Kui lämmastiku pudel plahvatab

Uuri töölehe selgituste ja kalkulaatori abil lämmastikupudeli pahvatuse füüsikat. Vasta küsimustele.

What are we dealing with here

Kui vedel lämmastik suletakse plastikpudelisse, mis siis kiiresti kasvava rõhu mõjul see lõhkeb. Selge see, et niisugune katse võib olla ohtlik. Aga kui ohtlik? Arutleme.

Pudel

See on meie füüsikaline süsteem - 0,5 (0,0005 m³) pudel. Katsetest on teada, et pooleliitrised pudelid lõhkevad keskmiselt rõhul 9 atm so ca 0,9 MPa. Pudeli lõhkemine ise on üsna juhuslik protsess - mõnikord läheb see pikku puruks, mõnikord lendab ära kael.

Süsteemi lihtsustatud füüsikaline mudel on ilmselt poole liitri gaasi paisumine. Uurime seda lähemalt.

Adiabaatilises paisumises vabanev energia

Eeldame, et gaas paisub adiabaatiliselt, st kiiresti. Brode meetod annab siis energia jaoks

E = \frac{(p_{2} - p_{1}) V}{γ - 1}

Kokkusurutud gaasi rõhk $p_{2}$		$P a$
Rõhk ümbritsevas keskkonnas $p_{1}$		$P a$
Kokkusurutud gaasi ruumala $V$		$m^{3}$
Molaarsete erisoojuste suhe $γ$
Vabanev energia $E$		$J$

Mis on halvim, mis saab sellise katse käigus juhtuda?

1000 dzauli on ühe meetri kõrgusele tõstetud 100kg raskuse potentsiaalne energia. Kui see on kast, mis kukub sulle varbale, siis on valus. Kui see on inimene, kes kukub sulle varbale mõne oma pehmema kohaga, siis mitte eriti. Nii et katse läbiviimisel tuleb mõelda löögi pehmendamisele, st mõju aega tuleb pikendada.
Kui õnnestuks kogu gaasi paisumise töö muuta pudeli korgi kineetiliseks energiaks (halvim võimalik stsenaarium), liiguks see kiirusega ca 300m/s. Seda tasub karta - niisugused lendavad korgid on ära lõhkunud nii mõnegi kasti.

Sellise "kasti" abil püüab kinni korgi, aga mitte heli. Ärge nii tehke!

Kõige ohtlikum osa katsest võib olla hoopis ... pauk ise. Sest 9 atmosfäärine rõhk on ühtlasi rõhk tekkivas helilaines (heli rõhk) ja see vastab ca 200dB mürale. Allikad väidavad, et 150dB tähendab kõrva trummikile purunemist. Loomulikult, reaalselt see nii suur ei ole, sest paisuv gaas ei pääse takistuseta pudelist välja. Aga me tegeleme siin halvimate võimalike stsenaariumidega. Tark ka teab, et heli rõhk hakkab vähenema pöördvõrdeliselt kauguse ruuduga. Aga 10 m kaugusel väheneks see number vaid 170dB-ni. Nii et katsele kast peale või pudel vette!

Füüsika tunnis?

Füüsikaõpetaja saab kulutada terve tunni sellise katse lahti seletamiseks, kaasnevaid nähtusi illustreerivate eksperimentide tegemiseks ja lõppvaatuse ettevalmistamiseks. Näiteks, lisaks eelöeldule:

Peaks peaks rääkima soojusvahetusest (kuidas reguleerida rõhu kasvamise kiirust).
Õpetlik on küsida, kas rohkem energiat vabaneb pudelis, mis on poolenisti täidetud vedela lämmastikuga või sellises, kus lämmastikku on vaid veidike.
Kuidas neelata kiiresti liikuva korgi (või mistahes muu objekti) kineetilist energiat nii, et midagi katki läheks.

Loomulikult tuleb jälgida ohutust. Aga see katse allub analüüsile. Ja energiad, millega siin mängitakse, ei ole tegelikult liiga suured. Füüsika!

Lõpuks, kas ei ole parim ohutuskoolitus see, kus päriselt seletatakse, mis võib juhtuda? Võiks igal-juhul olla parem, kui "Ära tee!".

Lõpetuseks informatiivne video sellest, kuidas ise seda katset läbi viime.