Моделирование парникового эффекта

Демонстрация состоит из двух частей. В первом студенты наблюдают за моделью парникового эффекта в теплице, используя прозрачные бутылки с воздухом. Во втором они узнают о роли углекислого газа, сравнивая эффекты в двух отдельных сосудах, содержащих воздух и углекислый газ соответственно.

Эксперименты в обеих частях демонстрируют парниковый эффект, сравнивая повышение температуры в подходящих сосудах, содержащих газы, при воздействии света мощной лампы.

Каждая часть демонстрации займет около 30 минут. Однако вторая часть может быть начата задолго до того, как будет завершена первая часть, если имеется достаточное количество оборудования.

Эксперименты включают медленное, постепенное повышение температуры.Если температура контролируется в электронном виде, с регистрацией данных и отображением в реальном времени, эксперимент может быть продолжен, пока класс продолжает другую работу. Если используются обычные термометры или электронные термометры с цифровыми дисплеями, температуры должны будут записываться с интервалом в одну минуту, что требует внимания класса к учету времени и продолжительности демонстрации.

Оборудование

Аппарат

Для обеих частей

Лампа прожектора, 275 Вт, в простом патроне (см. примечания 1 и 2 ниже)
Датчики температуры с выводами, 3 шт., с регистратором данных и компьютерным дисплеем (см. примечание 3)

Для части 1

Бутылки для напитков пластиковые, прозрачные, 1 дм 3 , 2 шт. (см. примечание 4)
Пробки с двумя отверстиями для бутылок (см. примечание 4)
Часы с секундной стрелкой
Подставка, бобышка и зажим, x2

Статья в тему: Что значит стать ядерным

Для части 2

Стаканы, 250 см 3 , x2
Черные карточные диски, x2

Примечания к аппарату

Лампы для фотозатопления можно приобрести у поставщиков фототехники в Интернете или в фотомагазинах на главной улице по цене 10–15 фунтов стерлингов каждая за лампу мощностью 275 Вт. Лампа должна быть установлена в простой патрон, стабилизированный соответствующим образом, чтобы она надежно стояла на демонстрационном стенде и легко включалась и выключалась демонстратором, не нарушая положения лампы.
Колба фотопотока должна быть расположена так, чтобы три датчика температуры или термометра можно было разместить на одинаковом расстоянии от колбы, как показано на рисунке 1 ниже.

Показать в полноэкранном режиме

Источник: Королевское химическое общество.

Как настроить аппарат для моделирования парникового эффекта в теплице и сравнить повышение температуры в каждой из двух бутылок

Убедитесь, что все три датчика температуры показывают одинаковую температуру на дисплее компьютера, когда они находятся в среде с одинаковой температурой. Вставьте два датчика в резиновые пробки, которые подходят к бутылкам с напитками.

Каждый из трех датчиков температуры должен быть обмотан «флажком» из свинцовой (или подготовленной алюминиевой) фольги.Каждый флажок изготавливается из куска свинцовой фольги размером примерно 3 х 2 см таким образом, что после обертывания вокруг датчика формируется флажок шириной примерно 1 см и высотой 2 см из сдвоенной фольги (см. рис. 2 ниже).

Затем датчик следует расположить так, чтобы лицевая сторона каждого флажка была перпендикулярна излучению лампы. В итоге должен получиться набор из трех датчиков температуры с максимально похожими флажками. Датчики с флажками должны легко проходить через горлышки бутылок с напитками.

Статья в тему: Почему глобальное потепление влияет на большую высоту

Одну из бутылок следует покрасить в черный матовый цвет с одной «боковой стороны» и дать ей полностью высохнуть.

Показать в полноэкранном режиме

Источник: Королевское химическое общество.

Как подготовить термометры или датчики температуры и наполовину окрашенную бутылку, необходимые для первого эксперимента

Наконец, установите приспособление для детали 1, как показано на рис. 1, при необходимости закрепив его, чтобы убедиться, что устройство надежно защищено от случайных ударов, и в соответствующий момент урока замените на простое приспособление для детали 2, как показано на рис. 4. Обратите внимание, что теперь фотолампа расположена и закреплена над стаканами, посередине между ними.

Показать в полноэкранном режиме

Источник: Королевское химическое общество.

Как настроить аппарат для моделирования влияния углекислого газа на температуру для второго эксперимента

Химикаты

Для части 1

Кусочки свинцовой фольги (ТОКСИЧНАЯ, ОПАСНАЯ ДЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ), примерно 3 см x 2 см, x3 (в качестве альтернативы свинцовой фольге можно использовать алюминиевую фольгу, но она должна быть либо окрашена в черный цвет, либо затемнена, что происходит после контакта с пищевыми продуктами) )
Черная матовая краска (например, краска для школьной доски)

Для части 2

Источник углекислого газа

(Необязательно) Один или несколько других газов и летучих жидкостей:

Метан (природный газ) (ЧРЕЗВЫЧАЙНО ОГНЕОПАСНЫЙ)
Пентан (ЧРЕЗВЫЧАЙНО ОГНЕОПАСНЫЙ, ВРЕДНЫЙ, ОПАСНЫЙ ДЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ), 1 см 3
Гексан (ЛЕГКОВОСПЛАМЕНЯЕМЫЙ, ВРЕДНЫЙ, ОПАСНЫЙ ДЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ), 1 см 3

Здоровье, безопасность и технические примечания

Прочтите наше стандартное руководство по охране труда и технике безопасности.
Свинцовая фольга, Pb(s), (ТОКСИЧНАЯ, ОПАСНАЯ ДЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ) – см. карточку опасности CLEAPSS HC056. В части 1 кусочки свинцовой фольги предназначены для изготовления «флажков» вокруг датчиков температуры (примечание 3). Свинцовую фольгу можно заменить затемненной алюминиевой фольгой, и эффект все равно будет наблюдаться.
Углекислый газ, CO₂ (g) – см. карточку опасности CLEAPSS HC020a. Информацию об использовании баллона с углекислым газом см. также в разделе 9.9 Справочника для лабораторий о безопасном хранении и использовании газовых баллонов. Если используется твердый диоксид углерода (сухой лед), его следует получить в течение 24 часов после демонстрации в значительно большем количестве, чем требуется для эксперимента, и хранить в вентилируемом изолированном контейнере до тех пор, пока он не понадобится. Все манипуляции должны выполняться с использованием термоперчаток и щипцов. Если нет ни баллона с углекислым газом, ни запаса сухого льда, углекислый газ может быть получен химическим путем – см. эти стандартные методы получения, сбора и тестирования газов. Замените показанную чертополоховую воронку воронкой с краном или делительной воронкой без пробки. Используйте около 10 г мелкой мраморной крошки (карбоната кальция) и около 100 см 3 соляной кислоты (2 М) для генератора углекислого газа. Добавляйте кислоту по несколько см 3 за раз к мраморной крошке, чтобы получить постоянный поток углекислого газа. Либо незадолго до второй части демонстрации, либо в рамках демонстрации позвольте потоку углекислого газа вытеснить воздух из стакана. В качестве альтернативы кусочкам твердого диоксида углерода можно позволить испариться на дне стакана.
Метан (природный газ), CH₄ (g), (ЧРЕЗВЫЧАЙНО ОГНЕОПАСНО) – см. карточку опасности CLEAPSS HC045a.
Пентан, С₅ ЧАС₁₂ (l), (ЧРЕЗВЫЧАЙНО ВОСПЛАМЕНЯЕМОЕ, ВРЕДНОЕ, ОПАСНОЕ ДЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ) – см. карточку опасности CLEAPSS HC045a.
Гексан, С₆ ЧАС₁₄ (l), (ЧРЕЗВЫЧАЙНО ВОСПЛАМЕНЯЕМОЕ, ВРЕДНОЕ, ОПАСНОЕ ДЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ) – см. карточку опасности CLEAPSS HC045a.

Процедура

Часть 1

С устройством, настроенным, как на рисунке 1 выше, запустите программу регистрации данных со всеми тремя датчиками одновременно (все они должны показывать одинаковую температуру) и немедленно включите фотолампу.
Разрешить регистрацию данных продолжаться с графическим дисплеем, видимым для класса. Убедитесь, что класс знает, какая графическая трасса принадлежит какому датчику. Примерно через 15 минут три кривых должны выровняться: «голый» датчик показывает типичное повышение примерно на 5°C, прозрачная бутылка — около 8°C, а затемненная бутылка — около 13°C.
Если доступны два дополнительных датчика температуры и второй регистратор данных, часть 2 может быть продемонстрирована во время работы части 1. В качестве альтернативы класс может приступить к другим заданиям, пока на экране не появится четкий результат из части 1.

Часть 2

Сбросьте регистратор данных и программное обеспечение, чтобы начать снова с входными данными от двух датчиков температуры.
Запустите регистратор данных и включите лампу; две дорожки должны оставаться вместе, хотя и показывать постепенное повышение.
Когда этот постепенный подъем выровняется, в один из стаканов непрерывно подавайте углекислый газ. След от этого стакана должен вскоре показать более высокую температуру, чем стакан с одним воздухом — обычно до 8 градусов выше. Если поток газа остановить, углекислый газ будет медленно диффундировать из стакана, замещаясь воздухом, и температура должна снова начать падать.
(Необязательно) Удалите углекислый газ из стакана и повторите шаги 1 и 2 выше. Убедитесь, что все источники воспламенения удалены. Теперь подайте медленный поток метана из газового крана в химический стакан и наблюдайте, как это повлияет на кривую температуры.
(Необязательно) Снова повторите шаги 1 и 2 выше и убедитесь, что все источники воспламенения удалены. С помощью пипетки накапайте в химический стакан примерно 1 см 3 летучей жидкости. Он будет медленно испаряться, и при этом можно будет проследить его влияние на кривую температуры.

Учебные заметки

В садовой теплице видимый свет проходит сквозь стекло и поглощается более темными поверхностями внутри. Эта поглощенная энергия нагревает материалы, а также нагревает окружающий воздух. Но конвекция ограничивается ограждающим стеклом, и температура внутри теплицы повышается. Это основная причина потепления в садовой теплице.

Однако вдобавок теплые поверхности переизлучают часть поглощенной энергии, но уже на более длинных волнах в инфракрасной области спектра. Часть этого инфракрасного излучения поглощается стеклом и способствует нагреванию теплицы. Именно этот последний эффект и называется «парниковым эффектом». Парниковый эффект в атмосфере Земли вызывается рядом газов, которые ведут себя подобно стеклу. Они прозрачны для видимого света, но поглощают часть инфракрасного спектра. Некоторые из этих газов перечислены в таблице. Можно видеть, что углекислый газ является наиболее важным парниковым газом из-за его относительно высокой концентрации в атмосфере, а не из-за его собственной парниковой эффективности.

Газ	Относительная эффективность парниковых газов на молекулу	Концентрация в атмосфере/млн.	Относительная эффективность x концентрация/млн.
Углекислый газ	1	350	350
Метан	30	1.7	51
Диназот	160	0.31	49.6
Озон	2,000	0.06	120
ХФУ 11 (CCI3F)	21,000	0.00026	5.46
ХФУ 12 (CCI2F2)	25,000	0.00024	6

В части 1 эксперимент демонстрирует ситуацию в теплице с использованием пластиковой бутылки. Он также показывает эффект поглощения черной поверхностью энергии видимого света.

Однако в части 2 замена пластиковых бутылок открытыми стаканами снимает ограничение на конвекцию. Разница в повышении температуры между двумя стаканами возникает в основном из-за поглощения газами лучистой (инфракрасной) энергии от свинцовых дисков на дне стаканов.

Водяной пар, двуокись углерода и озон являются наиболее важными парниковыми газами, причем первые два из-за их относительно высокой концентрации в атмосфере, а не из-за их собственной парниковой эффективности — действительно, водяной пар составляет более трети всего парниковых газов. эффект. Тем не менее, метан также вносит значительный вклад, и именно увеличение доли углекислого газа и в меньшей степени метана, по-видимому, вызывает эффект глобального потепления.

Дополнительная информация

Это ресурс из проекта «Практическая химия», разработанного Фондом Наффилда и Королевским химическим обществом. Эта коллекция из более чем 200 практических заданий демонстрирует широкий спектр химических концепций и процессов. Каждое задание содержит исчерпывающую информацию для учителей и техников, включая полные технические примечания и пошаговые инструкции. Практическая химия сопровождает практическую физику и практическую биологию.

Проверено здоровьем и безопасностью, 2016 г.

голоса

Рейтинг статьи