Propozycja doświadczenia na Konkurs ZZZ Imię i nazwisko ucznia 1

1
Propozycja doświadczenia na Konkurs ZZZ
Imię i nazwisko ucznia 1
Aneta Twardowska
Imię i nazwisko ucznia 2
Monika Łaciak
Numer grupy / numer zespołu
312/G/NYS/OPO_ZES_NR_7
Nazwa i adres szkoły
Gimnazjum nr 3 im. Żołnierzy Armii Krajowej
w Nysie
ul. T. Kościuszki 10 48-300 Nysa
Imię i nazwisko nauczyciela
Beata Krzan
Tytuł pokazu
Zjawisko konwekcji – skutki cyrkulacji w kominie.
Dział fizyki
Termodynamika
Potrzebne materiały do doświadczeń
DOŚWIADCZENIE 1.
plastikowa oprawka ze świeczki-podgrzewacza,
karton z bloku technicznego, nożyczki, ołówek,
ekierka, świeczka, zapałki, klej uniwersalny
kombinerki, pilnik do metalu, gwóźdź, grubszy
drut miedziany (ok. 20 cm) zaostrzony z jednej
strony (lub na końcu z przylutowaną metalową
końcówką ze zużytego wkładu od długopisu.
DOŚWIADCZENIE 2.
mała świeczka, płaski talerzyk, butelka
plastikowa o objętości 1,5 – 2 litra, patyczek do
szaszłyków, prostokątny pasek z folii
aluminiowej, nożyczki, 1/3 szklanki wody, zapałki
Koszt materiałów do doświadczeń
ok. 3 zł (koszt świeczki)
pozostałe: materiały znalezione w domu
Wykorzystane eksperymenty
nie więcej niż trzy połączone tematycznie
Nazwa / tytuł
1. Cele przeprowadzenia doświadczeń:
1. Wiatraczek
2. Świeczka w kominie
2
Demonstracja zjawiska konwekcji. Wyjaśnienie na czym polega efekt kominowy. Pokazanie
zjawiska cyrkulacji. Wyjaśnienie w jakich warunkach zachodzi cyrkulacja i omówienie zagrożeń jakie
niesie ze sobą jeśli pojawi się w kominie.
2.
Opis wykonania doświadczeń:
DOŚWIADCZENIE 1. – Wiatraczek
• Narysuj na bloku technicznym schemat jak na
rysunku i natnij go w miejscach linii przerywanych.
Przyklej do plastikowej oprawki ze świeczkipodgrzewacza zaznaczoną na żółto część. Pozaginaj
karton wzdłuż poprzecznych czerwonych linii, tak
by
powstały skrzydła wiatraczka. Uwaga wymiar
dłuższego boku żółtego prostokąta musi być równy
obwodowi plastikowej oprawki ze świeczki. Napunktuj gwoździem środek plastikowej oprawki od
wewnątrz.
• Zaostrz jeden koniec drutu pilnikiem do metalu i wygnij za pomocą kombinerek stojak z drutu
tak, by mógł stać , a ostry jego koniec skierowany był w górę (można przylutować na jego szczycie
ostrą końcówkę od wkładu długopisu).
• umieść wiatraczek na drucianym stojaku, tak by miał możliwość obrotu i postaw pod nim
świeczkę. Obserwacja: wiatraczek zaczyna się obracać
DOŚWIADCZENIE 2. – Świeczka w kominie
• w butelce plastikowej o objętości 1,5-2 litra odetnij płasko dno.
• Wytnij z folii aluminiowej pasek o szerokości nieco mniejszej niż średnica wlotu butelki i o
długości nieco mniejszej niż wysokości powstałego naczynia.
• pasek z folii zamontuj na patyczku do szaszłyków, nawijając go kilkakrotnie
• zalej talerzyk wodą, tak, by pokrywała dno cienką warstwą i ustaw na nim zapaloną świeczkę
• nałóż przeźroczystą butelkę na świeczkę tak, by świeczka w żadnym miejscu nie dotykała jej
ścianek oraz by dolna krawędź butelki w żadnym miejscu nie wystawała ponad wodę
• Obserwacja: po chwili świeca gaśnie
• Zdejmij butelkę i ponownie zapal świeczkę i ponownie nałóż butelkę na świeczkę tak, by dolna
krawędź butelki w żadnym miejscu nie wystawała ponad wodę
• na otworze butelki połóż patyczek tak, aby pasek aluminium swobodnie zwisał wewnątrz
naczynia – uwaga: aluminiowy pasek nie może dotykać płomienia świecy.
• Obserwacja: świeca nie gaśnie
Zdjęcia, rysunki do opisu wykonania doświadczeń (nie więcej niż 6 szt. o zmniejszonej
rozdzielczości):
DOŚWIADCZENIE 1. – Wiatraczek
DOŚWIADCZENIE 2. – Świeczka w kominie
Doświadczenie:
Materiały:
3.
3
DOŚWIADCZENIE 2. – Świeczka w kominie – kolejne etapy eksperymentu:
część a): w butelce bez przegrody
początkowo świeczka się pali, po
pewnym czasie, na skutek braku
tlenu, gaśnie.
część b): w butelce z przegrodą
świeczka się pali i nie gaśnie, gdyż na
skutek cyrkulacji powietrza
zapewniony jest dopływ powietrza
(tlenu)z zewnątrz.
4. Wyjaśnienie teoretyczne:
DOŚWIADCZENIE 1. – Wiatraczek
Skrzydła naszego wiatraka obracają się pod wpływem unoszącego się gorącego powietrza. Zjawisko
to nazywamy konwencją.
Konwekcja - to ruch makroskopowych obszarów cieczy lub gazu pod działaniem czynników
zewnętrznych, np. mieszadeł lub pomp (konwekcja wymuszona), lub różnicy gęstości (konwekcja
naturalna lub swobodna), zwykle wywołanej niejednorodnością temperatury płynu lub płynu.
DOŚWIADCZENIE 2. – Świeczka w kominie
Obcięta butelka stanowi model komina
a) gdy w butelce nie ma przegrody aluminiowej płomień świecy ogrzewa powietrze, które na
skutek konwekcji wędruje pionowo w górę, ponieważ jest mniej gęste niż otaczające je
powietrze chłodne. Chłodne powietrze nie może dostać się do świeczki dołem, ponieważ
dolna krawędź butelki jest uszczelniona przez wodę. Chłodne powietrze mogłoby się dostać
do świeczki jedynie przez górny wlot butelki, ale prąd konwekcyjny ciepłego powietrza
blokuje wlot zimnego powietrza. Cyrkulacja powietrza wewnątrz rurki nie jest możliwa.
Paląca się świeca szybko zużywa tlen, który znajduje się w rurce. Bez dopływu świeżego
powietrza zawierającego tlen, który jest niezbędny do podtrzymania palenia, świeczka
gaśnie.
b) gdy w butelce umieścimy przegrodę aluminiową umożliwiona zostaje cyrkulacja powietrza.
Ciepłe powietrze, ogrzane przez palącą się świecę, płynie w górę korytarzem po jednej
stronie przegrody, a powietrze chłodne (z zewnątrz) dopływa z góry i opada korytarzem po
drugiej stronie przegrody. Stały dopływ świeżego powietrza (tlenu) nie pozwala świeczce
zgasnąć.
Interpretacja fizyczna:
Płomień świeczki ogrzewa powietrze, które na skutek konwekcji wędruje pionowo w górę, ponieważ
4
ma ono mniejszą gęstość niż otaczające je chłodne powietrze. Na skutek wzrostu temperatury gaz
ulega rozszerzalności objętościowej (zwiększa się objętość przy zachowaniu liczby cząstek, czyli
gęstość maleje).
Prezentowane zjawisko ściśle wiąże się z tzw. efektem kominowym występującym w kominach,
szybach wentylacyjnych, szybach wind, szybach kopalnianych i wielu innych miejscach o pionowym
układzie.
Efekt kominowy (ciąg, cug) - zjawisko fizyczne powstawania
spontanicznego przepływu cieplejszego gazu (np. powietrza)
z dołu do góry w kominach.
Siłą napędową efektu kominowego są różnice gęstości
wynikające np. z różnicy temperatury pomiędzy powietrzem (lub
ściślej: gazem) zewnętrznym, a wewnętrznym (w przewodzie
komina). Słup wewnętrznego, ogrzanego powietrza jest lżejszy
niż zimnego – zewnętrznego. Wynika z tego, że u podstawy
komina w jego wnętrzu ciśnienie jest mniejsze niż na zewnątrz
na tej samej wysokości. Ta różnica ciśnień wywołuje przepływ
powietrza. Efekt jest tym większy im wyższy komin i większa różnica temperatur.
W mroźne zimowe dni, kiedy temperatura powietrza spada nawet do –20°C, a ciśnienie jest
wyjątkowo wysokie, nasilają się zgłoszenia zatrucia tlenkiem węgla osób przebywających
w mieszkaniach wyposażonych w łazienkowe piecyki gazowe lub piece opalane węglem. Z kolei
w upalne lub wyjątkowo wietrzne dni może wystąpić efekt zadymienia w pomieszczeniach
z piecem kaflowym albo kominkiem. Dlaczego tak się dzieje?
Komin służy do odprowadzania zużytego powietrza, spalin lub dymu z zamkniętych pomieszczeń
(budynki, kopalnie itp.) do atmosfery. Istnieją trzy podstawowe rodzaje kominów: wentylacyjne,
spalinowe i dymowe. W większości budynków mieszkalnych wszystkie te kominy działają na zasadzie
wentylacji grawitacyjnej. Polega ona na samoistnym przepływie powietrza od podstawy komina
w górę do jego wylotu, na skutek wypychania powietrza z wnętrza budynku przez napływające do
środka kanałami nawiewnymi zewnętrzne powietrze, bez konieczności stosowania pomp tłoczących.
Dzięki wyporowi hydrostatycznemu ciepłe powietrze unosi się do góry w postaci prądu
konwekcyjnego i kominem wydostaje się na zewnątrz. Dzieje się tak dlatego, że niemal zawsze
powietrze znajdujące się wewnątrz budynków mieszkalnych jest cieplejsze, a co za tym idzie –
charakteryzuje się mniejszą gęstością niż zimne powietrze zewnętrzne. Prowadzi to do powstania
u podstawy komina, czyli w pomieszczeniu zamkniętym, tzw. ciśnienia czynnego.
Ze względów bezpieczeństwa w prawidłowo skonstruowanych budynkach musi zostać zapewniona
stała wymiana powietrza, co jest możliwe dzięki kanałom wentylacyjnym i otworom nawiewnym.
Jeżeli nie byłoby z zewnątrz stałego dopływu powietrza do pomieszczeń zamkniętych, to po pewnym
czasie w pomieszczeniach tych wytworzyłoby się podciśnienie, związane ze stałym ubytkiem masy
gazu ze szczelnie zamkniętej objętości, które to podciśnienie w konsekwencji doprowadziłoby do
zassania powietrza kominem wentylacyjnym, dymowym lub spalinowym z powrotem w dół - tzw.
ciąg wsteczny. Ciąg wsteczny ustaje po wyrównaniu się ciśnień u podstawy komina, ale nawet jego
krótkotrwałe występowanie może doprowadzić do bardzo groźnych skutków, takich jak zatrucie
tlenkiem węgla (z przewodów spalinowych lub dymowych), ponieważ substancja ta jest groźna dla
zdrowia nawet w niewielkim stężeniu.
Tlenek węgla jest produktem powstającym w wyniku niepełnego spalania węgla, które może mieć
miejsce m.in. w przypadku niedostatecznego dopływu tlenu do paleniska. Zatem występowanie
podciśnienia w pomieszczeniach działa podwójnie niekorzystnie – zwiększa ilość wydzielanego
tlenku węgla i jednocześnie powoduje jego wtłaczanie do pomieszczeń.
Kominy muszą spełniać wiele wymogów, m.in. muszą być proste i muszą odpowiednio wystawać
ponad otoczenie w celu zniwelowania zawirowań powietrza u ich wylotu. Komin musi być także
ocieplony, aby powietrze poruszające się w górę w nim zbyt szybko się nie wychładzało, gdyż
powoduje to zmniejszenie efektywnej wysokości słupa ciepłego powietrza h, a co za tym idzie –
prowadzi do zmniejszenia ciśnienia czynnego.
5
W czasie srogiej zimy bardziej uszczelniamy mieszkania, bojąc się utraty ciepła. Jeżeli w związku
z tym dojdzie do zwiększenia ciśnienia zewnętrznego w stosunku do wewnętrznego, a jednocześnie
do wychłodzenia górnych części komina, może wystąpić odwrócenie cyrkulacji wentylacyjnej,
powodujące wtłaczanie gazów (np. tlenku węgla) do pomieszczeń zamkniętych. Podobny efekt może
nastąpić przy zbyt silnych podmuchach wiatru, który wytwarzając dodatkowe ciśnienie
hydrodynamiczne u wylotu komina, nadmiarowe w stosunku do ciśnienia powietrza napływającego
otworami nawiewnymi, może spowodować wtłaczanie powietrza, spalin i dymu w dół przewodów
kominowych. W obu tych przypadkach pomóc może rozszczelnienie okien lub ocieplenie komina.
W upalny dzień cyrkulacja powietrza może zostać odwrócona ze względu na wyższą temperaturę
powietrza na zewnątrz niż wewnątrz zacienionego budynku. W tym przypadku powrót do korzystnej
wentylacji może być utrudniony i możliwy tylko poprzez wytworzenie silnego przeciągu.
Nie należy dopuszczać do sytuacji, by w kominie tkwiła jakaś przegroda. Należy dbać o regularne
przeglądy kominów, gdyż wszelkie przegrody w kanale wentylacyjnym mogą spowodować
niekorzystne cofanie się gazów do wnętrz budynków. Gdy w kominie utkwi przeszkoda, jest ona
bardzo niebezpieczna dla mieszkańców budynku, gdyż stwarza możliwość powstania cyrkulacji
powietrza w kominie. Wraz z opadającym w dół komina powietrzem z zewnątrz, może zostać
wtłoczony do wewnątrz tlenek węgla, który powstaje w wyniku niecałkowitego spalania. Stąd też
kominiarze często nas odwiedzają, aby dokonać przeglądów i czyszczenia naszych kominów.
5. Zastosowanie praktyczne prezentowanego zjawiska:
Zjawisko konwekcji jest powszechnie wykorzystywane w systemach grzewczych budynków.
Również w przyrodzie występują prądy konwekcyjne, powodując cyrkulację powietrza wokół Ziemi.
Konwekcja w atmosferze i wodzie ma duże znaczenie w kształtowaniu klimatu i pogody na Ziemi.
Naturalna cyrkulacja jest wykorzystywana przez szybujące ptaki oraz szybowce, które do poruszania
się wykorzystują prądy konwekcyjne. Zjawisko konwekcji bardzo trudno zobaczyć, ponieważ
powietrze ciepłe i zimne, choć różnią się gęstością, różnica ta nie może zostać dostrzeżona gołym
okiem. Aby można było zobaczyć prąd konwekcyjny, powietrze lub woda muszą zostać zabarwione.
W warunkach domowych przykładem widocznego prądu konwekcyjnego jest dym wydobywający
się z komina lub śreżoga, czyli drganie gorącego powietrza tuż nad powierzchnią drogi (np.
asfaltowej jezdni), szczególnie wyraźne w upalny dzień.
Wszelkiego rodzaju przedmioty (przegrody), które wpadną do komina stają się niebezpieczne dla
mieszkańców budynku. Stwarzają bowiem możliwość zaistnienia cyrkulacji powietrza w kominie.
Wraz z opadającym w dół komina, dostarczanym z zewnątrz, z powietrzem, do naszych mieszkań
może zostać wtłoczony trujący tlenek węgla, który powstaje w wyniku niecałkowitego procesu
spalania. Dlatego kominiarze muszą często dokonywać przeglądów i czyścić kominy.
6. Literatura, źródła dodatkowej informacji na temat prezentowanych zjawisk, zagadnień
http://pl.wikipedia.org/wiki/Konwekcja
http://pl.wikipedia.org/wiki/Efekt_kominowy
www.if.uj.edu.pl/Foton/92/pdf/15%20komin.pdf
Minisłownik szkolny Fizyka – pod redakcją Alana Isaacsa
7. Potwierdzenie nauczyciela
Potwierdzam, że praca jest autentyczna i samodzielnie wykonana przez zespół uczniów.
Imię i nazwisko nauczyciela. Beata Krzan.