Материалы к уроку:БУДЕТ ЛИ ГОРЕТЬ СВЕЧА В НЕВЕСОМОСТИ?

БУДЕТ ЛИ ГОРЕТЬ СВЕЧА В НЕВЕСОМОСТИ?

Приближается Новый год, и космонавты на орбитальной станции готовятся к его встрече. Они просят очередным транспортным кораблем прислать им свечи. Но инженеры на Земле считают, что свечи отправлять незачем, так как в невесомости они гореть не будут. 
А как вы думаете, будет ли в условиях невесомости гореть обычная свеча?

Ответ 
Чтобы свеча горела, необходим постоянный приток кислорода к ее пламени. В земных условиях этот приток осуществляется благодаря конвекции. Горячие газы, образующиеся в результате сгорания стеарина, легче воздуха и поэтому поднимаются вверх, а на их место поступают новые порции воздуха. В результате обеспечивается приток кислорода к пламени и удаление угарного (CO) и углекислого (CO2) газов из зоны горения. Понятно, что в условиях невесомости конвекции не будет. Будет лишь слабый приток воздуха за счет воздушных потоков внутри космического корабля, а также приток благодаря расширению продуктов сгорания и за счет диффузии. Перечисленные процессы слабы и будет ли их достаточно для горения свечи, можно было выяснить только экспериментально.

Кстати 
Такие эксперименты проводились на космической станции «Мир» в 1996 году. Оказалось, что свеча в невесомости гореть может. В одном эксперименте свеча горела 45 минут. Однако в невесомости свеча горит иначе, чем на Земле. Поскольку конвекционные потоки отсутствуют, пламя свечи имеет не вытянутую, как в земных условиях, а сферическую форму. В отсутствии конвекции пламя охлаждается слабее, поэтому его температура выше, чем на Земле; стеарин свечи сильно разогревается и выделяет водород, который горит голубым пламенем.

Подумайте

В опытах со свечой в невесомости иногда возникал режим горения с периодическими микро-взрывами, что приводило к резким колебаниям пламени. 
Почему возникали микро-взрывы?

Ответ 
Из-за отсутствия конвекции пламя свечи охлаждалось слабее, а значит, его температура была высокой. Стеарин свечи сильно перегревался и начинал испаряться. Концентрация паров стеарина в воздухе вблизи пламени росла до тех пор, пока не образовывалась взрывчатая смесь. После этого следовал небольшой взрыв, при этом продукты сгорания уносились взрывной волной, а на их место поступал свежий воздух. Если взрыв был не слишком сильный, то свеча продолжала гореть, с ее поверхности испарялась новая порция стеарина, и следовал следующий взрыв.

 
Пламя свечи: а) в условиях гравитации; б) в условиях невесомости 
http://n-t.ru/tp/nr/pn.htm

Подумайте

Каким образом в условиях невесомости можно обеспечить более интенсивное горение свечи или обычной спички? Предложите различные способы.

Ответ 
На спичку можно подуть. Можно начать вращать спичку по кругу, обеспечив тем самым движение спички относительно воздуха. Можно спичку бросить. В одном из документальных фильмов о невесомости был показан следующий сюжет: брошеная спичка плавно двигалась внутри космического корабля и горела достаточно интенсивно благодаря поступлению к ее пламени новых порций воздуха. 
http://mgnwww.larc.nasa.gov/db/combustion/combustion.html 
http://science.msfc.nasa.gov/newhome/headlines/msad08jul97_1.htm

ВЗРЫВ В ПЕКАРНЕ

В стародавние времена булочник, чтобы справиться с назойливыми мухами, использовал одно верное средство. Взяв пригоршню муки, он бросал ее в воздух и поджигал. Облачко муки вспыхивало. Пламя, хлопок — и докучливых насекомых как не бывало. Этот способ помогал всегда, хотя иной раз от хлопка вылетали стекла из окон. Однако 14 декабря 1785 года в Турине (Италия) произошла катастрофа. Решив проверенным способом избавиться от мух, неудачливый пекарь взорвал все свое хозяйство. Под обломками пекарни погиб он сам и его подручные. В 1979 году в Бремене на одном из мукомольных комбинатов взорвалась мучная пыль. В результате 14 погибших, 17 раненых, ущерб — 100 миллионов марок. 
Неужели мучная пыль может стать причиной страшных взрывов? Ведь не динамит же развеян в воздухе, а всего лишь частицы муки? 
Волков А. Приключения пыли.

Ответ 
Мука содержит вещества органического происхождения, а значит, она может гореть. Конечно, в обычных условиях поджечь муку не просто. Но если мука распылена в воздухе, то каждая пылинка контактирует с кислородом. К тому же общая площадь поверхности пылинок во много раз больше площади поверхности цельного куска вещества такой же массы. Значит, при распылении вещества в огромное число раз возрастает площадь его поверхности. Горение же происходит на поверхности, так как именно поверхность вещества контактирует с атмосферным кислородом. При этом мельчайшие пылинки сгорают настолько быстро, что происходит взрыв. 
Шабловский В. Занимательная физика. СПб.: Тригон, 1997. С. 100.

Справка 
Взрыв — это горение, причем невероятно быстрое — ничтожные доли секунды. При этом взрывчатое вещество превращается в газ. Образовавшийся газ имеет высокую температуру и огромное давление — десятки миллиардов паскалей. Резкое расширение газа вызывает оглушительный грохот и сильные разрушения. 
Иногда взрываются, казалось бы, вполне безопасные вещества. К ним относится любая пыль органического происхождения: мучная, сахарная, угольная, хлебная, бумажная, перечная, гороховая и даже шоколадная. 
Взрываются лишь те виды пыли, которые содержат вещества, реагирующие с кислородом. Взрыв происходит лишь в том случае, когда количество пыли в воздухе достигает определенного уровня, причем вызвать его может даже микроскопическая искра.

Кстати 
Быстрое сгорание вещества в распыленном состоянии широко используется в технике. Например, в топки котельных тепловых электростанций уголь подается в виде мельчайшей пыли. А тихое урчание автомобиля — это отголосок взрывов смеси паров бензина с воздухом внутри его двигателя.

Шабловский В. Занимательная физика. СПб.: Тригон, 1997. С. 101.

Кстати 
Первое очень сильное взрывчатое вещество синтезировал Асканио Собреро в 1846 году в Турине (Италия). Это был нитроглицерин — маслянистая прозрачная жидкость сладковатого вкуса. В те времена химики все вещества пробовали на вкус. Даже от нескольких капель нитроглицерина начинало сильно стучать сердце и болеть голова. Через сорок лет нитроглицерин признали лекарственным препаратом.

Подумайте

Энергия, которая содержится во взрывчатом веществе, не так уж и велика. Например, при сгорании 1 кг тротила выделяется энергии в 8 раз меньше, чем при сгорании 1 кг угля. Но тогда почему тротил столь разрушителен?

Ответ 
При взрыве тротила энергия выделяется в десятки миллионов раз быстрее, чем при обычном горении угля. 
Шабловский В. Занимательная физика. СПб.: Тригон, 1997. С. 100.

Подумайте

Склонность нитроглицерина к взрыву воистину удивительна. Рассказывают, как-то в Англии один крестьянин выпил зимой бутылочку нитроглицерина в надежде согреться. Его обнаружили на дороге мертвым. Замерзшее тело внесли в дом и положили оттаивать около печки. В результате тело крестьянина взорвалось, и дом был разрушен. 
Вопрос: можно ли доверять этому рассказу? 
Красногоров В. Подражающие молниям. М.: Знание, 1977. С. 72.

Краткое описание документа:

Чтобы свеча горела, необходим постоянный приток кислорода к ее пламени. В земных условиях этот приток осуществляется благодаря конвекции. Горячие газы, образующиеся в результате сгорания стеарина, легче воздуха и поэтому поднимаются вверх, а на их место поступают новые порции воздуха. В результате обеспечивается приток кислорода к пламени и удаление угарного (CO) и углекислого (CO2) газов из зоны горения. Понятно, что в условиях невесомости конвекции не будет.