленное силами поверхностного натяжения, для выпуклой поверхности положительно и направленно внутрь жидкости, а для вогнутой – наоборот.

Компонента F1 = F ∙ sinφ = σ∙ℓ1(ℓ2/2R1) , но ℓ1 ℓ2=∆S – площадь поверхности, и

F1 = (σ∙ΔЅ)/2R1 = F1

Если рассмотреть силу, приложенную к длине I2, то получим для компоненты, направленной внутрь жидкости, выражение, аналогичное

F1 = (σ∙ΔЅ)/2R1 = F1.

Выражение

Р = σ(1/R1 + 1/R2), называется формулой Лапласа. Для поверхности сферической формы

R1 = R2 и лапласовское давление

Р = (2σ)/R

Добавочное лапласовское давление обусловливает изменение уровня жидкости в узких трубках (капиллярах), вследствие чего называется иногда капиллярным давлением.

Капиллярные явления.

Если в жидкость погрузить узкую цилиндрическую трубку (капилляр), то смачивающая жидкость поднимается по трубке и образует вогнутую сферическую поверхность, называемую мениском (а). В случаях несмачивания жидкость в капилляре опускается с образованием выпуклого мениска (б).

Высота подъема (опускания) жидкости в капилляре находится из условия равенства капиллярного давления гидростатическому

2σ/R = ρgh.

Явления капиллярности чрезвычайно распространены в природе и играют большую роль в самых разнообразных процессах. Благодаря капиллярности происходит проникновение влаги из почвы в стволы, стебли и листья растений, а также подъем влаги из глубины в верхний слой почвы. Кровеносные сосуды человека и животных представляют собой капилляры.

Капиллярные явления в машиностроении и строительстве.

Особый практический интерес представляет поведение смачивающей жидкости в капиллярах переменного сечения.

Стрелкой показано, что капля жидкости втягивается в сторону утончения капилляра из-за разности лапласовских давлений. Таким образом, жидкость ведет себя подобно клину. Проникая в микротрещины в твердых телах, она значительно снижает их прочность.

В машиностроении в процессах обработки металлов резаньем и шлифовки используются специальные жидкости (эмульсии). Эмульсии, с одной стороны, дают охлаждающий эффект, а с другой, вследствие расклинивающего действия, ускоряют технологический процесс. Так, например, при шлифовании меди корундовым порошком (сверхмелкие кристаллы корунда – Al2O3) в воде съем металла увеличивается в два раза, если в воду добавить несколько процентов масляной кислоты.

Капиллярными процессами объясняются движение влаги по стенам, проникновение ее в квартиры и, как следствие, сырость. Для защиты стен от проникновения влаги используются разделительные прокладки между фундаментом и стенками на битумной основе, чтобы закрыть капилляры в бетоне от проникновения влаги. Особенно остро эта проблема стоит в России, где пол года наблюдаются отрицательные температуры. Как известно, лед при охлаждении расширяется, поэтому в зимнее время, расклинивающее действие воды в фундаментах и стенах усиливается.

Давление жидкости.

Давление жидкости – это физическая величина, определяемая нормальной силой, действующей со стороны жидкости на единицу площади.

p=∆F/∆S

В системе СИ давление измеряется в паскалях (Па).

Закон Паскаля заключается в том, что давление в любом месте покоящейся жидкости одинаково по всем направлениям, причем давление одинаково передается по всему объему, занятому покоящейся жидкостью.

Закон Архимеда заключается в том, что на тело, погруженное в жидкость, действует со стороны этой жидкости направленная вверх выталкивающая сила, равная весу вытесненной телом жидкости.

FA= ρgV где ρ – плотность жидкости, V – объем погруженной в жидкость части тела.

Гидростатическое давление – давление ρgh.

При поперечном сечении S столба жидкости, его высоте h и плотности ρ вес Р=ρgSh, а давление на нижнее основание р=Р/S=ρgSh/S=ρgh, т. е. давление изменяется линейно с высотой.

Закон Бернулли.

Давление жидкости, текущей в трубе, больше в тех частях трубы, где скорость ее движения меньше, и наоборот, где скорость больше, давление меньше.

Уравнение Бернулли для стационарного течения идеальной жидкости:

(ρν2/2)+ρgh+p=const

Уравнение Бернулли – закон сохранения механической энергии применительно к установившемуся течению идеальной жидкости (уравнение выводится из закона сохранения энергии). ρ – статическое давление жидкости для определенного сечения трубки тока; ν – скорость жидкости для этого же сечения; ρν2/2 – динамическое давление жидкости для этого же сечения; h – высота, на которой расположено сечение; ρgh – гидростатическое давление.

Гидростатическое давление – давление, обусловленное силой тяжести и зависящее от глубины под поверхностью жидкости.

ρ – плотность жидкости, h – глубина столба жидкости.

Уравнение Бернулли для горизонтальной трубки тока (h1=h2).

(ρν2/2)+p=const называется полным давлением из-за замерзания с внешней стороны.

3. ИССЛЕДОВАНИЯ.

Приборы для измерения.

Для контроля за расходом воды в нашей школе установлен счетчик ОСВ – 40.

Техническая характеристика:

Наименование основных технических характеристик

Условный диаметр, мм 40

1. Расход воды (м³/час)  

- наименьший Qmin 0. 200

- переходный Q 0. 400

- номинальный Qn 10. 0

- наибольший Qmax 20. 0

- порог чувствительности 0. 100

2. Температура воды (С0)  

3. Наименьшая цена деления индикаторного устройства (м³) 0. 00005

4. Емкость индикаторного (м³) 99999. 9999

5. Наибольший объем воды (м³)  

- за сутки 360

- за месяц 7200

6. Масса (кг, не более)  

Примечания:

1. Под наименьшим расходом Qmin понимается расход, при котором счетчик имеет погрешность ±5% и ниже которого погрешность не нормируется.

2. Под переходным раствором Q понимается расход, при котором счетчик имеет погрешность ±2%, а ниже которого ±5%.

3. Под номинальным (эксплуатационным) расходом Qn понимается расход, при котором счетчик может работать непрерывно (круглосуточно), равный половине наибольшего.

4. Под наибольшим расходом Qmax понимается расход, при котором потеря давления на счетчике не превышает 0. 1 МПа (1. 0кгс\см2), а длительность работы не более 1-го часа в сутки.

5. Под порогом чувствительности понимается расход, при котором приходит в непрерывное вращение клетчатка.

показания водомера холодной воды

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Анализируя результаты исследований проведенных в 2005 – 2006 годах, показанные в таблицах, сделаем некоторые выводы:

1. Средний расход воды за 4 месяца 2005 года составил 334. 65 м3 в месяц.

Средний расход воды за 2006 год составил 225. 9 м3 в месяц.

2. Максимальный расход воды приходится на сентябрь:

2005 год – 311. 3 м3

2006 год – 546 м3

Это организационный месяц по всем направлениям школьной жизни, в том числе и по организационным методам сокращения расхода воды.

3. Увеличение расхода воды наблюдается в осенний и весенний периоды, связанные с ухудшений погодных условий.

октябрь 2005 год – 385 м3 апрель 2006 год – 308. 5 м3 за 10 дней октября 2006 года – 185 м3

4. Наблюдается значительное увеличение расхода воды в июне и июле.

июнь – 330. 9 м3 июль – 384 м3

5. Значительное снижение расхода воды наблюдается в период зимних и весенних каникул.

январь 2006 год – 125 м3 март 2006 год – 192. 7 м3

5. ВЫВОДЫ.

Исходя из вышеизложенных фактов и принимая во внимание, что средний списочный состав учащихся на всем протяжении проводимых исследований оставался почти неизменным, напрашивается совершенно очевидный вывод:

Расход воды – величина прогнозируемая. При постоянной и слаженной работе администрации школы и учащихся по внедрению и выполнению организационных и технических методов, сокращение расхода воды можно свести до минимума.

Это в свою очередь даст существенную экономию денежных средств, которые могут быть использованы на другие неотложные нужды учебного заведения.

Переход на контролируемый расход воды уже дал определенные цифры:

1. Планируемый расход воды – 800 м3 в месяц.

2. Фактически среднемесячный расход воды за исследуемый период составил 253. 1 м3

3. Экономия за 4 месяца 2005 года при стоимости 1 м3 – 6. 9 руб.

составила 12843. 6 руб.

За 2006 год – 40143. 7 руб.

Проведенные исследования показали, что проводимая администрацией школы и активными группами учащихся работа по внедрению организационных методов экономии воды, дала ощутимые результаты.

Данная работа, совместно с своевременными техническими методами может привести к сокращению расхода воды до минимума и к еще более существенной экономии денежных средств, а по большому счету – к экономии электроэнергии, топливных ресурсов, улучшению экономической обстановки в нашем регионе.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В заключении хочется сказать, что в школе имеется еще огромный потенциал для внедрения различных методов по сокращению расхода воды.

Исследования показали, что осталась не охваченной этими методами и мероприятиями, школьная столовая, являющаяся одним из основных потребителей воды.

Хотелось бы видеть больше наглядной агитации, информационных бюллетеней о результатах работы за определенный период времени.

Возможно, организовать соревнование между школами по сокращению расхода воды.

Организовать ежедневный контроль за техническим состоянием всех коммуникаций, оборудования, чтобы иметь возможность предотвратить аварийные ситуации.

Комментарии


Войти или Зарегистрироваться (чтобы оставлять отзывы)