pracownia fizyki morza instrukcja do ćwiczenia nr 8

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

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 2 O [1,2].
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
273K ma prawie dwa razy mniejszą przewodność niż w temperaturze 298K) [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 [1,2].

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
(8.2)
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]:

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:

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
24‰ < S < 38‰:
a = 4,0 · 10 -2 Ω -1 ·cm -1 (˚C) -1 ,
b = 7,9 · 10 -2 Ω -1 ·cm -1 (‰) -1 ,
c = 2,2 · 10 -3 Ω -1 ·cm -1 (˚C) -1 (‰) -1 ,
d = 3,0 · 10 -2 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)
0
5
10
15
20
25
6 8 10 18 20 30 32 34 36 38 40
574
664
759
858
961
1067
572
869
993
1123
1258
1396
924
1067
1219
1378
1542
1712
1585
1829
2086
2356
2635
2921
1747
2015
2298
2594
2899
3215
2527
3086
3514
3961
4422
4896
2679
3086
3514
3961
4422
4896
2830
3261
3713
4183
4669
5168
2979
3432
3907
4400
4910
5435
3128
3603
4101
4619
5152
5703
3276
3772
4292
4833
5392
5966
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
01.01.1982r. 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 101325 Pa do przewodnictwa elektrycznego wzorca wodnego chlorku potasu o
stężeniu masowym równym 32,4356 g KCl na 1 kg roztworu, czyli o stężeniu 32,4356 · 10 -3 .
Praktyczne zasolenie obliczamy z następującej zależności:

1
3
5
2
2
2
2
0
a1
K15
a2
K15
a3
K15
a4
K15
a5
K15
S a
(8.7)
K
15
e próbywody
e wzorca KCl
15
gdzie: a 0 = 0,0080,
a 1 = -0,1692,
a 2 = 25,3851,
a 3 = 14,0941,
a 4 = -7,0261,
a 5 = 2,7081,
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 2 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

ciał o tej samej objętości. Wybrano do tego słupek o przekroju poprzecznym S = 1 (m 2 ) i
długości l = 1 (m). 0trzymuje się wtedy specyficzny (właściwy) opór ρ przewodnika:
R
S
l
2
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
(8.12)
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,

- 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.
2. Pomiary (punkt 1) wykonać dla wody morskiej o stężeniu zasolenia S= 5, 10, 15, 20, 25,
30 i dla wody słodkiej (wodociągowej).
3. Wyniki zapisać w tabeli:
l.p.
1
…
6
średnia
Woda morska o zasoleniu S:
5 10 15 20 25 30 35
Woda
słodka
Omówienie wyników
1. Wyliczyć średnią wartość przewodności dla każdej z badanych cieczy.
2. Porównać otrzymane wyniki z wartościami tablicowymi.
Niepewności pomiarowe i uwagi końcowe
1. Zapisać niepewności pomiarowe.
2. Obliczyć odchylenie standardowe dla otrzymanych wyników.
Literatura
1. Dera J., 2003,. Fizyka morza, PWN, W-wa.
2. Gurgul H., 2002,. Fizyka morza dla geografów. Wyd. US, Szczecin.