Солевые пальцы

На границе раздела двух растворов с разной скоростью диффузии возникает интенсивное конвективное перемешивание, которое завершается образованием устойчивой регулярной структуры "солевых пальцев".
Ключевые слова: двойная диффузия, солевой фонтан, неустойчивость Рэлея-Тейлора.
Наш канал с дополнительными материалами
t.me/getaclass...
Новосибирский Государственный Университет
www.nsu.ru/n/
Физический факультет НГУ

[@irk010782]

По законам термодинамики. Это простая (пассивная) диффузия веществ, происходит из-за градиента концентрации каждого из этих растворенных веществ. Диффузия происходит с возрастанием энтропии. Энергетическое состояние больше при большем градиенте концентрации. Эта энергия и производит данный процесс. 🙂👍

[@michaelpovolotskyi3295]

Здесь происходит почти изотермический медленный процесс при постоянном давлении, хотя и неравновесный. Очевидно, что в процессе конвективной диффузии энтропия сильно возрастет. Внутренняя энергия сильно не изменится, так как концентрации не очень велики и взаимодействием молекул сахара с молекулами соли можно пренебречь. Изменение объема тоже мало. Стало быть, свободная энергия (в смысле Гиббса) уменьшится, за счет этого уменьшения может быть совершена работа в поле силы тяжести. С точки зрения баланса энергии, энергия в кювету придет из термостата, то есть из окружающего воздуха.

[@vasyllizanets7954]

Думаю причина в электролитической диссоциации. Вероятно у вас раствор соли получился с малой степенью диссоциации, что значит, осталось много не разрушенных кристаллов соли в растворе, которые не диссоциировали на ионы. После соединения раствора сахара и соли, начинается процесс диссоциации соли (разрушение кристаллической структуры). Соединение(гидратация) полученных ионов соли с водой дает дополнительное тепло равное +775кДж/моль. Нагретый раствор соли поднимается вверх, а на его место приходит более холодный раствор сахара. Также предполагаю, что темная линия, разделяющая два растворы, обусловлена наличием повышенной температурой раствора из-за гидратации ионов соли с водой именно в этой зоне. То есть более теплый раствор менее прозрачен, что не удивительно. Тепловизор смог бы показать более информативную и красивую картинку происходящего.

[@maximus638]

Спасибо очень интересно!

[@deceiveitself7275]

Интересное видео. Спасибо Вам за Ваши труды.

[@YKaland]

вопрос в конце очень интересный. Да и само видео тоже. Лайк

[@irk010782]

А центр тяжести смещается вверх из-за того, что диффузия соли происходит быстрее сахара. Ионы натрия и хлора движутся быстрее более крупных молекул сахара

[@revikstepanyan1632]

Вот мне больше нравится вопрос почему сохраняется граница фаз столбчатой структуры и она не размывается диффузионными силами "ведь скорость потоков совсем не велика, а сохранение границы вплоть до конца столба!". Свой ответ: по моему формируется запирающий слой, который состоит из тех же градиентов описанных в ролике горизонтально. Но поскольку столбы находятся вертикально, то диффузия замедляется путем уноса градиента как и в горизонтальном положении. Думаю тут нужно напомнить, что несмотря на то, что сила притяжения действует вниз, в жидкостях давление распространяется на все стенки сосуда. Следовательно данный процесс будет и при вертикальном разделении фаз плотностей жидкости. Надеюсь написал понятно, если что нужно переформулировать или дописать, спрашивайте :)

[@revikstepanyan1632]

@@schetnikov а что не сходится, диффузия замедляется сильнее чем должна?

[@revikstepanyan1632]

@@schetnikov а можно взглянуть? Если конечно расчеты остались

[@0xREX]

По идее это следствие броуновского движения, соответственно за счет тепловой. Если нагреть - процесс будет проходить быстрее.

[@RobotN001]

броуновское движение не рассматривается как обобщённое движение системы из одного состояния в другое )

[@0xREX]

@@RobotN001 тут надо думать как обобщить это дело. Диффузия вещества зависит от площади соприкосновения двух тел, их плотности и от температуры. Может еще куча параметров быть но вроде-как энергия все-равно тепловая требуется. Как это сказать похитрее не знаю :)

[@0xREX]

вообще может быть еще потенциальная энергия смеси жидкостей с разными плотностями которые конкурируют в стремлении занять отведенный им объем целиком. Диффузия помогает создать необходимую разность потенциалов таксказать а дальше расходуется эта потенциальная энергия. Как-то так может.

[@andreykuznetsov7442]

При броуновском движении частицы распределяются по высоте не равномерно, а по Больцману. Разве с солью в воде такое наблюдается? Вроде бы нет.

[@0xREX]

@@andreykuznetsov7442 вероятностное распределение да. Но как проследить это с солью в воде ? В каждый момент времени у молекулы в пограничной зоне есть выбор проникнуть за границу или остаться внутри. У некоторой группы молекул вполне возможно что распределение происходит как описал товарищ Максвелл например. Но в общем объеме жидкости этого не заметить без электронного микроскопа и многих вычислений. Условия одинаковы по всей площади изначально. Когда в некоторой площади происходит больше случаев выходов за границу - в ней же и наблюдается в конечном итоге прорыв. Возникает фонтанчик ввер, в другой прослабленной зоне - фонтанчик вниз соответственно. Одна смесь устремляется внутрь другой. ======= Но вообще здесь сложно судить об энергиях. Действует не одна энергия а их общая сумма. Без разницы в плотности вообще бы ничего не происходило. Это можно считать потенциальной энергией. И действительно когда такой разницы не будет - не будет происходить ничего...

[@a.d.1103]

Очень интересно. Никогда такого не видел. Энергия гравитации.

[@darkfrei2]

Гравитация не энергия.

[@elnurbda]

Спасибо за видеоролик

[@RiotRebel]

тепловое движение молекул никто не отменял. Хотя мне интересно, сложение плотностей в центральном слое, с твердыми сыпучими телами определенной плотности, как бы вы их не смешивали невозможно получить плотность выше изначальных, ну разве что спрессовать. Здесь же видно идет процесс насыщения воды, одновременно солью и сахаром. Интересно другое, будет ли, например, насыщенный раствор сахара вбирать в себя соль или наоборот. Т.е . как влияет насыщение раствора, на процесс двойной диффузии ? Может статься, что он вообще не пойдет с какой-то плотности, буду ждать ваших комментариев :)

[@ДмитрийМимоходенко]

Ожидал, что речь пойдет про набухание пальцев рук после купания! Это явление многими научпоп блоггерами упоминается, но не объясняется с точки зрения физики и явления осмоса!

[@PyHedgehog]

Ну этот вопрос скорее не для физиков, а для биологов. Чуствую, что там должны кожные поры (aka потовые железы) работать, но доказать не могу. 😊 А если серьёзно, то организм довольно сильно "против диффузии" работать умеет.

[@darkfrei2]

Почему на 2:30 так считается сумма? Чутьё подсказывает что плотность двух жидкостей является средней плотностью этих двух жидкостей. То есть 50% жидкости с плотностью 1,0 и 50% жидкости с плотностью 2,0 дадут среднюю плотность 1,5. Если будет больше первой жидкости - смесь будет менее плотной, если будет больше второй жидкости, будет более тяжёлой. Как при смешивании температур.

[@darkfrei2]

@@schetnikov там нет осмоса? Только без мембраны.

[@kormitigrov]

Видео очень интересное, но вообще не очевиден шаг со сложением плотностей. Сфига ли их так можно складывать? Почему мы не складываем плотности одного и того же сахарного раствора, если предположить, что в кювете есть только сахар? Несколько раз говорится о плотности сахарного раствора, потом о плотности сахара. Если сахар откуда-то проникает куда-то, то в одном месте сахара должно становиться больше, но в другом то меньше!

[@Михаил_Смирнов]

Энергия, для поднятия центра тяжести появилась в процессе выравнивания осмотического давления разных растворов.

[@darkfrei2]

Надо было соль чуть подкрасить для наглядности где что. Ну или брать цветную соль, не поваренную.

[@shrekssmith4744]

Наверное внутренняя энергия преобразовалась в механическую благодаря конвекции

[@rostislove1482]

Солевой это я

[@ЕвгенийОшкин-п1т]

Сахар растворяясь делает раствор холоднее, и более холодный раствор опускается)

[@agniyaantarova]

За счёт суммарной кинетической энергии отдельных молекул

[@sibedir]

Тепло? (опять надо добавить пару слов для алгоритмов)

[@ЯнинаГеннадьевна]

Мне кажется температура здесь ни при чем, если только это не есть какой-то химический эффект с тепловой реакцией. Возможно стоило замерить температуры обоих растворов до опыта и в процессе опыта...вобщем, я бы добавила больше механизмов для фиксации малейших изменений состояния

[@МаксимЛисицкий-я9л]

Энергия высвободилась при переходе системы от детерминированной к хаотичной.

[@kirillsolovich7439]

Реакция, возможно, эндотермическая? За счет поглощения тепла окружающей среды производится работа...

[@1123-m4k]

Kirill Solovich тоже так подумал, но еще вопрос: за счёт чего она поглощает тепло?

[@kirillsolovich7439]

?! Causa sui

[@RobotN001]

а если бы окружающая среда поддерживалась ровно на той температуре, что раствор ??? то реакция бы остановилась бы ? )))))

[@kirillsolovich7439]

@@RobotN001 просто на поддержание постоянной температуры пришлось бы затратить больше энергии

[@galevin1111]

It would be instructive to repeat this experiment under adiabatic conditions by placing cuvette inside a thermally insulated enclosure. Contrary to some comments this is not a weak nonequilibrium process. Formation of these "fingers" is one of many examples of "diffusive structures". M.C. Cross and P.C. Hohenberg, Rev. Mod. Phys. 65, 851 (1993) .

[@galevin1111]

What I meant is that formation of diffusive structures requires constant energy flow through the system. Then there are two options. One is that heat flows in from the environment. The other is some chemical energy release internally from sugar, for example. If you prevent heat exchange with the environment, it will be obvious which of the two options actually at play.

[@ВладимирДмитриевский-з5ф]

За счет свободной энергии

[@vm2463]

мне вот кажется что подобного рода эксперименты должны быть в разделе химии а не физики.

[@Andrei_Graf]

Круто

[@Mikola_Naumenko]

Вот если бы вы еще измеряли температуру растворов, наблюдали бы еще интересное явление, изменение тепературы растворов.

[@salavatishikaev3104]

И в атмосфере происходят подобные процессы: api-v2.pointeresam.ru/upload/ru/post/1450/1.jpg/1000.jpg А периодическая структура возникает в процессе самоорганизации, приводящей к образованию ячеек Бенара.

[@nikitasharov681]

Сразу возникло 2 версии: избыточное давление (когда возникли избыточные плотности) и тепло. Остался вопрос после просмотра: откуда взялись числа с избыточными плотностями (0.09 и тд)? Спасибо за фильм

[@nikitasharov681]

@@schetnikov спасибо за ответ

[@RobotN001]

неужели энтропийная энергия совершила работу ?!

[@ЯнинаГеннадьевна]

Такое ощущение, что не хватает каких-то данных. Я бы предложила дополнительно поэкспериментировать с разными концентрациями соли и сахара, менять из местами, например, слабый раствор соли (по сравнению с сахаром) вливать над сахаром и т.д. кроме того. Можно ли посмотреть через лупу на столбы?может ли быть такое, что кристаллы сахара и соли формируют своеобразные капилляры, которые дают капиллярный эффект, что и предположили некоторые авторы до меня?

[@michaelpovolotskyi3295]

У нас не просят описать процесс, а только спрашивают, откуда энергия взялась. Для этого данных вполне хватает.

[@ЯнинаГеннадьевна]

@@michaelpovolotskyi3295 понятие логики и полноты исследования никто не отменял. Я пишу о своих научных ощущениях. Мне лично кажется, что при наличии большего разнообразия данных, круг предположений расширился бы

[@michaelpovolotskyi3295]

@@ЯнинаГеннадьевна , я не вполне Вас понял. Для чего не хватает данных? Для ответа на вопрос - хватает. Для построения количественной модели явления? Для этого, конечно, не хватает, но это задача для дипломной работы выпускника физического факультета. И что значит в физике "полнота исследования"? Уточнять можно до бесконечности. Я не вполне понял, почему Вы пишите о кристаллах. Соль и сахар полностью растворены ещё до начала опыта, здесь нет кристаллов.

[@ЯнинаГеннадьевна]

@@michaelpovolotskyi3295 мне не нравится ваш тон, извините за прямоту. Вообще я не физик, а математик, если это будет объяснением моей "тупости". Мне кажется здесь площадка для дискуссий и не надо меня "хлестать веником". Я пришла за тем, чтобы меня направляли и объясняли, а не чтобы получать вашу отмашку. После такого и физику учить не хочется

[@arenkhachatryan6219]

Откуда взяты цифры плотностей? Не очень понятен этот момент)

[@allforled1880]

видимо химическая энергия перераспределения водородных связей?

[@БотнарьДмитрий]

4:02 Все, что нужно знать, про ученых-океанологах

[@andreykuznetsov7442]

Может быть, за счёт притяжения молекул воды и ионов соли? Что-то вроде осмоса.

[@purity_one]

Может, сила Архимеда совершила работу по поднятию центра тяжести?

[@saasrus]

За счёт энергии движния молекул, то есть тепла.

[@pavelm6436]

Видимо, за счёт снижения кин энергии солевых молекул, т.е. температуры солевого раствора. Коктейль должен по мере перемешивания остывать, получается, а при внешнем нагревании опять образовывать фракции? Блин, как же это всё волнительно, скорей бы узнать правильный ответ!

[@romanoffro5163]

похоже на капиллярный эффект.

[@pavelp5393]

а мой вопрос, если их размешать смачно, что то такое наблюдается? :)

[@michaelpovolotskyi3295]

Очень хороший фильм! К сожалению, школьный курс термодинамики не позволяет понять, что здесь происходит и, главное, почему. Вместо понятия энтропии учат цикл Карно, то есть преподают историю науки вместо науки. Так было у меня, так оно и сейчас, судя по обсуждению.

[@niksibirski440]

Что если заморозить такую систему?

[@revikstepanyan1632]

Это же элементарно...((( За счёт энергии диффузии, на той же энергии тает лёд при перемешивании с поваренной солью, да ещё и охлаждает окружающую среду

[@silvupleleon11]

(5:11) хватит врать. Базальтовые столбы - это древние волокна древних деревьев. Вы наверное никогда не видели как остывает лава? kzbin.info/www/bejne/qaLSlHWpnNmjgqs