View
5
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Vodní vzestup –jaká je skutečnost
FYZIKÁLNÍ SEMINÁŘ ZS 2014 FJFI ČVUT V PRAZE
Dalibor RepčekAdam Šťastný
Osnova
• živý experiment
• nastínění problému a obecný mýtus
• rozbor problému
• první experiment - závěry
• výsledky měření
• závěr – odhalení pravdy
2zdroj obrázku: http://www.chempokusy.webzdarma.cz/
Nastínění problému
3
oblíbený pokus ZŠ a SŠ pedagogů jednoduché vysvětlení:
a) kyslík se spaluje b) podtlak c) voda stoupá
chyba: kyslík je nahrazován CO2 a H2O
Proč nám tedy vzniká podtlak?zdroj obrázku: http://kmd-trinec.blogspot.cz/2011/01/obycejny-neobycejny-vzduch.html
Teoretický rozbor1. přikrytí tlak ve vnitřní nádobě vzroste
(malý vzestup na počátku - zanedbáváme)
4
𝑝𝑛 + 𝑝ℎ2 = 𝑝𝑎 + 𝑝ℎ1𝑝𝑛 = 𝑝𝑎 + 𝜌 ∙ 𝑔 ∙ ∆ℎ𝑝𝑛 = 𝑝𝑎 + 𝑝ℎ
5
2. hoření svíčky popisuje rovnice: (20≤n≤40)
vodní pára kondenzuje podtlak voda stoupá
zanedbáváme rozpouštění CO a CO2 ve vodě pokus s olejem
𝟐𝑪𝒏𝑯𝟐𝒏+𝟐 + (𝟑𝒏 + 𝟏)𝑶𝟐 ⟶ (𝟐𝒏 + 𝟐)𝑯𝟐𝑶+ 𝟐𝒏𝑪𝑶𝟐
𝟐𝑪𝒏𝑯𝟐𝒏+𝟐 + (𝟐𝒏 + 𝟏)𝑶𝟐 ⟶ (𝟐𝒏 + 𝟐)𝑯𝟐𝑶 + 𝟐𝒏𝑪𝑶
2𝐶𝑛𝐻2𝑛+2 + (𝑛 + 1)𝑂2 ⟶ (2𝑛 + 2)𝐻2𝑂 + 2𝑛𝐶
6
Popis experimentuhadička tlakoměru
teploměry
vnitřní nádoba
vnější nádoba
voda
svíčka
7
Popis experimentu
8
Závislost tlaku plynu ve vnitřní nádobě na výškách vodních hladin
Δhh2
h1
𝑝𝑛 + 𝑝ℎ2 = 𝑝𝑎 + 𝑝ℎ1𝑝𝑛 = 𝑝𝑎 ± 𝜌 ∙ 𝑔 ∙ ∆ℎ𝑝𝑛 = 𝑝𝑎 ± 𝑝ℎ
9Rovnovážný stav po vyrovnání teplot
10
Rovnovážný stav po vyrovnání teplot
11
Měření
0-2 s – systém před překrytím
Graf č. 1 a)
12
Měření
2-7 s – překrytí vnitřní nádobou a její ponoření
Graf č. 1 b)
7-26 s – hoření svíčky (postupně slábnoucí) 13
MěřeníGraf č. 1 c)
14
Měření
26-30 s – rychlejší pokles tlaku rychlejší vzestup26 s – zhasnutí
Graf č. 1 d)
15
Měření
> 30 s – vyrovnávání vnitřní a vnější teploty
Graf č. 1 e)
Interpretace experimentu
16
Po zhasnutí svíčky:
vzniká okamžitý podtlak krátké zrychlení vodního vzestupu
ztráta zdroje tepla rozepnutý plyn se smršťuje
plyn chladne pomalý vzestup
vyrovnání teplot zastavení vzestupu
17[Brian Rohrig 2007]
Sumarizace předpokladů
18
Vodní vzestup je způsoben:
1. kondenzací vodních par (vznik hořením) menší objem plynu
2. komprese plynu (zhasnutí svíčky) plyn kolem svíčky „imploduje“ menší objem plynu
𝑝𝑉 = 𝑁𝑘𝑇
20 40 60 80 100
99
98
97
80
60
40
20
0
19
MěřeníGraf č. 2 1 svíčka; nízká hladina ve vnější nádobě
20 40 60 80 100 120
80
60
40
20
0
99
98
97
20
MěřeníGraf č. 3 1 svíčka; vysoká hladina ve vnější nádobě
21
Graf č. 4 fluktuace plamene
Měření
Závislost výšky vzestupu hladiny na počtu svíček
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 1 2 3 4 5
Výš
ka v
zest
up
u h
lad
iny
(mm
)
Počet svíček22
20 40 60 80 100 120
120
80
40
0
-40100
98
96
23
MěřeníGraf č. 5 1 svíčka ve vnitřní nádobě
20 40 60 80 100 120
120
80
40
0
-40100
98
96
24
MěřeníGraf č. 5 2 svíčky ve vnitřní nádobě
2520 40 60 80 100 120
Měření
120
80
40
0
-40100
98
96
94
92
Graf č. 6 4 svíčky ve vnitřní nádobě
20,95
0,03
15,69
78,09
1,27 1,58 2,43 0,93
14,84
0,43 1,78 3,93
0
10
20
30
40
50
60
70
80
%
Složky plynu
air before
1 candle
4 candles
O2 N2 CO CO2 H2O Ar
26
Složení plynu ve vnitřní nádobě
27
Kvantifikace jevu
𝑉1 = 𝜋𝑟2ℎ1𝑉1 = 𝜋 ∙ (5,12∙ 2,5) 𝑐𝑚3
𝑉1 ≐ 204 𝑐𝑚3
𝜂1 =𝑉1𝑉=
204
1630∙ 100% = 12,5 %
12,5 − 2,4 = 𝟏𝟎, 𝟏 % objemu nádoby
kondenzace vodních par X komprese plynu
1 svíčka:1. kondenzace páry 2,4 % objemu nádoby2. komprese plynu:
28
𝑉4 = 𝜋𝑟2ℎ4𝑉4 = 𝜋 ∙ (5,12 ∙ 6,1) 𝑐𝑚3
𝑉4 ≐ 498 𝑐𝑚3
𝜂4 =𝑉4𝑉=
498
1630∙ 100% = 30,6 %
30,6 − 3,9 = 𝟐𝟔, 𝟔 % objemu nádoby
4 svíčky:1. kondenzace par 3,9 % objemu nádoby2. komprese plynu:
Kvantifikace jevukondenzace vodních par X komprese plynu
Závěr
29
systém se podrobuje rovnostem tlaků:
Fáze experimentu:1. po přikrytí hořící svíčky nastává vzrůst tlaku2. pára vzniklá hořením kondenzuje zmenšuje se objem
plynu (tlak) vodní vzestup3. svíčka dohasíná při zhasnutí nastává prudký pokles
tlaku rychlý vzestup4. vzestup se zpomalí a po vyrovnání teplot úplně zastaví
𝑝𝑛 + 𝑝ℎ2 = 𝑝𝑎 + 𝑝ℎ1𝑝𝑛 = 𝑝𝑎 ± 𝜌 ∙ 𝑔 ∙ ∆ℎ𝑝𝑛 = 𝑝𝑎 ± 𝑝ℎ
Závěr
30
vodní vzestup je způsoben kondenzací vodních par a kompresí plynu 1 svíčka
kondenzace par ≅ 2,5 % komprese plynu ≅ 10 %
4 svíčky kondenzace par ≅ 4 % komprese plynu ≅ 27 %
⟹ komprese plynu hraje větší roli
31
KNILL, Oliver. Getting the facts right. In: Getting the facts right [online]. 2006 [cit. 2013-03-15]. Dostupné z: http://www.math.harvard.edu/~knill/pedagogy/waterexperiment/index.html
HODGKIN, C. G. Making improvements to a simple experiment on combustion. Making improvements to a simple experiment on combustion. [online]. 1995, č. 41 [cit. 2013-01-21]. Dostupné z: http://home.ntelos.net/~rollinso/Candle/CandleExpt.html
ROHRIG, Brian. The Captyvating Chemistry of Candles. 2007. Dostupné z: http://www.acs.org/content/dam/acsorg/education/resources/highschool/chemmatters/chemmatters-december-2007.pdf
References
Recommended