5. ZÁVISLOSŤ
HUSTOTY VODY NA TEPLOTE - ANOMÁLIA VODY 2
Fyzikálny
princíp:
Pri zmene teploty sa mení
objem kvapaliny, nemení sa však hmotnosť. Preto sa mení tiež hustota
kvapaliny s teplotou a pre malé teplotné rozdiely
platí
, kde
je teplotný koeficient objemovej
rozťažnosti. Voda, ako každá iná kvapalina, pri chladnutí hustne, avšak
na rozdiel od iných kvapalín nehustne až po teplotu tuhnutia, ale len po
teplotu 3,98˚C, keď má najvyššiu hustotu, ako to ilustruje obr. 1.
Keď vodu izbovej teploty ochladzujeme pri hladine napr. tak, že pridáme do nádoby
ľad, klesá ochladená voda ku dnu nádoby a teplejšia voda stúpa k hladine.
Pri dne nádoby sa sústredí voda s najväčšou hustotou.
Cieľ:
Ukázať, že voda má najväčšiu hustotu pri teplote
3,98˚C.
Pomôcky:
termoska, voda, rozdrvený ľad, stojan s držiakom, dve teplotné sondy,
mikropočítač s prevodníkom a meracím panelom, program IP COACH
Príprava:
Dve teplotné sondy pripojíme
k meraciemu panelu na kanály 3, 4 , ktoré okalibrujeme na meranie
teploty. Dobu merania nastavíme na 2h, minimálnu hodnotu y-ovej osi grafov A,
B na –5˚C a maximálnu na 25˚C. Do termosky nalejeme 400 ml vody
izbovej teploty. Teplotnú sondu pripojenú na kanál 3 vložíme do vody ku dnu
termosky, druhú sondu upevníme do stojana a umiestnime ju ku hladine vody
(obr. 2).
Realizácia:
Spustíme meranie teploty.
Termosku doplníme rozdrveným ľadom a na monitore sledujeme časový priebeh
teploty pri dne termosky a pri hladine vody (v ľade). Keď sa teplota vody
pri dne ustáli, zistíme teplotu vrstiev vody nad dnom pomocou sondy, ktorá je
pri hladine. Ukončíme meranie a výsledky uložíme na disk.
Spracovanie:
V programe Spracovanie si
prezrieme časový priebeh teploty vody pri dne
termosky aj vo vyšších vrstvách. Príklad priebehu teploty pri dne a na
hladine v termoske naplnenej vodou a ľadom je na obr.3.
Záver:
Teplota vody pri dne termosky
pomerne rýchlo klesne na hodnotu 4,3˚C, keďže vplyvom značnej zmeny
hustoty vody s teplotou prebieha rýchla výmena tepla prúdením. V okolí
teploty 3,98˚C sa hustota vody s teplotou mení pomaly (hustota vody,
ktorá má teplotu 3,98˚C sa líši od hustoty, ktorú má voda teploty
4,3˚C len o 0,004 kg.m-3, pozri obr. 1-5). Keď zoberieme
do úvahy aj vplyv viskozity vody na prúdenie, nevieme presne určiť, či k poklesu
teploty pri dne pod 4,3˚C dochádza prevažne prúdením alebo aj vedením
tepla. Po dlhšom ochladzovaní vody klesá pri dne teplota vody pod
3,98˚C, čo je už dôsledok len vedenia tepla.