PRACOWNIA FIZYKI MORZA

Transkrypt

1 PRACOWNIA FIZYKI MORZA INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA NR 8 TEMAT: BADANIE PRZEWODNICTWA ELEKTRYCZNEGO WODY MORSKIEJ O RÓŻNYCH ZASOLENIACH

2 Teoria Przewodnictwo elektryczne wody morskiej jest miarą stężenia i rodzaju zawartych w niej jonów. Podstawowymi nośnikami ładunków elektrycznych w wodzie morskiej są jony obdarzone masą własną i masą związanych z nimi molekuł H O [1,]. Wszystkie rozpuszczone w wodzie sole występują w postaci jonów (np. sól kuchenna NaCl występuje jako jony Na + i Cl - ). Im więcej jonów w cieczy, tym lepiej ciecz ta przewodzi prąd elektryczny. Drugim czynnikiem warunkującym zdolność przewodzenia jest rodzaj jonów, a ściślej mówiąc ich ruchliwość (np. jony H 3 O + przewodzą prąd elektryczny 7 razy lepiej niż jony Na + ). W wodzie morskiej, podobnie jak w innych cieczach naturalnym zjawiskiem jest chaotyczny ruch cieplny molekuł, któremu podlegają też jony. Swój wpływ na przewodność ma także temperatura. Spadek temperatury wody morskiej powoduje zmiany ruchliwości jonów (poprzez zwiększenie masy hydratów i tarcia wewnętrznego) i lepkości ośrodka, co wpływa na zmniejszenie się jej przewodnictwa (np. woda 35 PSU w temperaturze 73K ma prawie dwa razy mniejszą przewodność niż w temperaturze 98K) [1]. Jeśli umieścimy próbę wody w polu elektrycznym o natężeniu się jony (o ładunku +q lub q) zadziała dodatkowa siła: E e, to na poruszające F q q E e (8.1) Siła ta nie likwidując ruchu cieplnego jonów nada im dodatkowe przyspieszenie w kierunku działania sił pola elektrycznego [1,].

3 Rys. 8.1 Ruch jonu w wodzie. Przy założeniu kulistego kształtu nośników ładunku możemy porównać siłę tarcia wewnętrznego działającą na taki nośnik w czasie ruchu z siłą działania pola elektrycznego. Równowaga tych dwóch sił doprowadza do dryfu jonu w roztworze w kierunku linii sił pola [1]. Jon dryfuje ze średnią prędkością: v E e (8.) gdzie: μ- ruchliwość jonów (dla wody rzędu 10-4 (cm s -1 /V cm -1 ). Ruchliwość jonów ma istotny wpływ na przewodnictwo elektryczne roztworu i jest wyrażana zależnością [1]:

4 6 q r (8.3) gdzie: η- współczynnik lepkości molekularnej roztworu, r- promień ładunku q. Z zależności (8.3) wynika, że średnia ruchliwość jonów jest proporcjonalna do ładunku jonu q, a odwrotnie proporcjonalna do rozmiarów nośnika ładunku (r) oraz współczynnika lepkości roztworu η. Zdolność wody morskiej do przewodzenia prądu elektrycznego opisuje jej przewodnictwo elektryczne właściwe γ e. Wielkość tę można zdefiniować prawem Ohma w postaci: j ee e (8.4) gdzie: j = i/a średnia gęstość prądu płynącego przez powierzchnię przekroju A, E e wartość natężenia pola elektrycznego. Dla roztworów jednoskładnikowych (np. NaCl), w których występuje jeden rodzaj jonów dodatnich (np. Na + ) o ruchliwości μ +, zależność elektrycznego przewodnictwa γ e od stężenia roztworu (zasolenia) i ruchliwości jonów wyrażamy zależnością: e F e C (8.5) F stała Faradaya = 96486,7 (C mol -1 ), α e stała dysocjacji, C- stężenie równoważnikowe roztworu, W wodzie morskiej udział w przewodnictwie poszczególnych składników dodaje się addytywnie. Z zależności (8.5) wynika, że im stężenia jonów C są większe, tym większe jest przewodnictwo roztworu γ e, które może być wskaźnikiem tego stężenia, a w wodzie morskiej wskaźnikiem zasolenia [1]. Bogorodski i in., w 1978r. Podali empiryczny wzór, który wyraża zależność przewodnictwa właściwego wody morskiej od jej zasolenia S i temperatury T przy normalnym ciśnieniu:

5 e a T b S c T S d (8.6) gdzie: γ e - przewodnictwo elektryczne właściwe (Ω -1 cm -1 ), T- temperatura ( C), S- zasolenie ( ), a, b, c, d- stałe współczynniki wyliczone dla przedziałów: 7 C < T < 30 C i 4 < S < 38 : a = 4, Ω -1 cm -1 ( C) -1, b = 7, Ω -1 cm -1 ( ) -1, c =, 10-3 Ω -1 cm -1 ( C) -1 ( ) -1, d = 3, Ω -1 cm -1. Z zależności (8.6) możemy obliczyć przewodnictwo elektryczne wody oceanicznej w różnych temperaturach, przy różnych zasoleniach lub obliczyć zasolenie tej wody na podstawie pomiarów jej elektrycznego przewodnictwa właściwego γ e w danej temperaturze T. Tabela 8.1 S ( ) T ( C) Tabela 8.1 Ilustruje wartości przewodnictwa elektrycznego wody morskiej o różnym zasoleniu i w różnych temperaturach przy ciśnieniu atmosferycznym [1]. W oceanologii do obliczeń zasolenia wody morskiej wykorzystuje się względne wartości przewodnictwa elektrycznego (tzn. porównuje się wyniki pomiaru dla próby wody i wzorca w tych samych warunkach). Międzynarodowy zespół różnych organizacji naukowych ustalił operacyjną definicję zasolenia w tzw. skali praktycznej. Skala ta obowiązująca od r. oparta jest na mierzonej wartości stosunku przewodnictwa elektrycznego badanej wody morskiej i wzorcowego roztworu chlorku potasu (UNESCO, 1981) [1]. Praktyczne zasolenie próby wody morskiej S zdefiniowane jest przez stosunek K 15 przewodnictwa elektrycznego danej próby wody morskiej w temperaturze 15 C i przy ciśnieniu Pa do przewodnictwa elektrycznego wzorca wodnego chlorku potasu o stężeniu masowym równym 3,4356 g KCl na 1 kg roztworu, czyli o stężeniu 3, Praktyczne zasolenie obliczamy z następującej zależności:

6 a1 a a3 a4 a5 S a (8.7) K 15 e próbywody e wzorca KCl 15 gdzie: a 0 = 0,0080, a 1 = -0,169, a = 5,3851, a 3 = 14,0941, a 4 = -7,061, a 5 =,7081, a j =35,000, tzn., że gdy wartość stosunku przewodnictwa K 15 wynosi dla danej próby wody morskiej 1, to praktyczne zasolenie tej próby wynosi S=35, lub S=35 PSU (Practical Salinity Units). Do wyznaczania zasolenia wody morskiej na podstawie jej przewodnictwa elektrycznego służą salinometry. W tym ćwiczeniu wykorzystamy najprostsze prawo Ohma, które dotyczy też płynów: I- natężenie prądu (A), U- napięcie (V), R- opór (Ω). U I A (8.8) R Wartość odwrotną oporu określa się jako wartość przewodzenia G: 1 I 1 G ( ) (8.9) R U Przy stałym napięciu opór (względnie zdolność przewodzenia) jest zależny tylko od natężenia prądu. Natężenie to określa transport elektronów. Podczas, gdy transport elektronów może się odbywać bezpośrednio w przewodach metalowych (przewodniki 1 rodzaju), to w płynach (elektrolity, przewodniki rodzaju) niezbędne są jony jako środek transportu. Im większe jest stężenie jonów i ich ruchliwość, tym skuteczniejszy może być transport i tym wyższe jest występujące tu natężenie prądu i elektryczna wartość przewodzenia. Aby móc porównać ze sobą różne przewodniki prądu, trzeba się odnieść do

7 ciał o tej samej objętości. Wybrano do tego słupek o przekroju poprzecznym S = 1 (m ) i długości l = 1 (m). 0trzymuje się wtedy specyficzny (właściwy) opór ρ przewodnika: R S l m m m (8.10) Wartością odwrotną tego oporu właściwego jest specyficzna zdolność przewodzenia, nazywana krótko zdolnością przewodzenia", K Ponieważ ( zdolności przewodzenia jest (S/m). 1 1 R l S 1 1 K m (8.11) -1 ) oznacza się także jako S (Siemens), jednostką miary elektrycznej Stałą płytki C wylicza się z ilorazu: gdzie: a S a = odległość pomiędzy elektrodami, S = powierzchnia elektrody. 1 C cm (8.1) Jeżeli C jest dokładnie 1,00 cm -1, zbędne jest określanie stałej płytki mierniczej (wzorcowanie) drogą doświadczenia. W czasie doświadczenia pracuje się prądem zmiennym o wysokiej częstotliwości (>1000 Hz). Ma to zapobiec błędom pomiarowym spowodowanym zmianami pola powierzchni elektrod powstałymi w wyniku polaryzacji, które powstałyby przy użyciu prądu stałego. Miernik zdolności przewodzenia dostarcza to napięcie zmienne o wysokiej częstotliwości do mierzonej płytki. Na jego skali odczytujemy natężenie prądu, wyrażone jako zdolność przewodzenia. Przebieg ćwiczenia 1. Skalibrować przyrząd do mierzenia przewodności w następujący sposób: - podłączyć do miernika płytkę mierniczą do mierzenia przewodnictwa, - nacisnąć jednocześnie ON/OFF i CAL, - zaproponowaną wartość przewodności potwierdzić klawiszem CAL, - zignorować meldunek o błędzie E1 i ponownie nacisnąć CAL,

8 - czujnik k (płytki mierniczej) ustawić klawiszem przebiegu, - nacisnąć CAL- moduł mierniczy. - płytkę mierniczą zanurzyć w zlewce z 35 PSU wodą morską i poruszać równomiernymi kołowymi ruchami w celu usunięcia pęcherzyków powietrza. - odczytać mierzoną wartość i zapisać w tabeli. - płytkę mierniczą wyjąć z wody i opłukać wodą destylowaną. - pomiar powtórzyć 6-krotnie.. Pomiary (punkt 1) wykonać dla wody morskiej o stężeniu zasolenia S= 5, 10, 15, 0, 5, 30 i dla wody słodkiej (wodociągowej). 3. Wyniki zapisać w tabeli: l.p. 1 6 średnia Woda morska o zasoleniu S: Woda słodka Omówienie wyników 1. Wyliczyć średnią wartość przewodności dla każdej z badanych cieczy.. Porównać otrzymane wyniki z wartościami tablicowymi. Niepewności pomiarowe i uwagi końcowe 1. Zapisać niepewności pomiarowe.. Obliczyć odchylenie standardowe dla otrzymanych wyników. Literatura 1. Dera J., 003,. Fizyka morza, PWN, W-wa.. Gurgul H., 00,. Fizyka morza dla geografów. Wyd. US, Szczecin.