Proudění a výměna kapalin
7. 5. 2008
Na příkladu známé a populární lávové lampy ukážeme názorně chování kapalin s rozdílnou hustotou. Naše odhalení budeme aplikovat na velice důležitou přírodní soustavu vodních mas mořských proudů, především známého Golfského proudu. Bude mít ohromné množství sladké vody z tajících ledovců Grónska vliv na změnu proudění Golfského proudu? To by mohlo vést k citelnému ochlazení celé severní Evropy …
Michael: Ok Filip, I’ve got a question for you. What does Archimedes, the Gulf Stream and this lava lamp have in common?
OK, Filipe, mám pro tebe otázku. Co mají Archimédes, Golfský proud a tahle lávová lampa společného?
Filip: Já nevím. To je otázka. Snad jedině že by Archimédes vymyslel tady tu lávovou lampu zřejmě na dovolené – ji někde upustil. Asi při golfu, protože pak ten proud ji chytil a odnesl ji kamsi na sever, nebo kde ten Golfský proud ústí. Nevím, netuším.
Michael: Well, you´re almost there. But I´ll tell you what. You know what? I´ll take you to Stříbro. My girls there will explain everything to you. They´ll show you the way…
No, téměř jsi se strefil. Ale víš co? Vezmu tě do Stříbra. Moje dívky ti tam všechno vysvětlí. Ony ti to ukážou.
Filip: OK, fine…
Filip: Tak kde jsou ty debrujárky?
Bára a Veronika: Hej, tady jsme!
Filip: Hele, támhle jsou, vidím je.
Michael: Jo, vidím. No nazdar! Pojď…
Filip: Pojď, jdeme …
Tentokrát se Michael a Filip sešli s malými debrujáry z gymnázia ve Stříbře ve zdejším hornickém skanzenu.
Bára: Ahoj kluci. Tak my tady máme pro vás ty pokusy …
Veronika: Pokus číslo jedna. Potřebujeme vosk, ten si dáme do skleničky a přidržíme ho špejlí.
Bára: Držíme ho proto, aby nevyplaval nahoru, až tam doliji horkou vodu. Veronika: Tak teď vidíme, jak vosk se rozpouští a skapává nahoru. To se děje proto, že vosk má menší hustotu než voda.
Filip: A jo …
Michael: No, vidíš to … Ty holky jsou šikovné, co? Jsem to říkal …
Filip: Ahoj.
Michael: Čau holky.
Jana a Markéta: Ahoj.
Jana: My tu máme něco podobného.
Markéta: Akorát místo vosku máme olej a sůl.
Jana: Takže nejprve nalijeme asi do půlky té sklenice vodu.
Markéta: Potom nalijeme olej.
Jana: A potom to pořádně posolíme.
Markéta: Sůl zahustí olej a ten spolu s ní klesá ke dnu.
Jana: Ta sůl se rozpouští ve vodě a potom ten olej se vrací zpátky k hladině.
Michael: No jo, to vidím … To je podobně jako v naší lampě.
Filip: Máš pravdu.
Michael: Vidíš to?
The girls showed us that wax is less dense than water and therefore floats on the surface. In our lava lamp however, a heavy, non flammable solvent called tetrachlormethane is added to tune the wax to become slightly more dense than water.
Dívky nám ukázaly, že vosk má nižší hustotu a proto plave na hladině. Do naší lávové lampy však bylo přidáno těžké, nehořlavé rozpouštědlo tetrachlormetan, aby vosk získal trošku vyšší hustotu než voda.
Filip: Už tomu začínám rozumět. Ten vosk, jak se ohřívá, tak začíná mít menší hustotu než kapalina okolo něj, překonává své vlastní povrchové napětí a stoupá nahoru.
Michael: Exactly. And near the top, away from the heat source, the wax begins to cool and condense, its density rises and therefore it falls back down towards to bottom.
Přesně. A u hladiny, dále od zdroje tepla, se vosk začne ochlazovat a zahušťovat, jeho hustota stoupá, a tak klesá zpátky dolů ke dnu.
Filip: Tomu se přece říká konvekce.
Michael: Přesně.
Filip: Já už taky rozumím tomu spojení s Golfským proudem. Teplá voda z Mexického zálivu proudí napříč oceánem a u Evropy se ochlazuje a pak zase proudí nazpátek.
Golfský proud je silné, teplé a rychlé atlantické proudění, které ovlivňuje podnebí západní Evropy. Přepravuje přibližně 1,4 petawattu tepla.
Filip: Dámy a pánové. To si snad ani nikdo neumí představit, jak velké množství energie to je.
Michael: But it´s roughly equivalent to a 100 times a world energy demand!
Je to přibližně stonásobek celosvětové spotřeby energie.
Další pokusy pro nás stříbrští debrujáři připravili v suterénní místnosti svého studentského klubu. Jako vždy pod starostlivým dohledem své fyzikářky, profesorky Jitky Soukupové. K tomuto pokusu už byly připraveny PET láhve, v jejichž víčkách byly menší otvory. A taky trojice potravinářských barev pro obarvení vody. Do dvou lahví jsme nalili vodu studenou, do dvou dalších pak horkou. Ještě malé šachy s lahvemi správná láhev na příslušné místo. A můžeme začít.
Bára: Teď se podíváme na to, co se stane, když teplou vodu dám nahoru a studenou nechám dole.
Veronika: Diváky musíme upozornit, že teploty kapalin se musejí lišit o více než dvacet stupňů.
Bára: Já jsem si vzala na pomoc kartu, která nám bude zpočátku obě kapaliny oddělovat. Když ji odstraním, mají k sobě volný přístup, ale stejně se nepromíchají. Je to kvůli tomu, že nahoře je teplá kapalina, která má nižší hustotu. Zůstane tak a obě se nepromíchají.
Veronika: Nyní pokus provedeme obráceně. Dole budeme mít horkou vodu a nahoře studenou. Tentokrát se nám obě barvy začnou promíchávat, protože teplá voda s nižší hustotou začne stoupat a z modré a žluté nám vznikne zelená. Čím teplejší budeme mít horkou vodu, tím bude to proudění také rychlejší.
Po několika minutách se voda z obou lahví skutečně promíchala do hezké zelené barvy.
Filip: A co ten Archimédes?
Michael: No ten právě přišel na ten celý princip hustoty.
That density of any object is its mass per unit volume. And that objects of the high density displace objects of the lesser density.
Že hustota jakéhokoli tělesa se rovná jeho hmotnosti na jednotku objemu. A že tělesa s vysokou hustotou vytlačí tělesa s hustotou nižší.
Veronika: Stejně jako v tomto případě. Voda v této skleničce si vymění místo s olejem, který bude dole. A to proto, že voda má větší hustotu než olej, a tím pádem má i větší hmotnost ve stejném objemu.
Tereza: Výměna místa mezi vodou a olejem je skutečně mimořádně zajímavá výtvarná podívaná.
Michael: Without this knowledge about density we wouldn’t understand, how the Gulf Stream works and we wouldn´t have our lava lamps.
Bez znalosti hustoty bychom nepochopili, jak funguje Golfský proud, a neměli bychom ani naše lávové lampy.
Filip: Heuréka!
Autoři: Vladimír Kunz, Michael Londesborough