Dotaz: Dobrý den, známý si na dovolené v Itálii koupil sadu svíček. Jsou zajímavé tím,
že mohou hořet různými barvami. Jednu z nich zapálil a hořela zeleným plamenem.
Bylo to hodně zajímavé, ale nedokážu si vysvětlit, v čem je rozdíl od obyčejných
svíček. Jaký materiál mohl být použitý? Předem děkuji za odpověď. S pozdravem
Jan Feilhert. (Jan Feilhert)
Odpověď: Barvu plamene ovlivňuje nejčastěji přítomnost iontů kovů, které dodáním
energie ve formě tepla přecházejí do stavu o vyšší energii. Při návratu zpět
do stavu o nižší energii se přebytečná energie vyzáří ve formě
charakteristicky zbarveného světla. S tímto jevem se obvykle setkáváme při
ohňostrojích, využívá se též v chemii jako tzv. plamenové zkoušky k důkazu
přítomnosti některých kationtů kovů.
Prakticky jde zřejmě o to, že knot svíčky na nasycen nejčastěji chloridy
(ale v rachejtlích například i dusičnany) příslušných kovů - k červenému
zbarvení se využívají sloučeniny lithia, vápníku či stroncia, k žlutému
zbarvení chlorid sodný, k zelenému zbarvení chlorid měďnatý či dusičnan
barnatý, následně i jejich kombinace. Přítomnost strontnatých a barnatých
sloučenin může naznačit (pokud nemáte k dispozici přímo informace o složení)
varování před jedovatostí výrobku, rozpustné sloučeniny strontnaté a barnaté
jsou totiž silně toxické a zbytky po Sivestrovských ohňostrojích dokonce
měřitelně kontaminují sníh, který následně může způsobit lehké otravy
například u psů.
Dotaz: Zdravím Vás! Kdybych v beztížném stavu, např. na stanici ISS, zapálil svíčku,
jaký tvar by měl její plamen? Kulový? A hořel by vůbec? Já si totiž myslím, že
po zapálení knotu by v příštím okamžiku došlo ke spotřebování kyslíku v
nejbližším okolí, navíc by mělo dojít i k rozpínání horkých zplodin rovnoměrně
do všech stran a plamen by měl zhasnout kvůli nedostatku kyslíku. (P.Fatr)
Odpověď: Pokusy tohoto druhu se provádějí jednak na palubách amerických raketoplánů a jednak ve speciálním zařízení v Glennově výzkumném centru v Ohio (zde používají cosi jako "utržený" výtah). Prováděli i pokusy s hořící svíčkou a pokus vyfotili:
vlevo při běžné gravitaci, vpravo ve stavu beztíže
Tvar plamene je tedy skutečně kulový a svíčka alespoň nějakou dobu hořet bude. Zda takto vydrží hořet dlouhodobě a jak dochází k míchání plynů v okolí plamene se mi nepodařilo zjistit.
Dotaz: Zajímalo by mě, jak závisi tepelné záření tělesa na barvě tělesa, a materiálu, a
proč u kovů a plamene s teplotou okolo 1500 K je již barva žlutá, zatímco podle
křivky vyzařování absolutně černého tělěsa i u hvězd je až do teploty 3000 K
barva červená, a až 5-6 kK je tato barva žlutá, a jak bych mohl zjistit teplotu
plamene. (Pavel)
Odpověď: Pokud nás zajímá závislost intenzity tepelného záření na tom, jakou barvu má těleso při nízké teplotě (tedy jakou barvu vidíme při pokojové teplotě), pak lze zjednodušeně říct, že čím je těleso tmavší a matnější (tj. čím snáze pohlcuje dopadající světlo), tím více bude také při vysoké teplotě světlo (resp. tepelné záření) vyzařovat. Tato skutečnost je známa jako "Kirchhoffův zákon vyzařování".
Nyní se ještě podívejme na to, jakou barvu rozžhavená tělesa mají (jak se nám jeví). Měření přístroji (zcela v souladu s tzv. Wienovým posunovacímo zákonem) skutečně ukáže, že těleso bude vyzařovat nejvíce v oblasti červeného viditelného světla teprve když jej zahřejeme na několik tisíc kelvinů. Proč tedy vnímáme jako červeně zářící i tělesa chladnější? Protože lidské oko je na různé vlnové délky růžně citlivé a výrazně tak zkresluje výsledek "měření". Jednoduše řečeno těleso při tisíci kelvinech září především v infračervené části spektra a jenom menší část vyzařuje v podobě červeného světla. Naše oko ovšem infračervenou část spektra nevnímá a soustředí se na světlo červené barvy.
Zohledníme-li tuto nedokonalost oka, můžeme pak odhadovat teplotu žhavých těles dle této tabulky:
Dotaz: 1. Chtěl bych se zeptat jestli je plamen formou plazmatu (jestli se zde vyskytují ionty), jestli je to otázka teploty nebo elektromagnetického pole.
2. Četl jsem něco o iontovém motoru, kde se ionty urychlují elektromagnetickým polem a zajímalo by mne, jestli to samé lze udělat i se spalinami chemického motoru - zvýšení rychlosti výtokových plynů a výkonnosti pohonu rakety. Rychlost iontů je asi 10x vyšší než u chemického paliva, ale nemá takovou akceleraci a nelze použít v atmosféře, a já nevím proč. (Petr Zimmermann)
Odpověď: 1. Ionty se, např. vlivem kosmického záření, běžně vyskytují
i ve vzduchu za pokojové teploty.
Pouhý výskyt iontů tedy není dobrým kritériem pro to, aby bylo
rozumné nějaké prostředí nazvat plazmatem.
Plamen sice obsahuje velké množství iontů (1014 - 1018
v krychlovém metru), ale formou plazmatu bych jej též,
z důvodů, jež se pokusím níže vysvětlit, nenazval.
Plazma je obyčejně definováno jako navenek neutrální
plyn obsahující velké množství kladně i záporně nabitých částic,
které se vzájemně ovlivňují elektromagnetickými silami.
Přesněji řečeno, lze definovat tři podmínky pro plazma:
A. Rozměr plazmatu musí být mnohem větší, než je Debyeova
délka, neboli vzdálenost, na které nabité částice elektrostaticky
odstíní náboje do plazmatu vložené. Tato vzdálenost je přímo úměrná
tepelné rychlosti částic a nepřímo úměrná odmocnině z jejich hustoty.
B. Hustota nabitých částic musí být taková, aby v krychli o hraně
rovné Debyeově délce byl statisticky významný počet částic, to jest
mnohem více, než jednotky.
C. Pokud plyn obsahuje i neutrální částice, srážky mezi nimi a
nabitými částicemi musí být méně časté než je perioda oscilací
působených vzájemným působením elektromagnetických sil mezi nabitými
částicemi. V opačném případě by se totiž nabité částice vzájemně
neovlivňovaly elektromagnetickými silami, ale pohybovaly pod vlivem srážek s
neutrálním plynem. Za onu periodu oscilací zde lze uvažovat periodu
elektrostatických plazmových kmitů, jež je nepřímo úměrná
odmocnině z hustoty nabitých částic. Na hustotě nabitých a neutrálních
částic a na jejich tepelných rychlostech též závisí frekvence
jejich vzájemných srážek.
Pro odpověď na otázku, je-li plamen formou plazmatu je tedy důležitá
nejen teplota ale i hustota nabitých a neutrálních částic.
O teplotě plamene přirozeně hořících materiálů mají dobrý přehled hasiči.
Následující tabulka je převzata z [1].
rašelina, mazut: 1 000 °C
dřevo, hnědé uhlí, ropa, petrolej, motorová nafta: 1 100 °C
černé uhlí, kaučuk a jeho výrobky, benzín: 1 200 °C
antracit, síra: 1 300 °C
hořlavé plyny: 1 300 - 1 500 °C
hořčík, elektron: 2 000 °C
Jak uvádí pplk. Mráz [2], hořící plastová ramínka z tvrzeného
polystyrenu mají teplotu plamene až 2210 °C.
Co se týče uměle pěstovaného plamene, běžné propan-butanové hořáky
dosahují teploty plamene 800-1600 °C. Zemní plyn spalovaný na vzduchu
dosahuje teploty asi 2000 °C a v čistém kyslíku
asi 2700 °C. Acetyléno-kyslíkový hořák vyvine teplotu 2700-3200 °C a
tryska hlavního motoru raketoplánu, napájená kapalným kyslíkem
a kapalným vodíkem dosáhne teploty plamene asi 3300 °C [3].
Převážná většina nabitých částic vzniká při chemických
reakcích spojených s hořením, nikoli tedy přímou tepelnou ionizací.
Hustota a druh vzniklých nabitých částic tak velmi závisí na druhu paliva.
Při hoření dochází ke vzniku kladných iontů (například CHO+, CH3+, C2H3O+,
H3O+),
záporných iontů (např. O2-) a elektronů, ale občas též
až mikrometrových grafitových částic s kladnými náboji řádu 1000 elementárních
nábojů [4,5]). Hustota vniklých nabitých částic je, podle druhu paliva,
mezi 1014 m-3 (klasická tuhá paliva [5]) a 1018 m-3 (maximum pro
plynná paliva v hořácích a tryskách [4,6]). To ale může být stále ještě
zanedbatelná hodnota v porovnání s hustotou neutrálních částic,
jež je za pokojové teploty a atmosférického tlaku asi 3*1025 m-3.
Z takto shromážděných údajů lze již ověřit, platí-li
výše uvedené podmínky A-C pro to, abychom plamen mohli označit jako plazma.
Zde zjistíme, že podmínkám A a B plamen většinou vyhoví (Debyeova délka je
v řádech od 10-6 do 10-4 m), avšak podmínce C nikoli.
Frekvence plazmových kmitů je zde mezi 100 MHz a 10 GHz, což je
výrazně méně, než je frekvence srážek mezi elektrony a neutrálními
částicemi, jež je v řádech tisíců GHz. Pohyb nabitých částic v plameni je
tedy natolik ovlivňován srážkami s
neutrálním plynem, že jejich vzájemné elektromagnetické
působení je zanedbatelné, a plamen v tomto smyslu nelze nazvat
plazmatem.
Doporučená literatura:
F.F. Chen: Úvod do fyziky plazmatu, Academia, Praha 1984. Použitá literatura:
[1] Ing. Bohdan PTÁČEK, Základy požární taktiky: Parametry požáru,
MV ŘEDITELSTVÍ HASIČSKÉHO ZÁCHRANNÉHO SBORU ČR
ODBORNÁ PŘÍPRAVA JEDNOTEK PO^ÎÁRNÍ OCHRANY, Konspekt 1-1-04
(http://onsov.borec.cz/hasici/1_1_04.html)
[2] pplk. Milan MRÁZ, V Otovicích hasiči bojovali s velkým množstvím hoříciho
plastu,
150 HOŘÍ číslo 9/2001
(
http://www.mvcr.cz/casopisy/150hori/2001/zari/mraz.html )
[3]
http://www.space.com/businesstechnology/technology/new_shuttle_engine_010426.htm
l
[4] A. Sorokin, Emission of ions and charged soot particles by aircraft
engines,
Atmos. Chem. Phys. 3, 325-334, 2003.
[5] D. J. Latham, Space charge generated by wind tunnel fires,
Atmospheric Research 51, 267-278, 1999.
[6] R. M. Clements and P. R. Smy, Anomalous currents to a spherical
electrostatic probe
in a flame plasma, Brit. J. Appl. Phys. (J. Phys. D) Ser. 2, Vol. 2, 1731-1737,
1969.
2. Druhá část otázky je spíše technického rázu, odpovím jen stručně:
Iontový motor může pracovat po dlouhou dobu, ale na druhou stranu
pracuje s velmi malým tahem. Lze jej použít pro
drobné korekce drah již vypuštěných družic, pro korekce orientace, a
přichází doba jeho použití pro postupné urychlování těles. To povede
k výrazným korekcím drah, avšak pouze při dlouhodobém chodu motoru
umístěném na klasicky vypuštěných tělesech.
Z běžného velmi malého poměru koncentrací iontů a neutrálních částic
v plameni (viz výše) vyplývá, že klasický pohon raket je
založen spíše na proudu neutrálních částic a dodatečné urychlování
iontů by se v této situaci patrně nijak neprojevilo.
