Madame Lelica

Lezione di scienza: Terra, Acqua, Aria e Fuoco

Gli antichi greci credevano che ci fossero quattro elementi di cui tutto era composto: terra, acqua, aria e fuoco. Questa teoria è stata suggerita intorno al 450 AC, ed è stato successivamente supportato e aggiunto da Aristotele.

(Aristotele suggerì anche che ci fosse un quinto elemento, l’etere, perché sembrava strano che le stelle fossero fatte di elementi terreni., Sarebbe sorpreso di apprendere che essi sono in realtà costituiti da molti elementi trovati sulla terra, e sono così caldo si potrebbe dire di essere in fiamme tutto il tempo!)

L’idea che questi quattro elementi – terra, acqua, aria e fuoco – costituissero tutta la materia è stata la pietra angolare della filosofia, della scienza e della medicina per duemila anni (i bambini amano fare domande sugli elementi).

Gli elementi erano “puri” ma non potevano essere trovati in quello stato sulla terra. Ogni cosa visibile era composta da una combinazione di terra, acqua, aria e fuoco.,

I quattro elementi venivano persino usati per descrivere i quattro temperamenti che una persona poteva avere, e Ippocrate usava i quattro elementi per descrivere i quattro “umori” trovati nel corpo. Queste teorie affermavano che i temperamenti e gli umori dovevano essere in equilibrio l’uno con l’altro affinché una persona stesse bene sia mentalmente che fisicamente.

Mentre ora sappiamo che queste teorie precedenti sono false, in un certo senso i quattro elementi si allineano con i quattro stati della materia su cui la scienza moderna ha concordato: solido (terra), liquido (acqua), gas (aria) e plasma (fuoco).,

Sebbene i greci credessero che i quattro elementi fossero immutabili in natura, tutto era costituito da elementi diversi, che erano tenuti insieme o spinti a parte da forze di attrazione e repulsione, causando che le sostanze sembrassero cambiare. Questo è simile a ciò che accade realmente con gli elementi e tutte le molecole a livello atomico.

La materia è tutto ciò che ha massa e volume ed è costituito da atomi, che sono le particelle più piccole della materia. Il legame si verifica tra gli atomi per creare molecole più grandi. (Clicca qui per saperne di più sul legame.,) La massa è quanta materia è in un oggetto mentre il volume è quanto spazio occupa l’oggetto. Il modo in cui gli atomi sono disposti in un oggetto determina se si tratta di un solido, liquido, gas o plasma.

• In un solido, gli atomi sono imballati strettamente insieme in un modello ordinato e non possono muoversi, dando a un solido un volume e una forma definiti. Esempi di solidi includono rocce, legno, metallo e ghiaccio.
• In un liquido, gli atomi sono vicini ma possono muoversi l’uno intorno all’altro. Ciò consente a un liquido di assumere la forma di qualsiasi contenitore in cui è collocato., Esempi di liquidi includono acqua a temperatura ambiente, mercurio a temperatura ambiente e lava calda (roccia fusa).
• In un gas, c’è più spazio tra gli atomi. Gli atomi possono muoversi così liberamente che se il gas non è intrappolato in un contenitore, gli atomi si diffonderanno e si diffonderanno in tutta l’atmosfera. Esempi di gas sono ossigeno e azoto (nell’aria che respiriamo), elio e vapore (vapore acqueo).
• In un plasma, gli atomi sono distanziati in modo simile al gas, tranne che c’è tanta energia in un plasma, gli atomi in realtà si dividono in pezzi più piccoli., I plasmi sono in grado di trasportare una corrente elettrica e generare campi magnetici. Esempi di plasmi includono fulmini, vento solare, sole, luci fluorescenti e insegne al neon.

La temperatura gioca un ruolo importante nel modo in cui gli atomi sono allineati in una sostanza. Come regola generale, più la materia è fredda, più gli atomi sono vicini l’uno all’altro e più calda è la materia, più gli atomi sono distanti. Naturalmente, la temperatura alla quale una materia è un solido o un liquido dipende da quale sostanza è fatta la materia., Ad esempio, l’acqua a temperatura ambiente è un liquido mentre una roccia a temperatura ambiente è solida.

Lezione di scienza: I quattro elementi della vita quotidiana

Primo elemento: Terra

La terra è piena di una grande varietà di rocce e minerali che fornisce il terreno per coltivare la vegetazione e sostenere la vita. I due elementi più comuni nella crosta terrestre sono l’ossigeno (46%) e il silicio (28%). Per questo motivo, il minerale più abbondante nella crosta terrestre è la silice (biossido di silicio). Più comunemente noto come sabbia, la silice è un componente importante del vetro. Come può il vetro essere fatto di sabbia?, È interessante notare che quando la silice viene riscaldata, si scioglie e diventa vetro, indurendosi mentre si raffredda.

Ricchi depositi di minerali metallici si trovano in tutta la crosta terrestre. Mentre questi metalli sono utilizzati nella produzione di macchinari, strumenti, edifici e armi, direttamente dalla terra questi metalli sono piuttosto inutili. Il fuoco viene utilizzato per riscaldare, raffinare e modellare il metallo in modo che macchine, martelli e travi di supporto possano essere ricavati da esso.

È facile pensare che la terra sia terra solida attraverso e attraverso, ma in realtà è composta da diversi strati., Mentre molti di questi strati sono solidi, lo strato che circonda il nucleo è chiamato il nucleo esterno liquido. È così caldo all’interno della terra che la roccia in questo strato si è effettivamente sciolta. Il nucleo interno solido è caldo quanto lo strato liquido che lo circonda, ma la pressione sul nucleo interno è così grande che gli scienziati ritengono che sia “premuto” in un solido.

Secondo elemento: Acqua

L’acqua ha molte proprietà uniche. La formula chimica dell’acqua è H20, il che significa che è composta da due atomi di idrogeno legati a un atomo di ossigeno., Gli atomi di idrogeno si attaccano ciascuno a un lato dell’atomo di ossigeno e hanno una carica positiva mentre l’atomo di ossigeno ha una carica negativa. Questo polarizza la molecola d’acqua, molto simile a un magnete, dando una molecola d’acqua estremità positive e negative.

Poiché le cariche opposte si attraggono, le molecole d’acqua tendono ad “attaccarsi” insieme. Questo dà tensione superficiale dell’acqua e permette oggetti, come graffette, a galleggiare su di esso.

Mentre non può sciogliere tutto, l’acqua è conosciuta come il solvente universale perché può sciogliere più sostanze di qualsiasi altro liquido., Può sciogliere sale, zucchero, acidi, alcali, alcuni gas e materiale organico.

L’acqua che viaggia attraverso il tuo corpo o attraverso il terreno porta con sé sostanze chimiche, minerali e sostanze nutritive. La capacità dell’acqua di dissolvere le sostanze aiuta a mantenere il pianeta sano. Per più di un secolo, la combustione di combustibili fossili ha pompato grandi quantità di anidride carbonica (CO2) nell’atmosfera. L’acqua negli oceani ha assorbito circa la metà di questa CO2 sciogliendo il gas dall’aria e trasformandolo dalla vegetazione marina.,

L’acqua ha un alto indice di calore specifico, il che significa che richiede molta energia per cambiare la sua temperatura. Questo è essenziale per la vita per sopravvivere su un pianeta. L’abbondanza di acqua sulla terra mantiene il pianeta in un intervallo di temperatura molto breve ma confortevole. La temperatura superficiale media della terra è 59 ° F con la temperatura più alta registrata 135,9 ° F e la temperatura più bassa registrata -128,6 ° F.

Per confrontare, sembrerebbe logico che Mercurio, il pianeta più vicino al sole, rimarrebbe davvero caldo su tutte le superfici del pianeta, indipendentemente dal fatto che fosse rivolto verso il sole o meno., Tuttavia, mentre la superficie rivolta verso il sole raggiunge temperature molto calde (fino a 800 ° F), l’affioramento rivolto lontano dal sole scende a un freddo -280 ° F. La mancanza di acqua di mercurio è responsabile di questo drastico cambiamento di temperatura perché il materiale secco che costituisce la sua superficie non può trattenere il calore come l’acqua.

Per sperimentare di persona quanto bene l’acqua mantenga la temperatura da drastiche fluttuazioni, presta attenzione al cambiamento tra le temperature diurne e notturne la prossima volta che visiti un clima marittimo (vicino all’oceano) o desertico., Probabilmente noterai che c’è poco o nessun cambiamento di temperatura vicino all’oceano, mentre nel deserto c’è un cambiamento significativo nelle temperature diurne e notturne.

Questo alto indice di calore specifico aiuta anche l’acqua a spegnere il fuoco raffreddando le superfici del carburante che il fuoco sta bruciando, rimuovendo il calore necessario per bruciare il fuoco. L’acqua soffoca anche un fuoco impedendogli di ottenere l’ossigeno di cui ha bisogno per bruciare.,

Terzo elemento: Aria

L’aria era considerata un elemento “puro”, ma in realtà l’aria che ci circonda è composta da una varietà di gas: principalmente azoto e ossigeno, con quasi l’ 1% di argon e quantità ancora più piccole di anidride carbonica e altri elementi come il krypton e l’elio. La composizione dell’aria è giusta per la vita sulla Terra, però.

Usiamo molto dell’ossigeno che otteniamo dall’aria, quindi espiriamo l’anidride carbonica – di cui le piante hanno bisogno per produrre il loro cibo attraverso la fotosintesi. Le piante a loro volta emettono ossigeno durante la fotosintesi.,

Sebbene l’aria sia invisibile (e la maggior parte delle volte ci dimentichiamo che è anche lì), occupa spazio, ha volume ed esercita pressione. Questo può essere visto quando si prende un bicchiere “vuoto”, capovolgerlo e provare a spingerlo verso il basso sul fondo di un lavandino pieno d’acqua.

(Puoi vedere come l’aria si espande quando viene riscaldata e si restringe quando viene raffreddata con questo progetto egg-in-a-bottle.)

Se il bicchiere fosse veramente vuoto, l’acqua riempirebbe facilmente l’interno del bicchiere. Ma l’aria è lì dentro e solo una piccola quantità di acqua può entrare nel bicchiere., L’aria nel vetro era compressa, dando all’acqua uno spazio precedentemente occupato dall’aria.

È una buona cosa che l’aria riempia lo spazio vuoto perché l’aria intorno a noi in realtà preme su di noi tutto il tempo. Crolleremmo sotto il peso dell’aria, tranne che l’aria è anche dentro di noi ed esercita una pressione che equilibra la pressione esercitata dall’aria esterna.

Quarto elemento: Fuoco

Come funziona il fuoco? È strettamente legato all’aria. Il fuoco ha bisogno di tre cose per esistere: ossigeno, carburante e calore.,

L’intensità di un incendio varia perché dipende dall’ossigeno, dal carburante e dal calore a sua disposizione. Quando tutte e tre queste cose sono in una situazione controllata, come nelle candele o in un falò, gli incendi sono considerati utili. Ma quando una o più di queste cose non sono controllate, come in un incendio o in un edificio in fiamme, gli incendi possono facilmente diventare molto pericolosi.

Per spegnere un incendio, l’ossigeno, il carburante o il calore devono essere rimossi. “Soffocare” un fuoco mettendo una coperta o sporcizia su di esso funziona perché il fuoco si spegne senza ossigeno., La terra fornisce un’abbondanza di combustibile sotto forma di legno e combustibili fossili come il carbone. Quando il carburante viene rimosso, il fuoco non ha più nulla da bruciare e si spegne. L’acqua spesso serve come fonte di raffreddamento efficace rimuovendo il calore da un fuoco. Questo è visto quando la lava calda da un vulcano in eruzione entra nell’oceano o quando un secchio d’acqua viene scaricato su un falò.

Il fuoco crea luce, calore e fumo da una rapida reazione chimica chiamata combustione. Il fumo è il risultato della combustione incompleta (combustione) di un combustibile. Le particelle che non sono state bruciate diventano sospese nell’aria., Il fumo è spesso pericoloso perché contiene gas nocivi che possono avvelenare una persona che inala troppo fumo.

Potresti essere sorpreso di sapere che i nostri corpi usano anche la “combustione” per produrre energia dall’ossigeno e dal cibo attraverso i processi metabolici. Abbiamo bisogno di una fornitura costante di ossigeno per mantenere i nostri corpi funzionanti normalmente; se c’è troppo poco ossigeno nell’aria, soffocheremo. Allo stesso tempo, possiamo essere grati che non c’è più ossigeno nell’aria, o le reazioni chimiche nei nostri corpi accelererebbero, facendoci presto “schiantare e bruciare”!,

Troppo ossigeno nell’aria aumenterebbe anche il rischio di incendi sulla terra. Poiché l’azoto e l’argon non sono molto reattivi, l’aria è abbastanza sicura per noi.

Progetti scientifici: Esplorare i quattro elementi

Fare un estintore

Per spegnere un incendio, una delle tre cose deve essere rimossa da esso: calore, carburante o ossigeno. Sapendo questo, i vigili del fuoco non sempre usano l’acqua per spegnere un incendio.,

Quello che ti serve:

• Bottiglia di soda vuota
• 5 cucchiai di aceto
• 1/2 cucchiaio di bicarbonato di sodio
• Tea light candle

Cosa fai:

1. Accendi la candela.
2. Versare l’aceto nella bottiglia e aggiungere il bicarbonato di sodio. (Si consiglia di utilizzare un imbuto.) La miscela dovrebbe fizz.
3. Tenere la bottiglia lateralmente sopra la candela accesa, assicurandosi che nessun liquido fuoriesca. Cosa succede alla fiamma?

Cosa è successo:

Il bicarbonato di sodio e l’aceto reagiscono per produrre anidride carbonica, un gas più pesante dell’ossigeno., Mentre “versa” fuori dalla bottiglia, spinge l’ossigeno più leggero lontano dalla candela. Il fuoco, ora privo di ossigeno, non può più bruciare.

Nutrienti in viaggio

L’acqua è spesso chiamata Solvente universale perché può sciogliere più sostanze di qualsiasi altro liquido, portando spesso con sé queste particelle disciolte. Quando l’acqua viaggia attraverso il suolo, i nutrienti (cibo) e le particelle disciolte viaggiano con l’acqua da depositare da qualche altra parte. Ecco un esperimento per dimostrare visivamente come avviene questo processo.,

che Cosa Hai Bisogno di:

• 1/2 tazza di suolo secco
• 1/2 cucchiaino di blu polvere di tempera
• Imbuto
• Ampia bocca del vaso (che l’imbuto può riposare in)
• Caffè filtro
• bicchieri di plastica o contenitori
• Acqua
• una tazza di Misurazione

che Cosa fa:

1. Mescolare il terreno asciutto e tempera a fondo. Posizionare l’imbuto nel barattolo e posizionare il filtro del caffè nell’imbuto. Versare la miscela di terreno nell’imbuto.
2. Versare lentamente 1/2 tazza di acqua nell’imbuto, guardando mentre l’acqua esce dall’imbuto nel barattolo., Notare il colore dell’acqua.
3. Rimuovere l’imbuto dal barattolo e versare l’acqua in una tazza o in un contenitore. Sostituire l’imbuto sopra il barattolo, con il filtro del caffè pieno di sabbia ancora in posizione.
4. Ripetere i passaggi 2 e 3 con una tazza di acqua fresca 1/2 più volte, risparmiando l’acqua in una nuova tazza dopo ogni versamento.

Cosa succede:

Noterai che quando la prima mezza tazza d’acqua attraversava il terreno, usciva come un colore blu molto scuro. Tuttavia, l’acqua è uscita più leggera con ogni tazza aggiuntiva., Alla fine, l’acqua che viaggiava attraverso il terreno usciva chiara nel barattolo. Hai contato quante mezze tazze d’acqua ci sono volute per far scorrere l’acqua?

La vernice tempura in questo esperimento rappresenta i nutrienti e le particelle disciolte presenti nel terreno. L’acqua è un trasportatore molto efficiente di particelle come evidenziato dal colore dell’acqua come è stato versato attraverso il terreno. Il terreno è iniziato con una quantità relativamente elevata di sostanze nutritive e particelle in esso – la vernice tempura., L’acqua che scorre attraverso il terreno è stata in grado di raccogliere una grande percentuale dei “nutrienti” e portarli con sé attraverso l’imbuto. Ogni successivo versamento di acqua raccolse più sostanze nutritive. Con ogni versamento, i nutrienti rimanenti diventavano sempre meno fino a quando l’acqua non correva chiara e non c’erano più nutrienti rimasti per viaggiare con l’acqua.,

Scienziato degno di nota: George Gabriel Stokes, 1819-1903

George Gabriel Stokes è stato un matematico britannico compiuto nel 19 ° secolo, ma nel corso della sua carriera, ha sottolineato l’importanza della sperimentazione e problem solving, piuttosto che concentrarsi esclusivamente sulla matematica.

Sperimentando e applicando la matematica alla fisica, Stokes si avvicinò con una legge che descrive il movimento di un solido attraverso un liquido o un gas. Conosciuta come Legge di Stoke, questa legge della viscosità ha stabilito la scienza dell’idrodinamica., La legge di Stoke spiega il movimento delle nuvole, il movimento delle onde e la resistenza dell’acqua al movimento delle navi.

La maggior parte del lavoro di Stoke ruotava attorno alle onde (suono, luce e acqua) e al modo in cui si muovono attraverso vari mezzi, come acqua e gas. Ha sperimentato come il vento influenza l’intensità di un suono e come l’intensità è influenzata dal tipo di gas che le onde sonore viaggiano attraverso. Ha chiamato e spiegato la fluorescenza e ha studiato la teoria delle onde della luce., Ha anche lavorato sulla comprensione delle diverse bande colorate che potrebbero essere viste in uno spettro e ha dato contributi significativi a ciò che sappiamo sulla luce e sull’ottica.

Stokes è spesso paragonato a Sir Isaac Newton perché ci sono numerosi paralleli tra la vita di Stoke e la vita di Newton: entrambi hanno avuto scoperte rivoluzionarie, sviluppato leggi del movimento, studiato luce e ottica, tenuto la stessa prestigiosa cattedra lucasiana di Matematica all’Università di Cambridge e servito in Parlamento.

Fatti favolosi

Terra

La maggior parte delle pietre preziose contiene diversi elementi., L’eccezione? Diamante. E ‘ tutto carbonio.

Quale dei 50 stati non ha mai avuto un terremoto? Dakota del Nord.

La circonferenza equatoriale della Terra (40.075 km) è maggiore della sua circonferenza polare (40.008 km).

Si stima che la Terra pesasse 6,6 sestilioni di tonnellate, o 5,97 x 1024 kg. Per confrontare, un milione è un 1 con 6 zeri che lo seguono – un sestiglione è un 1 con 21 zeri che lo seguono. (1.000.000.000.000.000.000.000)

Acqua

Un pollice di acqua piovana equivale a 15 pollici di neve secca e polverosa.,

La parte più profonda dell’oceano è 35.813 piedi (10.916 metri) di profondità e si verifica nella Fossa delle Marianne nell’Oceano Pacifico. A quella profondità la pressione è di 18.000 libbre (9172 chilogrammi) per pollice quadrato.

Il cervello umano è l ‘ 80% di acqua.

Air

8-12 miglia sopra la terra, fiumi d’aria noti come flussi a getto si muovono sopra di noi. Diverse miglia di larghezza e 1-2 miglia di profondità, queste correnti d’aria possono avere velocità del vento fino a 250 miglia all’ora. Al contrario, gli uragani più forti hanno velocità del vento tra 150-200 miglia all’ora.,

Fuoco

Un fulmine è di circa 5.000 °F (~2.800 °C).

Il centro del Sole è di circa 27 milioni di gradi Fahrenheit (15 milioni di °C).

Elementi combinati

Quando l’idrogeno brucia nell’aria, si forma acqua.

L’ossigeno è l’elemento più abbondante nella crosta terrestre, nelle acque e nell’atmosfera (circa il 49,5%).

Il suono viaggia circa 4 volte più velocemente in acqua che in aria.

Il vento e l’acqua causano entrambi l’erosione della terra, spostando grandi quantità di sabbia e roccia per abbattere le montagne e costruire nuove strutture.,

Ulteriori letture

• Un’introduzione alla luce
• Energia solare
• Identificare le rocce & Minerali