Zaujal vás nějaký fyzikální jev? Nevíte si rady s jeho vysvětlením? Neváhejte a napište nám svůj dotaz!
nalezeno 16 dotazů obsahujících »plamen«
7) Záření žhavých těles
20. 10. 2005
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.
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.
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 .
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.
