FyzWeb  odpovědna
Novinky Kalendář Články Odpovědna Pokusy a materiály Exkurze Výročí Odkazy Kontakty
 


Licence Creative Commons (Uveďte autora - Nevyužívejte komerčně - Zachovejte licenci)

Zaujal vás nějaký fyzikální jev? Nevíte si rady s jeho vysvětlením? Neváhejte a napište nám svůj dotaz!


nalezeno 16 dotazů obsahujících »plamen«

8) Je plamen formou plazmatu?07.02.2004

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.
(RNDr. Ondřej Santolík, Dr.)   >>>  

9) Co je to oheň?29.04.2003

Dotaz: Stále mi vrtá hlavou, co je to vlastně oheň; jak by se dal fyzikálně definovat? Je to něco jako forma plazmy? (Petr)

Odpověď: Ono je to v životě vždycky tak, že "běžné pojmy" jsou pěkně složité na definování - a člověk si pak i říká, k čemu by taková definice byla, abychom nesklouzli do nějakých formálních klasifikací namísto obsahu. Asi máš na mysli plamen - to je přece jen užší, konkrétnější pojem. Je to "obláček" plynu, na povrchu obláčku tak žhavého, že už zřetelně září, a je na povrchu tvořen plynem už částečně ionizovaným, tedy plazmou (značně nízkoteplotní). Energii ke vzniku a k záření mu dodává chemická reakce v něm probíhající, tedy hoření u povrchu, v oblastech, kde je hořlavý materiál už difuzí smíchán s okolním vzduchem v koncentraci dostatečné pro zahájení a udržení chemické reakce. Že plamen je věc značně pomíjivá - to je zřejmé už z toho, jak poskakuje, mihotá se, třepoce a já nevím, co ještě. To, co svými pomalými smysly vnímáme, je zrakový vjem podpořený setrvačností oka; mikrofotografie plamene jsou zajímavé a "nepodobné" tomu, co známe.
(J.Obdržálek)   >>>  

10) Entalpie25.02.2003

Dotaz: Dočetla jsem se, že energie potřebná k rozkladu vody na kyslík a vodík je 241,9 kJ/mol, ale našla jsem i jiné hodnoty. Ráda bych věděla, zda je tato hodnota spávná a které aktivity člověka by tomu energeticky odpovídaly. (Jindřiška Drozenová)

Odpověď: V tabulkách lze najít "slučovací teplo", tedy entalpii*/ vztaženou na 1 mol látky za pokojové teploty (298,15 K) a atmosférického tlaku (101 325 Pa), pro nejrůznější látky - pozor ovšem na jejich stav, případně krystalovou modifikaci apod. Tak kapalná voda má slučovací teplo -285,830 kJ/mol, vodní pára téže teploty jiné, totiž -241,826 kJ/mol. Rozdíl mezi nimi připadá na výparné teplo, které musíme dodat kapalné vodě, aby se proměnila v páru téže teploty. Pro srovnání: uvádí se, že při spánku, trvajícím 1 hodinu vydají ženy 280 kJ, muži 310 kJ.
        Mimochodem právě velmi vysoké výparné teplo vody a její velká tepelná kapacita jsou odpovědné za to, že acetylenový plamen je teplejší než plamen etanový, i když má etam větší výhřevnost; při shoření 1 molu obou plynů vznikne z etanu (C2H6) mnohem víc vody než z acetylenu (C2H2).
*/   Pokud nevíte, co je to entalpie, tak zcela laicky: V systému s neproměnným objemem V (autokláv) zvyšuje dodané teplo vnitřní energii U, v systému s neproměnným tlakem p (otevřená zkumavka) zvyšuje dodané teplo entalpii H. Platí H=U+pV .
(J.Obdržálek)   >>>  

11) Vodiče tepla22.01.2003

Dotaz: Potřebovala bych zjistit nějaké zajímavosti o vodičích tepla. (Michaela)

Odpověď: Milá Michaelo, tak jako jistě znáte elektrické vodiče a izolanty, jsou i tepelné vodiče a izolanty. Pro porovnání různých materiálů z hlediska jejich tepelné vodivosti, používáme jednu fyzikální veličinu tzv. tepelnou vodivost. V následující tabulce ji máte uvedenu pro několik materiálů. Čím vyšší je číslo u tep. vodivosti, tím lépe vedou materiály teplo.

materiál tep. vodivost [W/m.K]
beton 1,5
cihla 0,7
dřevo 0,2
měď 395
mosaz 106
ocel 50
olej 0,16
oxid uhličitý 0,014
pěnový polystyrén 0,06
sklo 0,8
voda 0,6
vodík 0,174
vzduch 0,024

Nebo si můžete sama vyzkoušet tepelné vodivosti některých materiálů. Vezměte si kus měděného nebo ocelového drátu, kousek hliníku (např. lžičku) a skleněnou trubičku. Jeden konec vemte do ruky a druhý strčte do plamene svíčky. Co Vás začne hřát do prstů nejdřív?
Na webu můžete najít spoustu zajímavých článků, stačí do vyhledávače napsat příslušné heslo, které Vás zajímá. Nebo mi upřesněte, co Vás zajímá.
(M.Urbanová)   >>>  

12) Tlumič24.10.2002

Dotaz: Chtěl bych se zeptat na jakém principu pracuje tlumič na střelných zbraních. (Šerý Luboš)

Odpověď: Na hlavních střelných zbraní bývají "vylepšení" jako chladiče a tlumiče. Chladič je děrovaný válec souosý s hlavní a prostě zahraňuje tomu, abyste se spálil neopatrným sáhnutím na (souvislou střelbou rozežhavenou) hlaveň. Tlumiče ohně a hluku se nasazují na ústí a usměrňují rozpínání žhavých plynů tak, aby nebylo náhlé a nepravidelné. Náhlé rozepnutí vytváří dodatečný hluk a umožňuje sekundární zapálení a tím dodatečné hoření plynů vzniklých explozí - u ústí zbraně se objeví plamen, který zbytečně střelce prozrazuje. Nepravidelný únik spalných plynů by mohl ovlivnit směr letu střely.
(J.Obdržálek)   >>>