Полум’я свічок

Полум'я в космосі

Діяльність: Вплив сили тяжіння на горіння свічки
З NASA

Мікрогравітація: Посібник для вчителя з діяльністю, середній рівень, діяльність 7, с. 35-37.
Відділ науки та програм мікрогравітації: Управління космічної науки та програм
Відділ освіти: Управління кадрів та освіти
Національне управління аеронавтики та космосу
Публікація EP-280, липень 1992 р

Завдання:

Для ілюстрації впливу сили тяжіння на швидкість горіння свічок

діяння

Передумови:

Полум'я свічки часто використовують для ілюстрації складних фізіо-хімічних процесів горіння. Сама поверхня полум'я являє собою місце, де пара палива та кисень змішується при високій температурі та з виділенням тепла. Тепло полум’я плавить віск (зазвичай при вуглеводні від С20 до С35) біля основи виставленого гніту. Рідкий віск піднімається капілярно, піднімаючи гніт, наближаючи його до найближчого гарячого полум'я. Це безпосереднє сусідство призводить до випаровування рідкого воску. Потім воскові пари мігрують у бік поверхні полум’я, розкладаючись на дрібні вуглеводні, що потрапляють. Кисень з навколишньої атмосфери також мігрує до поверхні полум’я шляхом дифузії та конвекції. Виживання та розташування поверхні полум’я визначається рівновагою цих процесів.

За нормальної сили тяжіння конвекція, що управляється плавучістю, розвивається завдяки гарячим, менш щільним продуктам горіння. Ця дія має кілька ефектів: (а) гарячі продукти реакції відводяться внаслідок своєї плавучості, а свіжий кисень переноситься до зони полум’я; (b) тверді частинки сажі утворюються в області між полум’ям і гнітом і конвектуються вгору, де вони згоряють, утворюючи яскраво-жовтий кінчик полум’я; (c) для подолання втрат тепла внаслідок плавучості полум'я закріплюється близько до гніту; (г) поєднання цих ефектів призводить до того, що полум’я має форму сльози.

За відсутності конвекції, обумовленої плавучістю, як у мікрогравітації, подача кисню та паливної пари до полум'я контролюється набагато повільнішим процесом молекулярної дифузії. Там, де немає "вгору" або "вниз", полум'я прагне до сферичності. Тепло, втрачене до верху свічки, призводить до погашення основи полум’я, і видно лише частину сфери. Зменшене надходження кисню та палива призводить до того, що температура полум’я знижується до такої міри, що утворює мало або взагалі не містить сажі. Це також призводить до того, що полум'я закріплюється далеко від гніту, так що швидкість горіння (кількість воску, витраченого за одиницю часу) зменшується.

Необхідні матеріали:

Свічки до дня народження (кілька)
Матчі
Шкала балансного променя (чутливість 0,1 г або більше)
Годинник із секонд-хендом або секундоміром
Різак дроту/плоскогубці
Дріт
Маленька каструля для збору капаючого воску

Процедура:

  1. Сформуйте підсвічники з дроту, як показано на схемі. Визначте і запишіть вагу кожної свічки та її тримача.
  2. Запаліть «вертикальну» свічку і дайте їй горіти одну хвилину. Під час горіння реєструйте кольори, розміри та форму полум’я свічки.
  3. Зважте свічку і тримач і підрахуйте, скільки маси було втрачено.
  4. Помістіть перевернуту свічку на невелику каструлю, щоб зібрати капаючий віск. (Примітка: Свічка повинна бути повернута на кут близько 70 градусів від горизонталі. Якщо свічка занадто крута, капаючий віск загасить полум’я.)
  5. Запаліть свічку і дайте їй горіти одну хвилину. Під час горіння реєструйте кольори, розміри та форму полум’я свічки.
  6. Зважте свічку та тримач і підрахуйте, скільки маси було втрачено.

Запитання:

  1. Яка свічка горіла швидше? Чому?
  2. Як відрізнялися кольори та форми полум’я та розміри?
  3. Чому одна свічка капала, а інша ні?
  4. Яку свічку легше було задути?
  5. Як ви гадаєте, що сталося б, якби ви спалили свічку горизонтально?


Діаграми полум'я свічок, адаптовані за плакатом "Наука полум’я", Національний енергетичний фонд, Солт-Лейк-Сіті, штат Юта.

Для подальших досліджень:

  1. Спаліть горизонтально триману свічку. Під час горіння реєструйте кольори, розміри та форму полум’я свічки. Зважте свічку і підрахуйте, скільки маси було втрачено через одну хвилину.
  2. Повторіть вищезазначені експерименти зі свічками всередині великої банки. Нехай свічки горять до кінця. Запишіть час, котрий горить кожна свічка. Визначте, як і чому змінилася швидкість горіння.
  3. Спаліть дві свічки, які знаходяться близько одна до одної. Запишіть швидкість горіння і зважте свічки. Це швидше чи повільніше, ніж кожна свічка окремо? Чому?
  4. Отримайте копію книги Майкла Фарадея, Хімічна історія свічки, і виконайте описані експерименти.

Список літератури

Фарадей, М., (1988), Хімічна історія свічки, Chicago Review Press.

Корнія, Р., (1991), "Наука про полум’я", "Вчитель науки", v58n8, с. 43-45.