Recursos de física

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:

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

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.

Guia de l’estudiant

Primera part. Convecció

Observeu el muntatge que teniu a la figura 4.
Tenim una massa d’aigua amb dos termòmetres o sensors de temperatura i un sistema d’escalfament. Abans de fer res, els dos termòmetres marquen la mateixa temperatura.

Quan es connecti l’escalfament, continuaran marcant les mateixes temperatures? Expliqueu el perquè de la vostra suposició.

Si el que s'utilitza són sensors de temperatura connectats a un sistema de captació de dades, com creieu que serà la gràfica de la variació de temperatura amb el temps per a cada sensor? Feu el dibuix, si pot ser en dos colors diferents.

Fig. 4

Un cop s’ha desconnectat els sistema d’escalfmentr, què marquen ara els dos termòmetres? Quines gràfiques han sortit? Coincideixen els valors amb el que havíeu previst? Com ho expliqueu?
	Fig. 5

Ara hem canviat la posició del sistema de calefacció, tal com es veu a la figura 6.

Quina és ara la vostra previsió?

Marcaran el mateix els dos termòmetres?

Com seran les gràfiques d’evolució de la temperatura en funció del temps?

Expliqueu en què es basa la vostra predicció.

En quin dels dos casos s’han format corrents de convecció?

Quines condicions s’ha de donar perque es formin aquests corrents?

Podríeu fer una gràfica en la qual, amb fletxes, es mostri com creieu que es mouen aquests corrents d’aigua dins el vas?

Fig. 6

Imagineu que en una habitació, es col•loca un radiador de calefacció prop del sostre, tal com indica el dibuix de la dreta (figura 7).

Discutiu si el sistema de calefacció serà eficaç o no.

Quan hem retirat la resistència d’immersió en el primer muntatge, ens han quedat dues capes d’aigua a diferents temperatures.

Fig. 7

Remeneu l’aigua del vas, mesureu-ne la temperatura a intervals curts i intenteu dibuixar una gràfica de com evoluciona la temperatura mentre remeneu.

Segona part. Termoclina

Observeu la distribució de capes d’aigua; hi podeu veure tres colors diferenciats: el groc, el blau i l’aparició d’una capa de color verd més prima.

Què creieu que causa la formació d’aquesta capa de diferent color?

Quina importància pot tenir això en la renovació i circulació de les aigües en un mar on es dóna el fenomen de la termoclina?

A mesura que passa el temps, la capa de color verd es va fent més ampla. Per què?

Fig. 8

Solucions

Primera part. Convecció

Muntatge de la figura 4 (la resistència d’immersió queda a la part superior del vas)

Quines gràfiques han sortit?

Vegeu les gràfiques a la figura 9.

Fig. 9

Muntatge de la figura 6 (la resistència d’immersió queda a la part inferior del vas)

Com seran les gràfiques d’evolució de la temperatura en funció del temps?

Vegeu les gràfiques a la figura 10.

Fig. 10

En quin dels dos casos s’han format corrents de convecció?
Només en el segon cas s’han format corrents de convecció

Quines condicions s’ha de donar perquè es formin aquests corrents?
És necessari que es formin masses d’aigua amb més temperatura a la part inferior de vas.

Podríeu fer una gràfica en la qual, amb fletxes, es mostri com creieu que es mouen aquests corrents d’aigua dins el vas?

Vegeu la figura 11.

Fig. 11

Imagineu que en una habitació, es col•loca un radiador de calefacció prop del sostre, tal com indica el dibuix de la dreta.

Discutiu si el sistema de calefacció serà eficaç o no.
No serà gaire eficaç, perquè es forma una capa d’aire calent a la part superior. No es formaran corrents de convecció.Vegeu la figura 12

Remeneu l’aigua del vas, mesureu la temperatura a intervals curts i intenteu dibuixar una gràfica de com evoluciona la temperatura mentre remeneu.
Vegeu la figura 13.

Fig. 12

Fig. 13

Segona part. Termoclina

Què creieu que causa la formació d’aquesta capa de diferent color?
Hi ha una transferència d’energia de la capa d’aigua que té més temperatura a la que té menys temperatura; la mescla de colorants s’observa com a color verd.

Quina importància pot tenir això en la renovació i circulació de les aigües en un mar on es dona el fenomen de la termoclina?
La termoclina és una capa, més o menys profunda, que es genera en un medi aquàtic i en la qual es detecta una diferència brusca de temperatura. L'haloclina és una capa, de profunditat variable, que separa bruscament la columna d’aigua en dues zones de salinitat diferent.
Durant les èpoques de calor, primavera-estiu, a la mar Mediterrània es genera una termoclina-haloclina molt estable.
En arribar la tardor, el canvi de temperatura provoca un refredament de la superfície del mar i s’hi generen també forts vents que n’afecten la superfície. Aquests factors ambientals, especialment el vent, són responsables del trencament de la termoclina-haloclina i com a resultat es produeix una barreja de l’aigua profunda i carregada de nutrients amb l’aigua superficial. Aquest fet és determinant per a l’estabilitat de moltes poblacions d’organismes que habiten la Mediterrània i, per tant, per a l’equilibri dels seus ecosistemes
.

A mesura que passa el temps, la capa de color verd es va fent més ampla. Per què?
Hi ha una tendència que la temperatura final sigui la mateixa per a tota la massa d’aigua.