Cel Zaobserwowanie tworzenia się termokliny oraz dyfuzyjnego mieszania na granicy wód o różnej temperaturze. Wprowadzenie

Gęstość – parametr fizyczny mówiący o stosunku masy do objętości danej substancji. W przypadku wody parametr ten zależy głównie od temperatury [Wykres 1]. W związku z powyższym woda o różnej temperaturze ma różną gęstość. Naturalne jest, że woda o większej gęstości jest cięższa, w związku z czym gromadzi się głębiej. W zbiornikach naturalnych zjawisko to jest często obserwowane i powoduje kształtowanie się termokliny. Jest to warstwa nagłego skoku temperatury co oznacza, że temperatura wody bardzo szybko zmienia się wraz ze wzrostem głębokości.

Kiedy się tworzy termoklina?

W środowisku wodnym głównym czynnikiem powodującym zmiany temperatury jest energia słoneczna. Promieniowanie słoneczne jest silnie pochłaniane przez wodę. Większość dociera jedynie na niewielkie głębokości, dlatego warstwy najpłytsze nagrzewają się bardziej niż pozostałe. Na skutek tego tworzy się przypowierzchniowa warstwa o wyżej temperaturze i mniejszej gęstości. Jeśli temperatura w przybliżeniu maleje w kierunku dna (za wyjątkiem temperatur 0 – 4 º C), to mamy do czynienia ze stabilnym uwarstwieniem mas wodnych [Wykres 2]. Zdarza się jednak, że obserwujemy występowanie zimniejszych, gęstszych i cięższych warstw wody bliżej powierzchni. W zbiornikach naturalnych występują również inne czynniki powodujące zróżnicowanie temperatury w przestrzeni, np. dopływ wód rzecznych, opady itp.

Dyfuzja - proces swobodnego rozprzestrzeniania się i mieszania cząstek w całej objętości substancji w wyniku chaotycznego ruchu cząstek.


Potrzebne przedmioty:

•  Przezroczyste naczynie np. szklanka
• Woda
• Barwnik np. atrament, barwnik spożywczy
• Mieszadło np. łyżeczka, patyczek Obrazek po lewej stronie przedstawia przykładowy zestaw przedmiotów do wykonania doświadczenia

Przebieg doświadczenia:

1. Przygotowujemy 2 pojemniki z wodą. Jeden z nich z wodą zimną (może być zimna woda z kranu), drugi z wodą ciepłą (podgrzaną w czajniku); im większa różnica temperatur w obydwu naczyniach, tym lepszy efekt uzyskamy. UWAGA! Woda nie powinna być zbyt gorąca ze względów bezpieczeństwa.

2. Do jednego z pojemników dodajemy barwnik i dokładnie mieszamy. Na zdjęciu poniżej barwnik został dodany do wody zimnej.
3. Następnie zimną wodę powoli wlewamy do wody ciepłej. Najlepiej jest dolewać zabarwioną wodę po ściance lub użyć do tego celu mieszadła lub łyżeczki.
4. Obserwujemy co dzieje się z zabarwioną wodą i jak zmienia się kolor wody w naczyniu. Obserwacje

Chwilę po dolaniu zimnej wody do ciepłej, woda zimna zgromadziła się w dolnej części pojemnika. Niewyraźna w pierwszej chwili granica zaczęła nabierać ostrości i być coraz lepiej widoczna. Stan ten ustabilizował się po kilku sekundach. Zaczęły się pojawiać nieregularne, cienkie strumienie zabarwionej wody na granicy. Warstwy coraz bardziej się zacierały. Wraz z wyrównywaniem się temperatury, kolor w naczyniu stawał się coraz bardziej jednolity, aż do całkowitego wymieszania. Wnioski Woda zimna i ciepła mają różne temperatury, co powoduje różnicę gęstości pomiędzy nimi. Mieszanie i wyrównywanie się temperatur następuje stopniowo. W pierwszej chwili wody zaburzone przez dolewanie, rozdzielają się tak, aby stworzyć układ stabilny. Woda zimna ma większą gęstość (jest cięższa), dlatego opada na dno naczynia. Ciepła natomiast unosi się w kierunku powierzchni. W miejscu podziału tworzy się termoklina, czyli warstwa gwałtownego skoku temperatury. Użyte w doświadczeniu kubeczki nie są jednak izolowane od otoczenia, dlatego początkowo gorąca woda będzie się ochładzać. Różnica temperatur pomiędzy warstwami będzie coraz mniejsza, aż nastąpi powolne mieszanie. Dzięki zjawisku dyfuzji kolor staje się identyczny w całym naczyniu.

Dla ciekawych Temperatura wody Temperatura powierzchni morza

Materiały współfinansowane przez Polską Akademię Nauk w ramach środków na działalność upowszechniającą naukę.