1 Propozycja doświadczenia na Konkurs ZZZ Imię i nazwisko ucznia 1 Aneta Twardowska Imię i nazwisko ucznia 2 Monika Łaciak Numer grupy / numer zespołu Nazwa i adres szkoły Imię i nazwisko nauczyciela 312/G/NYS/OPO_ZES_NR_7 Gimnazjum nr 3 im. Żołnierzy Armii Krajowej w Nysie ul. T. Kościuszki 10 48-300 Nysa Beata Krzan Tytuł pokazu Zjawisko konwekcji skutki cyrkulacji w kominie. Dział fizyki Potrzebne materiały do doświadczeń Koszt materiałów do doświadczeń Termodynamika 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 ok. 3 zł (koszt świeczki) pozostałe: materiały znalezione w domu Wykorzystane eksperymenty nie więcej niż trzy połączone tematycznie 1. Wiatraczek 2. Świeczka w kominie Nazwa / tytuł 1. Cele przeprowadzenia doświadczeń:
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 by 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 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 3. 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 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.