Weird Science

Ognista fala

Według defi­ni­cji pło­mień jest to gaz emi­tu­jący świa­tło, co jest skut­kiem zacho­dzących w nim reak­cji piro­lizy i utle­nia­nia. Pło­mień jest obsza­rem, w którym zacho­dzi spa­la­nie jed­no­fa­zowe. Zna­czy to, że paliwo i utle­niacz ist­nieją w fazie gazo­wej. Docho­dzi wtedy do emi­sji cie­pła oraz pro­mie­nio­wa­nia elek­tro­ma­gne­tycz­nego, głów­nie w postaci pod­czer­wieni i świa­tła widzial­nego.

Sam pło­mień jest dosyć skom­pli­ko­wa­nym zja­wi­skiem; w jego obrębie można wyzna­czyć wiele stref różn­iących się wła­ści­wo­ściami i zacho­dzącymi w nich pro­ce­sami. Wygląd pło­mie­nia zależy od wielu czyn­ni­ków. Na poniższym zdjęciu został przed­sta­wiony wygląd pło­mie­nia pal­nika bun­se­now­skiego przy różnej zawar­to­ści tlenu.

Ilustracja

źródło: http://upload.wiki­me­dia.org/wiki­pe­dia/com­mons/0/08/Bun­sen_bur­ner_flame_types.jpg, dostęp: 16.09.2012

Dobie­ra­jąc odpo­wied­nie warunki można uzy­skać zaska­ku­jący wygląd i zacho­wa­nie się pło­mie­nia.

Ilustracja

Pew­nym uro­z­ma­i­ce­niem doświad­cze­nia jest fakt towa­rzy­szącego mu, zaska­ku­jącego w tych oko­licz­no­ściach efektu aku­stycz­nego.

Wyko­na­nie

By prze­pro­wa­dzić doświad­cze­nie potrze­bu­jemy dużego naczy­nia szkla­nego o wąskiej szyjce. Po eks­pe­ry­men­tach jakie prze­pro­wa­dzi­łem oka­zało się, że naj­od­po­wied­niej­szy do tego jest widoczny poni­żej szklany balon uży­wany do pro­duk­cji wina, jego pojem­ność wynosi 10dm3.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Jako paliwo wyko­rzy­stamy 99% alko­hol izo­pro­py­lowy (CH3)2CHOH. Używa się go do czysz­cze­nia ele­men­tów optycz­nych i jego zdo­by­cie nie sta­nowi pro­blemu.

Ostrze­że­nie: Izo­pro­pa­nol (CH3)2CHOH może być szko­dliwy. Należy uni­kać wdy­cha­nia par tej lot­nej cie­czy. Przy zanie­czysz­cze­niu innymi sub­stan­cjami, albo w razie nie­pra­wi­dło­wego pro­wa­dze­nia doświad­cze­nia może dojść do eks­plo­zji i rozer­wa­nia szkla­nego naczy­nia. Należy sto­so­wać środki och­rony oso­bi­stej! Autor nie bie­rze jakiej­kol­wiek odpo­wie­dzial­no­ści za wszel­kie mogące pow­stać szkody. Robisz to na wła­sne ryzyko!

Przy­go­to­wa­nie doświad­cze­nia jest pro­ste: do naczy­nia trzeba wpro­wa­dzić kilka mili­li­trów izo­pro­pa­nolu, nakryć i pozo­sta­wić do odpa­ro­wa­nia. Ciecz jest sto­sun­kowo lotna, więc powinno to zająć kilka, naj­wy­żej kil­ka­na­ście minut. Doświad­cze­nie warto jest pro­wa­dzić w sto­sun­kowo niskiej tem­pe­ra­tu­rze, naj­wy­żej 15°C. Wtedy utle­nia­nie alko­holu zacho­dzi spo­koj­niej i łatwiej zaob­ser­wo­wać opi­sy­wany efekt.

Po odpa­ro­wa­niu alko­holu wystar­czy przy­ło­żyć pło­mień do otwar­tej szyjki naczy­nia. Efekt można zoba­czyć na moim fil­mie:

Po doko­na­niu zapłonu możemy zaob­ser­wo­wać inte­re­su­jące zja­wi­sko: pow­staje pła­ski, koli­sty pło­mień podąża­jący sto­sun­kowo powoli w dół. Jed­no­cze­śnie można usły­szeć dźw­ięk o dosyć niskiej często­tli­wo­ści. Pło­mień gaśnie dopiero po dotar­ciu do dna naczy­nia.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ilustracja:

Kliknij aby powiększyć

Ilustracja:

Kliknij aby powiększyć

Ilustracja:

Kliknij aby powiększyć

Wyja­śnie­nie

Wyja­śnie­nie obser­wo­wa­nego zja­wi­ska jest sto­sun­kowo pro­ste. Izo­pro­pa­nol jest lot­nym, łatwo­pal­nym alko­ho­lem. Jego pary są cięższe od powie­trza, zbie­rają się więc przy dnie wypie­ra­jąc powie­trze wraz z zawar­tym w nim tle­nem.

Do utle­nia­nia potrzebne są oba skład­niki: paliwo i tlen. Razem występują jedy­nie na styku war­stwy par alko­holu i powie­trza. Jest to powo­dem pła­skiej formy pło­mie­nia. W cza­sie spa­la­nia paliwo jest zuży­wane, co obja­wia się zmniej­sze­niem objęto­ści alko­holu w fazie gazo­wej; dla­tego obser­wu­jemy wędrówkę koli­stego pło­mie­nia w dół.

Co szcze­gól­nie inte­re­su­jące, w obrębie pło­mie­nia można zau­wa­żyć pow­sta­nie dosyć regu­lar­nego układu komórek kon­wek­cyj­nych. Jest to swo­i­sty przy­kład samo­or­ga­ni­za­cji, którego efekt przy­po­mina zja­wi­ska opi­sane po raz pierw­szy przez Bénarda, który badał pro­cesy kon­wek­cyjne w cie­czach.

W cza­sie spa­la­nia docho­dzi do uwol­nie­nia pew­nych ilo­ści gazów: dwu­tlenku węgla CO2 i pary wod­nej H2O. Ucho­dzą one z dużą pręd­ko­ścią przez wąską szyjkę butelki, co powo­duje pow­sta­nie drgań będących źródłem dźw­ięku. Po usta­niu spa­la­nia pow­staje drugi dźw­ięk; jest on jed­nak dużo krót­szy i cich­szy. Powo­dem tego jest zmniej­sza­nie się objęto­ści och­ła­dza­jących się gazów pozo­sta­łych w naczy­niu. Dźw­ięk jest wtedy spo­wo­do­wany powie­trzem zasy­sa­nym do wnętrza naczy­nia.

Życzę miłej i pou­cza­jącej zabawy:)

Lite­ra­tura dodat­kowa

Marek Ples

Aa