Corrents de convecció i termoclina

Guia per al professorat

El fenomen de la convecció consisteix en el desplaçament de masses d’un fluid que presenta un gradient vertical de temperatura negatiu. Aquest gradient provoca la disminució relativa de la densitat i ascensió de la massa de fluid situada a més profunditat, desplaçant cap avall a la massa situada a menys profunditat, més freda i més densa.
Els corrents de convecció són molt importants:

• a gran escala, per explicar fenòmens com la circulació de determinats vents o la tectònica de plaques,
  
• a petita escala, com és el cas del moviment d’aire en una sala amb calefacció.

En aquest article s’explica un senzill experiment que ajuda a entendre en quins casos es generen els corrents de convecció. Es proposa també una demostració del fenomen anomenat termoclina, que explica la manca de corrents de convecció en mars com la Mediterrània quan els estius són molt càlids.

Primera part:Com es poden posar en evidència els casos en què s’origina una convecció?

Material necessari

Orientacions

El primer muntatge es mostra a la figura 1 a la guia de l'estudiant.

S1 i S2 corresponen a dos termòmetres o a dos sensors de temperatura. En aquest primer experiment la resistència d’immersió es col•loca molt propera a la superfície de l’aigua.
Un dels termòmetres es col•loca tocant quasi el fons del vas i l’altre molt proper a la superfície de l’aigua.
Els estudiants han de fer una predicció de què esperen que marquin els termòmetres quan la resistència es connecti durant un parell o tres de minuts o bé, si s’han muntat sensors de temperatura, que facin una predicció de com esperen que sortirà una gràfica de les temperatures amb el temps de cada sensor.

Un cop feta la predicció, és suficient connectar la resistència durant dos minuts, per llegir les temperatures o observar la gràfica resultant.
A continuació es fa un segon muntatge. En aquest cas, la resistència s’ha de col•locar tan enfonsada com sigui possible, sense variar la posició dels dos termòmetres. La figura 2 de la guia de l'estudiant mostra el nou muntatge.
Es demana també que es faci una nova predicció respecte al canvi de temperatures en les dues zones d’aigua del vas o una gràfica de com pot variar la temperatura amb el temps.
Quan s’han fet les prediccions, es connecta la resistència durant uns dos minuts i es comparen les prediccions amb el que s’observa.

Segona part: el fenomen de la termoclina

La termoclina és una capa dins una massa d'aigua o d'aire en la qual temperatura canvia ràpidament amb la fondària.
En els mars i oceans, on es forma aquest fenomen, la temperatura és uniforme en les primeres desenes de metres. Sota aquesta capa, la temperatura cau molt ràpidament, potser més de en els addicionals de fondària. Aquesta zona de transició ràpida és la termoclina.
L’aigua càlida superficial i l’aigua profunda freda tenen densitats diferents, i per tant no es barregen. Aquesta és una de les causes de la feble productivitat biològica del Mediterrani, i que explica perquè és un mar d’un color tan intensament blau.

Orientacions

El tipus de recipient de vidre es pot trobar a preus baixos en els basars. El recipient de la figura 1 és un dipòsit d’aigua de plàstic d’una cafetera exprés marca Demoka avariada. La barrera és una placa de plàstic que s’ha retallat de manera que ajusti el millor possible a les parets laterals.
Per tenir el model de la termoclina, es col•loca la barrera i s’omple el recipient amb aigua.
En un dels compartiments, per exemple en el de la dreta, s’hi posa la resistència d’immersió i es connecta de manera que tinguem una part amb aigua calenta. Quan la temperatura ha assolit entorn dels o una mica més (no cal un termòmetre), es desconnecta la resistència d’immersió.
Per evitar que l’aigua de l’altra part del recipient s’escalfi, convé tenir uns glaçons a punt.
Ara es pregunta als estudiants què esperen que es vegi quan es retiri la barrera que separa els dos compartiments.
Un cop han fet la predicció s’ha de retirar amb molta cura i molt a poc a poc la barrera que separa les dues aigües.
En la figura 3 es pot veure el que ha de passar: es formen dues capes de colors diferents i en la interfase va apareixen un color verd, a mesura que la mescla d’aigües va transferint calor d’una capa a l’altra.

Fig. 2	Fig. 3

 Autor d'aquesta pàgina: Josep Coromines és professor de Física i Química a l'Escola Pia de Sitges.

Aquesta obra està subjecta a una
Llicència de Creative Commons