Madame Lelica

Wissenschaftliche Lektion: Erde, Wasser, Luft und Feuer

Die alten Griechen glaubten, dass es vier Elemente gab, aus denen alles bestand: Erde, Wasser, Luft und Feuer. Diese Theorie wurde um 450 v. Chr. vorgeschlagen und später von Aristoteles unterstützt und ergänzt.

(Aristoteles schlug auch vor, dass es ein fünftes Element, Äther, gab, weil es seltsam erschien, dass die Sterne aus irdischen Elementen bestehen würden., Er wäre überrascht zu erfahren, dass sie tatsächlich aus vielen Elementen auf der Erde bestehen und so heiß sind, dass man sagen könnte, dass sie die ganze Zeit in Flammen stehen!)

Die Idee, dass diese vier Elemente – Erde, Wasser, Luft und Feuer – alle Materie ausmachten, war der Grundstein der Philosophie, Wissenschaft und Medizin für zweitausend Jahre (Kinder lieben es, Fragen zu den Elementen zu stellen).

Die Elemente waren „rein“, konnten aber in diesem Zustand auf der Erde nicht gefunden werden. Jedes sichtbare Ding bestand aus einer Kombination aus Erde, Wasser, Luft und Feuer.,

Die vier Elemente wurden sogar verwendet, um die vier Temperamente zu beschreiben, die eine Person haben könnte, und Hippokrates benutzte die vier Elemente, um die vier „Humors“ zu beschreiben, die im Körper gefunden wurden. Diese Theorien besagten, dass die Temperamente und der Humor im Gleichgewicht miteinander sein müssten, damit eine Person sowohl geistig als auch körperlich gesund sei.

Obwohl wir jetzt wissen, dass diese vorherigen Theorien falsch sind, stimmen die vier Elemente in gewisser Weise mit den vier Zuständen der Materie überein, auf die sich die moderne Wissenschaft geeinigt hat: fest (Erde), flüssig (Wasser), Gas (Luft) und Plasma (Feuer).,

Obwohl die Griechen glaubten, dass die vier Elemente unveränderlicher Natur waren, bestand alles aus verschiedenen Elementen, die durch Anziehungs-und Abstoßungskräfte zusammengehalten oder auseinandergeschoben wurden, wodurch sich Substanzen zu verändern schienen. Dies ähnelt dem, was wirklich mit Elementen und allen Molekülen auf atomarer Ebene passiert.

Materie ist alles, was Masse und Volumen hat und aus Atomen besteht, die die kleinsten Teilchen der Materie sind. Die Bindung erfolgt zwischen Atomen, um größere Moleküle zu bilden. (Klicken Sie hier, um mehr über Bonding zu erfahren.,) Masse ist, wie viel Materie in einem Objekt ist, während Volumen ist, wie viel Platz das Objekt einnimmt. Wie Atome in einem Objekt angeordnet sind, bestimmt, ob es sich um einen Feststoff, eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Plasma handelt.

• In einem Festkörper sind die Atome in einem geordneten Muster dicht beieinander gepackt und können sich nicht bewegen, was einem Festkörper ein bestimmtes Volumen und eine bestimmte Form verleiht. Beispiele für Feststoffe sind Gesteine, Holz, Metall und Eis.
• In einer Flüssigkeit sind die Atome nahe beieinander, können sich aber umeinander bewegen. Dadurch kann eine Flüssigkeit die Form eines Behälters annehmen, in dem sie sich befindet., Beispiele für Flüssigkeiten sind Wasser bei Raumtemperatur, Quecksilber bei Raumtemperatur und heiße Lava (geschmolzenes Gestein).
• In einem Gas gibt es mehr Raum zwischen Atomen. Die Atome können sich so frei bewegen, dass, wenn das Gas nicht in einem Behälter eingeschlossen ist, die Atome diffundieren und sich in der Atmosphäre ausbreiten. Beispiele für Gase sind Sauerstoff und Stickstoff (in der Luft, die wir atmen), Helium und Dampf (Wasserdampf).
• In einem Plasma sind die Atome ähnlich wie Gas angeordnet, außer dass in einem Plasma so viel Energie vorhanden ist, dass sich die Atome tatsächlich in kleinere Stücke teilen., Plasmen sind in der Lage, einen elektrischen Strom zu tragen und Magnetfelder zu erzeugen. Beispiele für Plasmen sind Blitz, Sonnenwind, Sonne, Leuchtstoffröhren und Neonzeichen.

Die Temperatur spielt eine wichtige Rolle bei der Ausrichtung der Atome in einer Substanz. Als allgemeine Faustregel gilt: Je kälter die Materie ist, desto näher sind die Atome zueinander und je wärmer die Materie ist, desto weiter sind die Atome voneinander entfernt. Natürlich hängt die Temperatur, bei der eine Materie fest oder flüssig ist, davon ab, aus welcher Substanz die Materie besteht., Zum Beispiel ist Wasser bei Raumtemperatur eine Flüssigkeit, während ein Gestein bei Raumtemperatur fest ist.

Wissenschaft Lektion: Die Vier Elemente im Alltag

Erste Element: Erde

Die erde ist voll von einer vielzahl von felsen und mineralien, die bietet die boden zu wachsen vegetation und unterstützung leben. Die beiden häufigsten Elemente in der Erdkruste sind Sauerstoff (46%) und Silizium (28%). Aus diesem Grund ist Kieselsäure (Siliciumdioxid) das am häufigsten vorkommende Mineral in der Erdkruste. Häufiger als Sand bekannt, ist Kieselsäure ein Hauptbestandteil von Glas. Wie kann Glas aus Sand hergestellt werden?, Interessanterweise schmilzt Kieselsäure beim Erhitzen und wird zu Glas, das beim Abkühlen härtet.

In der Erdkruste finden sich reiche Ablagerungen von Metallerzen. Während diese Metalle bei der Herstellung von Maschinen, Werkzeugen, Gebäuden und Waffen verwendet werden, sind diese Metalle direkt aus der Erde ziemlich nutzlos. Feuer wird verwendet, um Metall zu erhitzen, zu verfeinern und zu formen, so dass Maschinen, Hämmer und Stützbalken daraus hergestellt werden können.

Es ist leicht, die Erde als festen Schmutz durch und durch zu betrachten, aber in Wirklichkeit besteht sie aus mehreren Schichten., Während viele dieser Schichten fest sind, wird die Schicht, die den Kern umgibt, als flüssiger äußerer Kern bezeichnet. Es ist so heiß in der Erde, dass das Gestein in dieser Schicht tatsächlich geschmolzen ist. Der feste innere Kern ist genauso heiß wie die ihn umgebende flüssige Schicht, aber der Druck auf den inneren Kern ist so groß, dass Wissenschaftler glauben, dass er zu einem Feststoff „gepresst“ wird.

Zweites Element: Wasser

Wasser hat viele einzigartige Eigenschaften. Die chemische Formel von Wasser ist H20, was bedeutet, dass es aus zwei Wasserstoffatomen besteht, die an ein Sauerstoffatom gebunden sind., Die Wasserstoffatome haften jeweils an einer Seite des Sauerstoffatoms und haben eine positive Ladung, während das Sauerstoffatom eine negative Ladung hat. Dies polarisiert das Wassermolekül ähnlich wie ein Magnet und gibt einem Wassermolekül positive und negative Enden.

Da entgegengesetzte Ladungen anziehen, neigen Wassermoleküle dazu, „zusammenzukleben“. Dies gibt Wasseroberflächenspannung und ermöglicht es Objekten, wie z. B. Büroklammern, darauf zu schwimmen.

Während es nicht alles auflösen kann, ist Wasser als universelles Lösungsmittel bekannt, da es mehr Substanzen auflösen kann als jede andere Flüssigkeit., Es kann Salz, Zucker, Säuren, Laugen, einige Gase und organisches Material auflösen.

Wasser, das durch Ihren Körper oder durch den Boden fließt, nimmt Chemikalien, Mineralien und Nährstoffe mit. Die Fähigkeit von Wasser, Substanzen aufzulösen, hilft, den Planeten gesund zu halten. Seit mehr als einem Jahrhundert pumpt die Verbrennung fossiler Brennstoffe große Mengen Kohlendioxid (CO2) in die Atmosphäre. Das Wasser in den Ozeanen hat etwa die Hälfte dieses CO2 absorbiert, indem es das Gas aus der Luft aufgelöst und durch Meeresvegetation verarbeitet hat.,

Wasser hat einen hohen spezifischen Wärmeindex, was bedeutet, dass es viel Energie benötigt, um seine Temperatur zu ändern. Dies ist wichtig, damit das Leben auf einem Planeten überleben kann. Die Fülle an Wasser auf der Erde hält den Planeten in einem sehr kurzen, aber angenehmen Temperaturbereich. Die durchschnittliche Oberflächentemperatur der Erde beträgt 59 ° F mit der höchsten aufgezeichneten Temperatur 135.9 ° F und der niedrigsten aufgezeichneten Temperatur -128.6 ° F.

Zum Vergleich erscheint es logisch, dass Merkur, der der Sonne am nächsten gelegene Planet, auf allen Oberflächen des Planeten wirklich warm bleiben würde, unabhängig davon, ob er der Sonne zugewandt war oder nicht., Während die der Sonne zugewandte Oberfläche jedoch sehr warme Temperaturen erreicht (bis zu 800 ° F), sinkt die von der Sonne abgewandte Oberfläche auf kühle -280 ° F. Der Wassermangel von Mercury ist für diese drastische Temperaturänderung verantwortlich, da das trockene Material, aus dem seine Oberfläche besteht, keine Wärme halten kann wie Wasser.

Um selbst zu erleben, wie gut Wasser die Temperatur vor drastischen Schwankungen schützt, achten Sie beim nächsten Besuch eines maritimen (ozeannahen) oder Wüstenklimas auf den Wechsel zwischen Tag-und Nachttemperaturen., Sie werden wahrscheinlich feststellen, dass es in der Nähe des Ozeans kaum bis gar keine Temperaturänderungen gibt, während sich in der Wüste die Tages-und Nachttemperaturen erheblich ändern.

Dieser hohe spezifische Wärmeindex hilft Wasser auch, Feuer zu löschen, indem es die Brennstoffoberflächen, die das Feuer verbrennt, abkühlt und die Wärme entfernt, die für das Brennen des Feuers benötigt wird. Wasser erstickt auch ein Feuer, indem es verhindert, dass es den Sauerstoff erhält, den es zum Verbrennen benötigt.,

Drittes Element: Luft

Luft galt als „reines“ Element, aber tatsächlich besteht die Luft um uns herum aus einer Vielzahl von Gasen: hauptsächlich Stickstoff und Sauerstoff, mit fast 1% Argon und noch kleineren Mengen Kohlendioxid und anderen Elementen wie Krypton und Helium. Die Zusammensetzung der Luft ist jedoch genau richtig für das Leben auf der Erde.

Wir verbrauchen viel Sauerstoff, den wir aus der Luft bekommen, und atmen dann Kohlendioxid aus – das Pflanzen benötigen, um ihre Nahrung durch Photosynthese herzustellen. Pflanzen geben wiederum Sauerstoff während der Photosynthese ab.,

Obwohl Luft unsichtbar ist (und wir meistens vergessen, dass sie sogar da ist), nimmt sie Platz ein, hat Volumen und übt Druck aus. Dies kann gesehen werden, wenn Sie ein „leeres“ Glas nehmen, es auf den Kopf stellen und versuchen, es auf den Boden einer Spüle voller Wasser zu drücken.

(Sie können sehen, wie sich Luft beim Erhitzen ausdehnt und beim Abkühlen mit diesem Ei-in-einer-Flasche-Projekt schrumpft.)

Wenn das Glas wirklich leer wäre, würde das Wasser leicht das Innere des Glases füllen. Aber Luft ist da drin und nur eine kleine Menge Wasser kann in das Glas gelangen., Die Luft im Glas wurde komprimiert, was dem Wasser etwas Platz gab, der zuvor mit Luft besetzt war.

Es ist eine gute Sache, dass Luft den leeren Raum füllt, weil Luft um uns herum tatsächlich die ganze Zeit auf uns drückt. Wir würden unter dem Gewicht der Luft zusammenbrechen, außer Luft ist auch in uns und übt Druck aus, der den von der Außenluft ausgeübten Druck ausgleicht.

Viertes Element: Feuer

Wie funktioniert Feuer? Es ist eng mit Luft verbunden. Feuer braucht drei Dinge, um zu existieren: Sauerstoff, Brennstoff und Wärme.,

Die Intensität eines Feuers variiert, da es von Sauerstoff, Brennstoff und Wärme abhängt, die ihm zur Verfügung stehen. Wenn sich alle drei Dinge in einer kontrollierten Situation befinden, z. B. in Kerzen oder einem Lagerfeuer, werden Brände als hilfreich angesehen. Wenn jedoch eines oder mehrere dieser Dinge nicht kontrolliert werden, z. B. bei einem Lauffeuer oder einem brennenden Gebäude, können Brände leicht sehr gefährlich werden.

Um ein Feuer zu löschen, muss der Sauerstoff, Kraftstoff oder Wärme entfernt werden. Das“ Ersticken “ eines Feuers durch Auflegen einer Decke oder eines Schmutzes funktioniert, weil das Feuer ohne Sauerstoff erlischt., Die Erde liefert eine Fülle von Brennstoffen in Form von Holz und fossilen Brennstoffen wie Kohle. Wenn der Kraftstoff entfernt wird, hat das Feuer nichts mehr zu brennen und ist ausgelöscht. Wasser dient oft als effektive Kühlquelle, indem die Wärme aus einem Feuer entfernt wird. Dies wird gesehen, wenn heiße Lava von einem ausbrechenden Vulkan in den Ozean gelangt oder wenn ein Eimer Wasser auf ein Lagerfeuer geworfen wird.

Feuer erzeugt Licht, Wärme und Rauch durch eine schnelle chemische Reaktion, die als Verbrennung bezeichnet wird. Rauch ist das Ergebnis der unvollständigen Verbrennung (Verbrennung) eines Kraftstoffs. Partikel, die nicht verbrannt wurden, schweben in der Luft., Rauch ist oft gefährlich, weil er schädliche Gase enthält, die eine Person vergiften können, die zu viel Rauch einatmet.

Sie werden überrascht sein zu wissen, dass unser Körper auch „Verbrennung“ verwendet, um Energie aus Sauerstoff und Nahrung durch Stoffwechselprozesse zu produzieren. Wir brauchen eine stetige Sauerstoffversorgung, damit unser Körper normal funktioniert; Wenn zu wenig Sauerstoff in der Luft ist, werden wir ersticken. Gleichzeitig können wir dankbar sein, dass nicht mehr Sauerstoff in der Luft ist oder die chemischen Reaktionen in unserem Körper sich beschleunigen und uns bald „abstürzen und verbrennen“lassen!,

Zu viel Sauerstoff in der Luft würde auch die Brandgefahr auf der Erde erhöhen. Da Stickstoff und Argon nicht sehr reaktiv sind, ist Luft für uns ziemlich sicher.

Wissenschaftsprojekte: Erforschung der vier Elemente

Feuerlöscher herstellen

Um ein Feuer zu löschen, muss eines von drei Dingen entfernt werden: Wärme, Brennstoff oder Sauerstoff. In diesem Wissen verwenden Feuerwehrleute nicht immer Wasser, um ein Feuer zu löschen.,

Was Sie Brauchen:

• Leere soda flasche
• 5 esslöffel essig
• 1/2 esslöffel backpulver
• Tee licht kerze

Was Sie Tun:

1. Licht die kerze.
2. Gießen Sie den Essig in die Flasche und fügen Sie das Backpulver. (Möglicherweise möchten Sie einen Trichter verwenden.) Die Mischung sollte zischen.
3. Halten Sie die Flasche seitlich über die brennende Kerze, um sicherzustellen, dass keine Flüssigkeit entweicht. Was passiert mit der Flamme?

Was ist passiert:

Backpulver und Essig reagieren auf Kohlendioxid, ein Gas, das schwerer als Sauerstoff ist., Wenn es aus der Flasche“ gießt“, drückt es den leichteren Sauerstoff von der Kerze weg. Das Feuer, das jetzt ohne Sauerstoff ist, kann nicht mehr brennen.

ährstoffe

Wasser wird oft als universelles Lösungsmittel bezeichnet, da es mehr Substanzen auflösen kann als jede andere Flüssigkeit und diese gelösten Partikel häufig mit sich führt. Wenn Wasser durch den Boden wandert, wandern Nährstoffe (Nahrung) und gelöste Partikel mit dem Wasser, um sich woanders abzulagern. Hier ist ein Experiment, um visuell zu demonstrieren, wie dieser Prozess abläuft.,

Was Sie Brauchen:

• 1/2 tasse trockenen boden
• 1/2 teelöffel blau pulverisierte tempera farbe
• Trichter
• Weit mund glas (, dass die trichter kann rest in)
• Kaffee filter
• Tassen oder behälter
• Wasser
• messbecher

Was Sie Tun: h4>

1. Mischen Sie den trockenen Boden und die Temperafarbe gründlich. Stellen Sie den Trichter in das Glas und legen Sie den Kaffeefilter in den Trichter. Gießen Sie die Bodenmischung in den Trichter.
2. Gießen Sie langsam 1/2 Tasse Wasser in den Trichter und beobachten Sie, wie das Wasser aus dem Trichter in das Glas läuft., Beachten Sie die Farbe des Wassers.
3. Nehmen Sie den Trichter aus dem Glas und gießen Sie das Wasser in eine Tasse oder einen Behälter. Ersetzen Sie den Trichter über dem Glas, mit dem Kaffeefilter voller Sand noch vorhanden.
4. Wiederholen Sie die Schritte 2 und 3 mehrmals mit einer frischen 1/2 Tasse Wasser und bewahren Sie das Wasser nach jedem Gießen in einer neuen Tasse auf.

Was passiert:

Sie werden feststellen, dass die erste halbe Tasse Wasser durch den Boden ging und eine sehr dunkelblaue Farbe hatte. Das Wasser kam jedoch mit jeder zusätzlichen Tasse leichter heraus., Schließlich kam das Wasser, das durch den Boden wanderte, klar im Glas heraus. Haben Sie gezählt, wie viele halbe Tassen Wasser es brauchte, um das Wasser klar laufen zu lassen?

Die Tempura-Farbe repräsentiert in diesem Experiment die Nährstoffe und gelösten Partikel im Boden. Wasser ist ein sehr effizienter Transporter von Partikeln, wie die Farbe des Wassers zeigt, als es durch den Boden gegossen wurde. Der Boden begann mit einer relativ hohen Menge an Nährstoffen und Partikeln – der Tempura-Farbe., Das durch den Boden fließende Wasser konnte einen großen Teil der „Nährstoffe“ aufnehmen und durch den Trichter tragen. Jedes nachfolgende Gießen von Wasser nahm mehr Nährstoffe auf. Mit jedem Gießen wurden die verbleibenden Nährstoffe immer weniger, bis das Wasser klar war und keine Nährstoffe mehr übrig waren, um mit dem Wasser zu reisen.,

Bemerkenswert Wissenschaftler: George Gabriel Stokes, 1819-1903

George Gabriel Stokes, war ein versierter britischer Mathematiker im 19 Jahrhundert, aber im Laufe seiner Karriere betonte er die Bedeutung des Experimentierens und der Problemlösung, sondern konzentriert sich ausschließlich auf Mathematik.

Durch Experimentieren und Anwenden von Mathematik auf die Physik entwickelte Stokes ein Gesetz, das die Bewegung eines Festkörpers durch eine Flüssigkeit oder ein Gas beschreibt. Dieses als Stoke-Gesetz bekannte Viskositätsgesetz etablierte die Wissenschaft der Hydrodynamik., Das Stoke-Gesetz erklärt Wolkenbewegung, Wellenbewegung und den Widerstand von Wasser gegen Schiffsbewegungen.

Die meisten Arbeiten von Stoke drehten sich um Wellen (Schall, Licht und Wasser) und wie sie sich durch verschiedene Medien wie Wasser und Gas bewegen. Er experimentierte damit, wie der Wind die Intensität eines Schalls beeinflusst und wie die Intensität von der Art des Gases beeinflusst wird, durch das die Schallwellen reisen. Er benannte und erklärte Fluoreszenz und untersuchte die Wellentheorie des Lichts., Er arbeitete auch daran, die verschiedenen farbigen Bänder zu verstehen, die in einem Spektrum zu sehen waren, und leistete bedeutende Beiträge zu dem, was wir über Licht und Optik wissen.

Stokes wird oft mit Sir Isaac Newton verglichen, weil es zahlreiche Parallelen zwischen Stokes Leben und Newtons Leben gibt: Beide hatten bahnbrechende Entdeckungen, entwickelten Bewegungsgesetze, untersuchten Licht und Optik, hielten den gleichen renommierten Lucasian Chair of Mathematics an der University of Cambridge und dienten im Parlament.

Fabelhafte Fakten

Erde

Die meisten Edelsteine enthalten mehrere Elemente., Die Ausnahme? Diamond. Es ist alles Kohlenstoff.

Welcher der 50 Staaten hat noch nie ein Erdbeben erlebt? North Dakota.

Der äquatoriale Umfang der Erde (40.075 km) ist größer als sein Polarumfang (40.008 km).

Die Erde wiegt schätzungsweise 6,6 Sextillionen Tonnen oder 5,97 x 1024 kg. Zum Vergleich: Eine Million ist eine 1 mit 6 Nullen-eine Sextillion ist eine 1 mit 21 Nullen. (1.000.000.000.000.000.000.000)

Wasser

Ein Zoll Regenwasser entspricht 15 Zoll trockenem, pulverförmigem Schnee.,

Der tiefste Teil des Ozeans ist 10.916 Meter tief und kommt im Marianengraben im Pazifischen Ozean vor. In dieser Tiefe beträgt der Druck 18.000 Pfund (9172 Kilogramm) pro Quadratzoll.

Das menschliche Gehirn besteht zu 80% aus Wasser.

Luft

8-12 Meilen über der Erde bewegen sich Luftflüsse, die als Strahlströme bekannt sind. Mehrere Meilen breit und 1-2 Meilen tief, diese Luftströme können Windgeschwindigkeiten von bis zu 250 Meilen pro Stunde haben. Im Gegensatz dazu haben die stärksten Hurrikane Windgeschwindigkeiten zwischen 150-200 Meilen pro Stunde.,

Feuer

Ein Blitzschlag ist etwa 5.000 °F (~2.800 °C).

Das Zentrum der Sonne ist etwa 27 Millionen Grad Fahrenheit (15 Millionen °C).

Elemente kombiniert

Wenn Wasserstoff in der Luft brennt, entsteht Wasser.

Sauerstoff ist das am häufigsten vorkommende Element in der Erdkruste, im Wasser und in der Atmosphäre (etwa 49,5%).

Schall bewegt sich etwa 4 mal schneller im Wasser als in der Luft.

Wind und Wasser verursachen beide Erosion der Erde, bewegen große Mengen an Sand und Fels, um Berge abzureißen und neue Strukturen zu bauen.,

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