Таяние льда это диффузия

научная статья по теме ДВОЙНАЯ ДИФФУЗИЯ ПРИ ТАЯНИИ ЛЬДА В СОЛЕНОЙ ВОДЕ Геофизика

Цена:

Авторы работы:

Научный журнал:

Год выхода:

Текст научной статьи на тему «ДВОЙНАЯ ДИФФУЗИЯ ПРИ ТАЯНИИ ЛЬДА В СОЛЕНОЙ ВОДЕ»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 6, с. 826-830

ДВОЙНАЯ ДИФФУЗИЯ ПРИ ТАЯНИИ ЛЬДА В СОЛЕНОЙ ВОДЕ

© 2007 г. В. И. Букреев

Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН 630090 Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 15 E-mail: bukreev@hydro.nsc.ru Поступила в редакцию 25.05.2006 г., после доработки 15.01.2007 г.

Приведены результаты лабораторных опытов, показывающие, что при таянии куска льда ограниченных размеров («айсберга») в теплой соленой воде под ним формируется струйное течение, проникающее на большую глубину. Это связано с тем, что коэффициент молекулярной диффузии тепла примерно на два порядка больше коэффициента молекулярной диффузии соли.

По данным [1] при температуре 20°С и солености 35%о коэффициент температуропроводности морской воды % = 1.49 х 10-3 см2/с, а коэффициент молекулярной диффузии соли №С1 в тех же условиях D = 1.29 х 105 см2/с, так что по величине эти коэффициенты различаются почти на два порядка. При описании гидрофизических процессов, обусловленных таким различием, применяется термин «двойная диффузия» [2]. Математическому моделированию и экспериментальному исследованию двойной диффузии посвящен ряд работ [1, 36]. В частности, двойная диффузия приводит к образованию тонкой структуры гидрофизических полей в виде так называемых «пальцев» [2]. В [3] отмечено влияние двойной диффузии на процесс замерзания морской воды. В данной работе приведены результаты лабораторных опытов, в которых изучался процесс таяния куска льда («айсберга») в соленой воде с температурой Т в диапазоне 13-22°С и концентрацией S соли №С1 в диапазоне 24-36%о. Такие значения Т и S типичны для морской воды [1, 7].

При таянии льда образуется пресная вода, плотность которой на 1.8-2.6% меньше плотности морской воды. При столь большой разности плотностей движение жидкости должно происходить вроде бы только вблизи свободной поверхности. Однако выполненные опыты показали, что двойная диффузия порождает также достаточно интенсивное глубоководное течение. При контакте холодной пресной воды с температурой около 0°С и более теплой соленой воды формируются тепловой и концентрационный пограничные слои. Вследствие большого различия коэффициентов молекулярной диффузии толщина теплового пограничного слоя нарастает значительно быстрее толщины концентрационного слоя. В результате часть раствора охлаждается, сохраняя первона-

чальную соленость, становится более тяжелой, погружается на большую глубину и порождает вихревое движение в окружающей жидкости.

Опыты выполнялись в лотке длиной 63 см, высотой 50 см и шириной 20 см, со стенками из оргстекла толщиной 1.8 см. Температура воздуха в помещении равнялась 13-15°С. Лоток заполнялся прозрачным раствором поваренной соли до глубины 46-48 см. Затем на свободную поверхность раствора аккуратно помещался кусок льда, имитирующий айсберг. Характерный поперечный размер «айсберга» составлял 10-15 см. «Айсберг» имел различную форму и располагался либо в середине, либо у одной из торцевых стенок лотка. Его начальная температура равнялась (-10 ± 2)°С.

Непрерывно изменяющаяся во времени трехмерная картина движения жидкости в лотке хорошо прослеживалась визуально. Непосредственно под «айсбергом» охлажденный раствор опускался в виде сосредоточенной струи, в которую вовлекалась окружающая жидкость. При этом и в струе, и в окружающей жидкости формировались и быстро распадались вихри различной формы и размеров. Вихри в окружающей жидкости были значительно крупнее, чем в струе. Из-за ограниченной высоты лотка предельную глубину погружения струи определить не удалось. Можно отметить только, что расстояние от «айсберга» до дна лотка составляло примерно 8 диаметров струи, и на всем этом расстоянии скорость погружения не снижалась.

Толщина слоя талой воды у свободной поверхности возрастала со временем, а размер «айсберга» уменьшался, так что все меньшая часть льда оставалась в соленой воде. Тем не менее глубоководное течение сохраняло свою структуру и интенсивность почти до полного таяния «айсберга»: в данных опытах — несколько часов. После этого движение жидкости достаточно быстро прекращалось и устанав-

Рис. 1. Возмущение поля плотности. р = 1.0252 г/см3, г = 92 с.

ливалась устойчивая стратификация по плотности, близкая к двухслойной. Пресная талая вода с температурой около 4.5°С почти полностью оказывалась в верхнем слое толщиной около 2 см, а в ниже расположенной соленой воде плотность уменьшалась лишь на доли промилле по сравнению с ее первоначальным значением. В дальнейшем процесс выравнивания плотности в лотке происходил только за счет молекулярной диффузии и теплообмена с лабораторным помещением. Температура выравнивалась через 4—5 часов, а неравномерное распределение солености по глубине сохранялось несколько суток.

Некоторое представление о структуре глубоководного течения дают иллюстрации на рис. 1-5. Значения начальной температуры Т, начальной плотности раствора р и времени г от момента погружения «айсберга» (с неопределенностью ±5 с) приведены в подписях под рисунками.

Иллюстрация на рис. 1 получена нестандартным теневым методом с компьютерной обработкой первичной информации. Метод разработан Е.В. Ерманюком и Н.В. Еавриловым [8]. В нем никакие возмущения в жидкость не вносятся, так что он наиболее объективно подтверждает факт существования глубоководного течения в рассматриваемой задаче. Он дает усредненную поперек лотка информацию о возмущениях поля плотности. В данных опытах возмущения плотности вне основной струи были за пределами чувствительности метода и на приводимой иллюстрации не заметны. Для повышения разрешающей способности уменьшалось поле зрения видеокамеры. В частности, на рис. 1 показана только верхняя часть струйного течения под «айсбергом».

Рис. 2. Поле скорости (а) и линии тока (б) при значениях р = 1.0258 г/см3 и г = 40 с.

Информация о поле скорости движения жидкости в продольной плоскости симметрии лотка в два момента времени, приведенная на рис. 2, 3, получена с помощью так называемого Р1У-метода. Использовалась техника и программное обеспечение фирмы DANTEC. В раствор добавлялись частицы алюминиевой пудры микронных размеров. Концентрация частиц была порядка 1 мг/л, а скорость их осаждения — порядка 0.01 мм/с. Стрелки на рис. 2а и 3 а показывают направление движения частиц в плоскости светового ножа, используемого в Р1У-методе, а длина стрелок соответствует значению модуля двумерного вектора скорости в указанной плоскости. Соответствующий масштаб содержится на рисунках. По направлениям стрелок и их длине можно определить значения вертикальных и горизонталь-

Рис. 3. То же, что на рис. 2 при значении г = 70 с.

ных компонент скорости в плоскости светового ножа. В струе вертикальная компонента скорости была порядка 1 см/с. Модуль скорости в окружающей жидкости не превышал 0.1 см/с.

Мгновенные линии тока, соответствующие данным на рис. 2а и 3а, показаны на рис. 26 и 36. Линии тока не совпадают с траекториями движения частиц, поскольку течение существенно нестационарное. Тем не менее наличие замкнутых линий тока свидетельствует о вихревом характере движения. На рис. 2 и 3 нашло отражение только крупномасштабное вихревое движение.

Кадры видеосъемки на рис. 4, 5 получены при визуализации картины движения талой воды слабым водным раствором чернил. Частицы чернил увеличивали плотность воды не более, чем на 0.02%. Это намного меньше характерного для дан-

Рис. 4. Начальная и развитая стадии течения. р = 1.0247 г/см3; а — г = 20 с, б — г = 720 с.

ных опытов изменения плотности на 0.25-0.30% из-за изменения температуры и на 2.0-2.6% из-за изменения солености. Для визуализации слабого движения на большом удалении от «айсберга» в раствор помещались вертикальные гирлянды из шариков пластилина, покрытых малахитовым красителем. При обтекании шариков краситель вовлекался в

Рис. 5. Картина течения в случае начальной устойчивой стратификации по плотности.

гидродинамический след и достаточно точно отслеживал траектории движения частиц жидкости.

Кадр видеосъемки на рис. 4а относится к начальной стадии таяния льда, когда толщина и размер окрашенного пятна пресной воды вблизи свободной поверхности еще малы. В этом опыте «айсберг» имеет размеры 15 см вдоль лотка, 19 см поперек лотка и по форме мало отличается от прямоугольного параллелепипеда. Картина распределения окрашенной жидкости на рис. 46 получена через 12 мин после начала таяния льда, когда на свободной поверхности уже образовался достаточно толстый слой пресной воды. «Айсберг» на этой иллюстрации имеет форму полусферы диаметром 15 см. Вблизи левого и правого торцевых стенок лотка видны пластилиновые шарики, нанизанные на проволочки и окрашенные малахитовым красителем.

Выше приводились результаты опытов, в которых первоначальная плотность раствора была одинаковой во всем лотке. Выполнялись также опыты, когда в лотке до погружения льда имела место устойчивая стратификация по плотности. На рис. 5 приведен кадр видеосъемки из опыта, в котором лоток заполнялся двумя слоями раствора. Сначала заливался слой раствора с соленостью 34%о толщиной 18 см, а поверх него слой с соленостью 25 %о толщиной 28 см. Между слоями с постоянными значениями плотности формировался переходный слой (пикноклин) с характерной толщиной около 1 см. «Айсберг» изготавливался из прессованного снега, насыщенного раствором чернил. Картина распределения окрашенной жидкости на рис. 5 зарегистрирована примерно через 10 мин после начала таяния «айсберга». В этом опыте окрашенная жидкость не опускается до дна, а растекается по пикноклину.

Опыты, в которых талая вода окрашивалась чернилами, показывают (рис. 3-5), что в струйное течение под «айсбергом» вовлекается не только соленая, но и значительно более легкая пресная вода. Это оказывает некоторое влияние на содержание соли и кислорода в слое, охваченном глубоководным течением. Однако осн

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Пoхожие научные работы по теме «Геофизика»

БУКРЕЕВ В.И. — 2013 г.

ГОХМАН В.В., СОСНОВСКИЙ А.В. — 2010 г.

КОНОВАЛОВА Г.И., КОТЛЯКОВ В.М., ЧЕРНОВА Л.П. — 2009 г.

Источник

Диффузия

Диффузией (от латинского «диффузио» — «распространение», «растекание») называют взаимное проникновение частиц одного вещества в другое, обусловленное движением молекул.

Диффузия в газах

Если в комнате открыть флакон с духами или зажечь ароматизированную свечу, то аромат распространится по всему объёму помещения. Благодаря хаотичному движению молекул воздуха аромат достигает любой точки комнаты.

Скорость хаотичного движения молекул воздуха составляет несколько сотен метров в секунду. При повышении температуры скорость увеличивается.

Диффузия в жидкостях

Нальём в высокий стеклянный сосуд голубой водный раствор медного купороса.
Осторожно вдоль стенок добавим дистиллированную воду. В начале эксперимента вида чёткая граница между чистой водой и раствором купороса. Эта граница будет размываться в течение долгого периода. Однажды раствор станет равномерно окрашенным. Молекулы воды смешались с молекулами медного купороса в результате хаотичного движения.

Опыт

Опыт доказывает, что молекулы жидкости беспрестанно движутся.

На анимации ниже можно увидеть процесс проникновения молекул вещества в промежутки между молекулами другого вещества.

Взаимопроникновение веществ

Диффузия в твёрдых телах

Диффузия в твёрдых телах обусловлена медленным переносом масс взаимодействующих веществ, который объясняется микроскопическим строением твердого вещества. Диффундирование, как физический процесс, используется при производстве фарфоровой, керамической посуды.

Явление диффузии объясняется хаотичным движением молекул, в процессе которого молекулы одного вещества проникают в межмолекулярные промежутки другого.
При увеличении температуры (нагревании) скорость движения молекул увеличивается. Поэтому процесс диффузии становится интенсивнее.
В горячем чае сахар растворяется быстрее. Тёплая вода лучше выполаскивает моющее средство. Запах свежей выпечки мы чувствуем вдалеке от пекарни.

Вопросы и ответы по теме диффузия

1. Где диффузия происходит очень медленно: в твёрдых телах, газах или жидкостях?

2. Верно ли утверждение, что диффузия — это явление, при котором молекулы газа, двигаясь во всех направлениях, заполняют весь сосуд?

3. Верно ли утверждение, что диффузия — это явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого вещеcтва?

4. Диффузия происходит быстрее в твёрдых телах, газах или жидкостях?

5. Студент рисует акварельными красками. Чтобы воспользоваться другой краской после того, как он рисовал фиолетовой краской, он опустил кисточку в стакан с водой. Вода окрасилась в какой цвет? Как называется это физическое явление?

6. Имеются две хорошо отполированные пластинки олова и серебра. Их кладут друг на друга и сдавливают в тисках. После этого пластинки начинают постепенно нагревать. Какие из перечисленных ниже устверждений верны:

• а) Процесс диффузии ускоряется, если температуру повышать;
• б) Диффузия олова и серебра не произойдёт;
• в) За несколько лет произойдёт диффузия олова и серебра примерно на 1 мм,
• г) Диффузия олова и серебра происходит быстро.

• а) Процесс диффузии ускоряется, если температуру повышать и
• в) за несколько лет произойдёт диффузия олова и серебра примерно на 1 мм.

7. Слишком солёную воду для варки картофеля разбавляют водой. После этого вода станет менее солёной или более солёной?

8. Недосоленную форель обильно солят и оставляют при комнатной температуре. После этого форель станет более солёной или менее солёной?

9. При одинаковой температуре диффузия в газе идёт быстрее или медленее, чем в жидкости?

10. При одинаковой температуре диффузия в морсе идёт медленнее или быстрее, чем в воздухе?

11. Среди описанных процессов выбери примеры диффузии.

• а) В любую погоду дым из выхлопной трубы постепенно перестаёт быть видимым через небольшой промежуток времени.
• б) Детский резиновый воздушный шар, наполненный гелием, через некоторое время сдувается.
• в) Открытую колбу с углекислым газом помещают на рычажные весы и уравновешивают гирьками. Наблюдая некоторое время за уравновешенными весами, замечают, что равновесие весов нарушилось.
• г) Хорошо надутый и сдавленный руками мяч быстро восстанавливает свою прежнюю форму, если убрать руки.
• д) В багажнике машины лежат фотоаппарат и мяч. Когда машина тронулась, мяч покатился.

12. Как называется физическое явление, когда аромат лилий чувствуется на расстоянии? Варианты ответов: диффузия в твёрдых телах, диффузия в жидкостях, диффузия в газах или броуновское движение.

13. Как называется физическое явление, когда при растворении крупинок марганцовки в воде она окрасилась в розовый цвет? Варианты ответов: диффузия в твёрдых телах, диффузия в жидкостях, диффузия в газах или броуновское движение.

14. Как объяснить распространение в воздухе запаха приготовленного борща? Варианты ответов: а) молекулы приготовленного борща отличаются от молекул воздуха; б) происходит диффузия молекул приготовленного борща с молекулами воздуха; в) молекулы приготовленного борща состоят из атомов; г) происходит броуновское движение.

15. Почему нельзя оставлять мокрую ткань, окрашенную в тёмно-синий цвет, на длительное время в соприкосновении с жёлтой тканью?

16. Найди пословицы, в которых говорится о диффузии.

• а) Корабли пускают, как салом подмазывают;
• б) Вилами по воде писано.
• в) На мешке с солью и верёвка солёная.
• г) Овощной лавке вывеска не нужна.
• д) У воды гибкая спина.
• е) Тухлое яйцо портит всю кашу.
• ж) Ложка дёгтя и бочку мёда испортит.
• з) Нарезанный лук пахнет и жжёт глаза сильнее.
• и) Веник не переломишь, а по прутику весь веник переломаешь.

Источник