Максим и Катя не раз задумывались: почему, когда в начале лета стоит жаркая погода и ты идешь купаться, то сверху вода теплая и плавать приятно, а если встанешь на дно, то ноги аж сводит от ледяной воды. Их папа ходит плавать даже осенью, и он говорит, что осенью вода одинаково прохладная как в верхних слоях, так и на глубине.
Чтобы узнать причину этого, надо провести опыт или наблюдение. Но наблюдать за разницей температур на разной глубине в природных условиях сложно. Во-первых, исследование займет много времени: ведь надо сравнить температуру воды весной и осенью. Во-вторых, в естественных условиях на температуру воды влияет много факторов, например, ветер, родники или впадающие в озеро ручьи.
Проще провести опыт, который позволит наблюдать движение воды при нагревании и охлаждении как сверху, так и снизу. Сформулируем вопросы.
- Как движется вода в сосуде, если ее нагревать снизу?
- Как движется вода в сосуде, если ее нагревать сверху?
- Как движется вода в сосуде, если ее охлаждать сверху?
- Как движется вода в сосуде, если ее охлаждать снизу?
Движение воды при нагревании
Для проведения опыта понадобится спиртовка, колба для кипячения, штатив и вода. Подкрашивать воду будем перманганатом калия, или марганцовкой (темно-фиолетовые кристаллы, раствор которых используют для полоскания горла).
Закрепим колбу с водой на штативе над спиртовкой так, чтобы спиртовка находилась точно под центром колбы.
Зажжем спиртовку. Бросим несколько кристаллов марганцовки в колбу, старясь сделать так, чтобы они опустились на дно над вершиной пламени.
Постепенно вода вокруг кристаллов перманганата калия начнет окрашиваться в фиолетовый цвет. В то же время под действием тепла она станет двигаться. Мы увидим, как окрашенная в фиолетовый цвет вода сначала поднимется по центру колбы, а затем опустится вдоль стенок сосуда (см. фото). Наблюдать за этим процессом продолжительное время не получится, так как окрашенная и бесцветная вода довольно быстро перемешаются, и мы не увидим никакого движения, хотя оно и не прекратится.
Почему в ходе опыте пришлось окрашивать воду? Можно ли увидеть движение чистой воды?
Анализ опыта
Проанализируем опыт. Пламя нагревает воду в колбе на дне в центре. Нагреваясь, вода расширяется и становится менее плотной. В верхней части колбы вода холоднее и плотнее, чем на дне. Сила притяжения Земли притягивает холодную и плотную воду сильнее, чем теплую и разреженную. Поэтому холодная вода по стенкам опускается вниз и вытесняет теплую воду по центру вверх. Вверху эта теплая вода охлаждается. Поднимающаяся со дна теплая вода выталкивает охлажденную воду к стенкам, и та снова опускается вниз. Вода циркулирует в колбе – по центру вверх, по стенкам вниз. Вследствие циркуляции вода быстро нагревается во всем сосуде.
Опытным путем мы смогли убедиться, что более холодная и плотная вода, которая находится над более теплой и разреженной водой, опускается вниз и вытесняет теплую воду вверх. С учетом этих результатов мы можем мысленно проанализировать и другие возможные ситуации.
Опыты с нагреванием и охлаждением воды
Предположим, что у нас есть сосуд с теплой водой и мешок со льдом. Опустим мешок в воду, и он останется на плаву. Что произойдет дальше? Теплая вода в верхней части емкости рядом со льдом начнет охлаждаться. Охлаждаясь, вода сжимается и становится плотнее, чем остальная вода в сосуде, поэтому она начнет опускаться на дно, вытесняя теплую воду вверх. Вверху теплая вода в свою очередь охладится и начнет опускаться. Таким образом, вода в сосуде будет циркулировать, как и в предыдущем опыте, но циркуляция будет происходить под влиянием охлаждения воды. Через некоторое время вода в сосуде станет одинаково прохладной и циркуляция прекратится.
Что же будет, если мешок со льдом опустить на дно сосуда и удерживать его там? Вода на дне начнет охлаждаться. В этой ситуации более холодная и плотная вода окажется сразу на дне сосуда, а более теплая и разреженная – в верхних слоях. Циркуляции воды не будет, и она охладится за гораздо более продолжительное время.
Наконец попробуем нагревать воду сверху. Для этого поместим спираль кипятильника в верхнюю часть сосуда с водой. Сверху вода нагревается, расширяется и становится менее плотной. При этом теплая вода вниз не опускается, и циркуляции воды не происходит. Вода в сосуде все-таки нагреется, но на это потребуется значительно больше времени, чем при циркуляции. В результате вода в сосуде станет одинаково горячей.
Запомни!
- При нагревании снизу вода циркулирует и быстро нагревается.
- При охлаждении сверху вода циркулирует и быстро охлаждается.
- При охлаждении снизу циркуляции воды не происходит, и она охлаждается медленно.
- При нагревании сверху циркуляции воды не происходит, и она нагревается медленно.
Вопросы и задания
- Если сосуд с водой нагревать снизу, вода начнет циркулировать. Почему?
- В какой части сосуда вода должна остывать, чтобы происходила циркуляция воды?
- В каких случаях вода при нагревании или охлаждении не будет циркулировать? Почему?
- Какой из приведенных примеров похож на то, что происходит с водой в озере весной и осенью? В какое время года, весной или осенью, происходит циркуляция воды в озере?
При нагревании воды ее объем .
При охлаждении воды ее объем .
При расширении вода становится.
Размышляй и исследуй
Почему нагревательный элемент расположен на дне электрического чайника? Кипятил бы чайник воду так же быстро, если бы нагревательный элемент находился вверху? Объясни.
- Service provided by Star Cloud LLC