Kaj se dogaja z zrakom okoli dimnika?
Pri našem poskusu nezgoreli preostanek dimnika poleti. To se seveda ne more zgoditi kar samo od sebe, zato smo sklepali, da se je moralo nekaj gibati še prej, tako da je lahko vzdignilo ostanek dimnika. Ker je pri poskusu prisotno gorenje, smo takoj pomislili, da zaradi segrevanja okoliškega zraka nastajajo konvekcijski tokovi, ki bi utegnili biti pomemben vzrok za dviganje dimnika.
Kaj je konvekcija?
Je eden izmed načinov prehajanja toplote, poteka v toku tekočin. Ločimo naravno in vsiljeno konvekcijo. Pri naravni je tok tekočine posledica gostotnih razlik zaradi temperaturnih razlik, pri vsiljeni pa tlačno razliko povzroča črpalka. V sklenjenem krogu cevi se lažja, segreta tekočina z manjšo gostoto zaradi vzgona dviga v hladnejše predele, tam odda toploto ter se ohlajena in težja zopet vrača navzdol. Tako se razvijejo konvekcijski tokovi. Preprost zgled za konvekcijo v plinu je tok v dimniku. Razlika tlakov zunaj in znotraj dimnika je zaradi razlik v temperaturi enaka:
kjer sta ρ' in ρ gostoti plina v oziroma zunaj dimnika, h je težni pospešek, T' in T pa sta temperaturi plina v oziroma zunaj dimnika. Ko so vrata dimnika (spodaj) odprta, ta razlika tlakov poganja tok plina po dimniku navzgor. Vzgon oz. sila vzgona je podrobneje predstavljena v nadaljevanju.
Toplotni tok pri naravni in vsiljeni konvekciji podaja enačba:
kjer je Λk koeficient prevodnosti pri konvekciji. Slednji je odvisen od temperature in od sredstva oz. snovi, kjer konvekcija poteka. Naravna konvekcija je učinkovita, če upor pri pretakanju tekočin ni prevelik.
Vzgon
Vzgon se navadno pojavlja v tekočinah in plinih (pri našem poizkusu gre za vzgon v plinu – zraku).
Silo vzgona, ki je vedno usmerjena v smeri navzgor, imenujemo (statični) vzgon. Enak je teži telesa, ki bi ga zapolnjevala izpodrinjena tekočina oz. plin. Prijemališče vzgona je v težišču potopljenega dela telesa, torej je v kapljevini važno tudi to, ali je telo še nekoliko nad gladino ali ne, v plinu pa težišče potopljenega dela telesa sovpada s težiščem telesa, saj plin obkroži telo iz vseh strani.
Če povsem potopimo kocko z osnovno ploskvijo S in višino H v mirujočo kapljevino, iz vseh strani na telo delujejo sile. Ker je hidrostatski tlak v tekočini, ki iz vseh strani pritiska na telo, izotropen (to pomeni, da ima v vseh smereh enake lastnosti), se izenačita sili na levo in desno stranico telesa in prav tako tudi sili na sprednjo in zadnjo stranico. Ne izenačita pa se sili na zgornjo in spodnjo stranico, ker je hidrostatski tlak ob spodnji stranici večji kot hidrostatski tlak ob zgornji stranici. Razlika teh dveh sil je ravno sila vzgona. Razlaga je identična za silo vzgona v plinu.
Slika prikazuje gornjo razlago sile vzgona. Kot vidimo sta sili, označeni s c in d po velikosti enaki, vendar nasprotno usmerjeni, zato se izničita. Sili a in b sta prav tako nasprotno usmerjeni, vendar nista enaki po velikosti. Rezultanta teh dveh sil je ravno sila vzgona.
Sila vzgona je torej:
kjer je z razdalja od zgornje ploskve do gladine vode oz. vrha posode s plinom, ρ gostota plina oz. tekočine, S površina ploskve, na katero deluje sila vzgona, H višina telesa, g pa gravitacijski pospešek. Zapišemo lahko torej tudi
kjer je V prostornina izpodrinjenega plina oz. tekočine, m pa masa izpodrinjenega plina oz. tekočine. Tako dobimo:
Arhimedov zakon: vzgon je enako velik kot teža tekočine, ki jo izpodrine telo.
V našem poizkusu vzgon pripomore k dviganju dimnika v zrak, saj je na dnu dimnika tlak nekoliko večji kot na vrhu dimnika. Zaradi tega se pojavi sila vzgona in posledično ostanek tulca poleti (seveda se to zgodi, ko je masa ostanka dovolj majhna). Ta sila je majhna, vendar je ne smemo zanemariti, saj je tudi masa ostanka dimnika majhna in zato sila vzgona znatna.
Konvekcija pri našem poskusu
Tudi pri našem poskusu je imela pomembno vlogo naravna konvekcija. Poglejte si spodnjo skico, ki kaže, kako so v delovni komori med izvedbo poskusa tekli zračni tokovi. Ker tokov žal nismo mogli opazovati s prostim očesom, smo skico narisali zgolj na podlagi našega znanja iz fizike. Modre puščice pomenijo tok hladnega zraka, rdeče pa tok toplega zraka. Njihovo premikanj si razložimo takole.
Zaradi gorenja tulca se zrak segreva na vrhu dimnika, kjer je plamen, s strani pa vanj vdira hladen zrak (na skici označeno z ① in ②).
Od tam se topel zrak začne dvigati z največjo hitrostjo. Med potovanjem se postopoma upočasnjuje, ker "drgne" ob mirujoči zrak v komori. Po malo se tudi odklanja, zato se širina toka z višino veča (③). Topel zrak se nabira na vrhu komore (⑤). Tisti zrak, ki je v stiku s stenami komore, pa se ohlaja in se ob stenah počasi spušča (④). Slednji pojav pa ni imel ključne vloge pri našem poskusu, saj je bila razlika med temperaturo toplega zrakom pri vrhu komore in temperaturo zunanjega zraka precej majhna, vmes pa je bilo še pleksi steklo, ki je ta pojav še omililo.
Naj poudarimo, da je bila zaradi zgoraj povedanega pomembna tudi izbira materiala za izdelavo tulca. Uporabljali smo čajne vrečke, ker so te dovolj propustne za zrak, da lahko le-ta nemoteno teče skoznje. Če bi na primer uporabili pisarniški papir, zrak skozi stene takega tulca ne bi mogel teči in poskusa bi potekal na drugačen način.
Zrak nad tulcem se očitno dviguje (to lahko sklepamoiz oblike plamena).
Kako pride zrak v tulec
Zrak nad tulcem se dviga. To pomeni, da se mora ta porabljeni zrak nadomestiti zrak od nekod drugod. Ker pa smo ugotovili, da naš poskus ne deluje, če v tulec zvijemo navaden pisarniški papir, ki ne prepušča zraka skozi svoje stene, smo odkrili, da tulec črpa zrak skozi svoje stene.
Oglejte si spodnji filmček, ki prikazuje gorenje papirnatega tulca.
Če video ne deluje, kopirajte povezavo v okno brskalnika.
http://youtu.be/coWCiVVlRyk
Ko je valj spodaj odprt, gori brez težav. Če ga spodaj zapremo (v našem primeru zakrijemo z roko), pa se gorenje zelo upočasni, skorajda ustavi. To dokazuje, da se zaradi gorenja porablja predvsem zrak znotraj tulca in ne, kot bi morda pomislili, zrak zunaj tulca. Ker pa je pri našem čajnem tulcu dno pokrito, saj je postavljen na tla, ostane samo ena možnost, t.j. da čajni tulec dobiva zrak skozi svoje stene.
[... Da gorenje tulca zagotovo ni odvisno od dotoka zraka skozi dno tulca, smo preverili z naslednjim poskusom. Tulec na podlago prilepili z lepilom tako, da vanj skozi dno ni mogel vstopati zrak (gl. sl.). Ko smo ga prižgali, je gorel normalno, tako kot takrat, ko ni bil zalepljen. To je dokaz, da je moral zrak za gorenje v tulec vstopati skozi njegove stene.]
Poskus s plastenko
Zanimalo nas je tudi, ali bi se dalo videti, kako zrak prehaja skozi stene tulca pri gorenju. Za to smo porabili vrhnji del plastenke, skozi katerega smo zvili tulec, plastenko smo nagnili postrani in noter z indijskimi dišečimi palčkami ujeli sivkast dim. Nato smo tulec prižgali in skozi stene, ki so bile v notranjosti plastenke, je prodrl dim, ki se je kasneje razvil skozi ustje plastenke na prosto. Žal pa nam poskusa ni uspelo posneti, saj nam je uspel samo enkrat (takrat smo imeli drugačno plastenko kot pa pri ostalih poskusih). Ogledate si lahko le shemo tega poskusa in pa eno fotografijo.
