2017年8月2日 星期三

馬德堡半球裡面的事...

接續上一篇空氣成分的檢驗
我們曾經也利用燃燒做出另一種馬德堡半球的實驗
但情況卻是完全不同的




首先我們利用燃燒讓密閉容器內部產生低壓,但在實際進行教學時,卻發現學生反而產生困惑。
先前作空氣成分檢驗實驗時,我們同樣利用燃燒讓廣口瓶內部產生低壓,因此許多學生也類推了相同的原理在這個教具身上。
但這時我們並沒有讓容器內部吸入水,換句話說,內部因燃燒所產生的二氧化碳並沒有被吸收,如此內部並無法產生如預期的低壓,那又是怎麼一回事?
這時老師就有必要引導學生進一步思考,我們利用燃燒使馬德堡半球內部產生低壓的原因,和空氣成分檢驗的實驗所利用的原理是不一樣的
我們此時單純只是利用高溫使氣體體積膨脹,當回到室溫時自然就形成低壓,這時所利用到的原理就不單純只是壓力的變化,而必須牽涉到化學的理想氣體方程式來說明。
假設產生的火燄溫度約600℃~800℃,容器內空氣的溫度達200 ℃,此時未完全蓋住上鍋蓋,因此壓力維持1大氣壓,蓋上上鍋蓋降回室溫25℃後,內部壓力就為因為氣體分子數的減少而變小。
代入理想氣體方程式:PV=nRT
當P與V維持固定的前提,莫耳數(n)與溫度(T)會成反比,
所以 n(前)/n(後) = (273+25)/(273+200)=0.63
也就是說約有40%空氣量因高溫而溢出容器,內外的壓力差也就有約0.4 atm,我們自製的馬德堡半球直徑約23公分,代入壓力公式F=PA=1033.6*0.4*(23/2)2 *π=171687gw=171.687 kgw,因此產生的力就有170kgw左右,在實際操作時,兩邊各2~3個學生也幾乎拉不開,實驗的高潮就在此沸騰到頂點。
實驗的另一個神奇之處當然就是老師如何利用科學將馬德堡半球輕易打開,其實我們事先已經在不鏽鋼鍋的邊緣鑽一小孔,雖然說壓力差約有400gw/cm2,但小孔的截面積卻只有0.03cm2左右(小孔半徑約0.1cm),因此擠壓在膠帶上的力只有12gw,當然我們就可以輕易將膠帶撕開了,一旦撕開膠帶,不鏽鋼鍋內外的壓力恢復平衡,鍋子也就自動分離了。


沒有留言:

張貼留言

為尊重網路禮儀,如有高見,請您留下大名,否則一律刪除