Дослідження подвійної дифузії рідини
Завідувач відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «Мала академія наук України», кандидат педагогічних наук, голова Всеукраїнської громадської організації «Асоціація учителів фізики “Шлях освіти – ХХІ”». Наукові інтереси: моделювання освітніх та навчальних середовищ загальноосвітніх і позашкільних навчальних закладів з урахуванням трендів розвитку сучасних засобів навчання.
| Рівень складності | Легкий |  |
| Рівень небезпеки | Безпечно |  |
| Доступність використовуваних матеріалів | Можливо виконати в домашніх умовах |  |
| Орієнтовний час на виконання роботи | До 1 години |  |
Блок 1. Резюме
Метою роботи є відтворення феномену подвійної дифузії та порівняння його з тепловою дифузією та дифузією солі.
Блок 2. Попередня інформація
Дифузія – це процес взаємного проникнення молекул або атомів однієї речовини поміж молекул або атомів іншої, що зазвичай приводить до вирівнювання їхніх концентрацій у всьому займаному об’ємі.
Щодо морської води треба відзначити той факт, що дифузія солі йде повільніше у порівнянні з теплопровідністю. В океані може виникнути ситуація, за якої виникає нестійкість, що призводить до перемішування, що називається подвійною дифузією.
Розглянемо ситуацію, в якій прогріта сонцем, тепліша і солоніша вода перебуває над більш холодною та прісною водою, причому нагорі густина води нижча, ніж унизу. На перший погляд, цей стан є гравітаційно стійким. Однак нехай невеликий об’єм теплої солоної води зануриться вниз, у більш холодну і прісну ділянку. Температура цього об’єму за рахунок теплообміну знизиться швидше, ніж концентрація солі в ньому за рахунок дифузії. Тобто, іншими словами, тепло поширюється від верхніх шарів води до нижніх набагато швидше, ніж відбувається дифузія солі.
Для дослідження температурної дифузії потрібен безрозмірний критерій, який називається числом Релея Ra, що визначає поведінку рідини під впливом градієнта температури.
, де g – прискорення вільного падіння, L – характерна довжина, ΔT – характерна різниця температур, ν – кінематична в’язкість рідини, a – коефіцієнт термічної дифузії, β – температурний коефіцієнт об’ємного розширення рідини. Якщо число Релея перевищує деяке критичне значення (теоретичні оцінки показують, що нестійкий стан рідини настає за Ra = 657), рівновага рідини стає нестійкою і виникають конвективні потоки. Для виникнення конвекції необхідно, щоб перепад температури існував деякий час. Якщо воно буде дуже малим, то поле густини не зможе перебудуватися й конвективне перемішування не розвинеться.
Блок 3. Обладнання
Плаский вертикальний резервуар, барвники, сіль, лід, губка.
Блок 4. Експериментальна процедура
Частина 1. Теплова дифузія.
- Наповніть резервуар до половини холодною водою та додайте лід.
- Зачекайте 10 хвилин для охолодження води в резервуарі.
- Склянку гарячої води підфарбуйте та акуратно вилийте на губку.
- Спостерігайте за розміщенням шару теплої води.
Частина 2. Дифузія солі.
- Наповніть резервуар до половини прісною водою.
- Склянку солоної води підфарбуйте та акуратно вилийте її на губку.
- Спостерігайте за розміщенням шару солоної води.
Частина 3. Подвійна дифузія.
- Наповніть резервуар до половини прісною водою.
- Склянку солоної теплої води підфарбуйте та акуратно вилийте на губку.
- Спостерігайте за поведінкою верхнього шару солоної води.
Якщо немає можливості виконати дослід, завантажте відео з ресурсу.
Блок 5. Аналіз отриманих даних
Рис. 1.1. Результати досліду з тепловою дифузією.
Бачимо стійку температурну стратифікацію. Якщо ми вносимо певні збурення, то на поверхні розділу між шарами (який називається термоклин) починають генеруватися внутрішні хвилі.
Рис. 1.2. Результати досліду з дифузією солі.
Бачимо, як більш солона вода з більшою густиною занурюється на дно, і як у попередньому варіанті утворюється стійка стратифікація по солоності. Шар зі стрибком солоності називається пікноклин.
Рис. 1.3. Результати досліду з подвійною дифузією.
Як бачимо, з часом невеликі об’єми теплої солоної води починають занурюватися вниз, у більш холодну і прісну ділянку у вигляді сольових “пальців”. Температура цього об’єму шляхом теплообміну зменшується швидше, аніж концентрація солі в ньому за шляхом дифузії, тому цей процес активно продовжується.
Блок 6. Напрями розвитку
З’ясуйте, за якого співвідношення концентрації солі та за якої температури розчину будуть утворюватися сольові “пальці”.