Vodní vzestup – jaká je skutečnost - cvut.czfyzsem.fjfi.cvut.cz/2014-2015/Zima14/doprovod/voda.pdf · 2014-10-15 · Závěr 29 systém se podrobuje rovnostem tlaků: Fáze experimentu:

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