Sytytä ilmaa puristamalla! Koe adiabattisen puristuksen voima Fire Piston -kokeessa

Tiedevalmentaja Ken Kuwako tässä. Jokainen päivä on kokeilu.

Jos väittäisin, että tulen voi sytyttää ilman tulitikkuja tai sytytintä – pelkällä ilman voimalla – uskoisitko minua? Se saattaa kuulostaa taikatempulta, mutta kyseessä on ehtaa tiedettä. Tällä kertaa esittelen ilman ominaisuuksia hyödyntävän hämmästyttävän laitteen: ”puristussytyttimen” (tulimännän).

Näkeminen on uskomista. Katso ensin tämä video, jossa teen kokeen käytännössä.

Mitä pidit? Kuului ”vuh!”, ja liekki leimahti hetkessä, eikö vain? Mikä salaisuus tämän ilmiön takana piilee? Selvitetään arvoitus käymällä koe läpi vaihe vaiheelta.

Hetken huuma! Kokeen kulku

Laitteen toimintaperiaate on hyvin yksinkertainen. Siinä on vain läpinäkyvä putki ja mäntä, joka työnnetään sen sisään. Ensin suljetun lasiputken pohjalle laitetaan pala helposti syttyvää paperinenäliinaa.

Tästä eteenpäin on syytä olla varovainen. Asetamme ympärille läpinäkyvän suojakotelon, jotta lasinsirpaleet eivät lennä ympäriinsä, jos putki sattuisi rikkoutumaan äkillisen paineen vuoksi.

Asetetaan kansi (mäntä) tiukasti paikoilleen yläpuolelta, ja valmistelut on tehty.

Nyt alkaa varsinainen toiminta. Temppu on siinä, että mäntä painetaan alas ”epäröimättä, yhdellä kertaa ja voimalla”. Jos epäröit ja painat hitaasti, tuli ei syty. Kerää rohkeutta… ja hupsista!

Ja katso!

Se syttyi!!

Putken sisällä välähti punainen valo, ja se täyttyi savusta. Vaikka olen fysiikan opettaja ja tiedän lopputuloksen, tämä hetki säikäyttää minut joka kerta. Tulen syntymisessä aivan silmien edessä on jotain todella sykähdyttävää. Tämän laitteen voi itse asiassa rakentaa myös kotoa löytyvistä tarvikkeista. Tässä on video itsetehdystä puristussytyttimestä.

Miksi se syttyi? Tieteellinen selitys

Miksi nenäliina syttyi, vaikka emme käyttäneet tulta? Avainsana on ”ilman puristaminen”. Tässä kokeessa kaasua puristettiin kasaan niin nopeasti, ettei lämpö ehtinyt siirtyä sisään tai ulos. Fysiikassa tätä kutsutaan ”adiabaattiseksi puristukseksi”.

Kuvittele tilanne: jos täyteen ahdettuun junavaunuun työnnetään väkisin lisää ihmisiä, tunnelma tiivistyy ja tulee kuuma, eikö vain? Sama pätee ilmaan: kun se pakotetaan väkisin pieneen tilaan, ilman molekyylit törmäilevät toisiinsa rajusti, ja tuo energia muuttuu ”lämmöksi”. Tällöin putken sisälämpötila nousee niin korkeaksi, että se ylittää nenäliinan syttymispisteen.

Lukiokoulun fysiikkaa (Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö)

Tätä ilmiötä on helpompi ymmärtää lukiossa opetettavan ”termodynamiikan ensimmäisen pääsäännön” avulla.

Q　＝　ΔU　+　W

Lämpömäärä　＝　Sisäenergian muutos　＋　Kaasun tekemä työ

Tässä tapauksessa puristus tapahtuu silmänräpäyksessä, joten lämpöä ei virtaa sisään eikä ulos (adiabaattinen prosessi). Eli Q＝０. Muokataanpa kaavaa hieman.

０　＝　ΔU　＋　W

ーW　＝　ΔU

Tässä ”ーW” tarkoittaa sitä, että ”kaasuun tehtiin työtä (ihminen painoi männän alas)”. Toisin sanoen: ”Ihmisen käyttämä työenergia (männän painaminen) muuttui suoraan kaasun sisäenergiaksi (lämpötilan nousuksi).”

Yhteydenotot ja pyynnöt

Tieteen ihmeitä ja hauskuutta lähemmäs arkea! Olen koonnut yhteen hauskoja, kotona tehtäviä kokeita ja vinkkejä niiden onnistumiseen. Käy kurkkaamassa! ・Tiedeblogin sisältö on julkaistu kirjana. Lisätietoja täältä ・Tietoja ylläpitäjästä (Ken Kuwako) täällä ・Erilaiset toimeksiannot (kirjoittaminen, luennot, tiedekerhot, TV-ohjelmien valvonta ja esiintymiset jne.) täällä ・Artikkelipäivitykset X:ssä (Twitter)!

Kagaku no Neta -kanavalla julkaistaan kokeellisia videoita!