Świeczka pod szklanką – eksperymenty na Olimpiadzie Fizycznej

Źródło: www.youtube.com/watch?v=RPN0B5hiRYQ

Eksperymenty na Olimpiadzie Fizycznej – wprowadzenie

Za chwile zapoznasz się z opisem eksperymentu, którego dokładne prześledzenie będzie cenną nauką podczas przygotowań do Olimpiady Fizycznej. Niniejszy artykuł jest tylko drobną próbką kompletu pomocy naukowych, które oferujemy w pełnym kursie przygotowującym do OF. Sprawdź szczegóły na dedykowanej podstronie!

Chyba  każdy z nas zna to doświadczenie: do głębokiego talerza nalewamy wody, umieszczamy na środku świeczkę, zapalamy ją. Następnie przykrywamy świeczkę szklanką. Po chwili świeczka gaśnie, a następnie podnosi się poziom wody w szklance.

Nie każdy jednak wie, dlaczego tak się dzieje?

Wytłumaczenie pierwszego etapu doświadczenia jest jasne i oczywiste. Świeczka gaśnie z powodu niewystarczającego do podtrzymania palenia stężenia tlenu, który został zużyty podczas procesu spalania. Warto się jednak zastanowić jaki jest powód podniesienia się poziomu wody w szklance. Tutaj najczęściej pojawia się wytłumaczenie, że skoro tlen został zużyty, to obniżyło się ciśnienie powietrza pod szklanką, przez co wyższe ciśnienie atmosferyczne wepchnęło wodę do szklanki. Pozostaje pytanie co się stało z tym tlenem? Nie mógł przecież zniknąć. Niektórzy nawet posuwają się do stwierdzenia, że przy pomocy tego doświadczenia możemy wyznaczyć procentową zawartość tlenu w powietrzu. Zdają się oni dostrzegać, że zmiana objętości powietrza pod szklanką wynosi 21% (taka jest procentowa zawartość tlenu
w powietrzu). Jest to klasyczny przypadek naciągania wyników eksperymentu w celu potwierdzenia swojej tezy – niezwykle groźnego zjawiska, którego każdy naukowiec powinien się wystrzegać.

Postarajmy się znaleźć rozwiązanie naszej zagadki

Przyjrzyjmy się równaniu spalania wosku:

Jak widzimy produktami spalania są para wodna i dwutlenek węgla. Zakładając, że pozostają one w stanie gazowym, jak można łatwo policzyć, liczba moli gazu pod szklanką zwiększyła się. Zatem poziom wody w szklance powinien się obniżyć! Jest to jednak zupełnie sprzeczne z naszymi obserwacjami. To znaczy, że przyjęty przez nas model nie jest właściwy, więc musimy wymyślić coś innego.

Wykonajmy pewną modyfikację naszego doświadczenia. Przykryjmy zgaszoną świeczkę szklanką, a następnie zapalmy ją skupiając na jej knocie promienie słoneczne. Możemy wtedy zaobserwować spadek objętości powietrza (czyli wzrost poziomu wody), ale tylko o około 3%. Wynika to głównie z tego, że para wodna nie zostaje w stanie gazowym, jak założyliśmy, ale ulega skropleniu.

Pozostaje wciąż jednak pytanie:

Skąd zmiana objętości powietrza o około 20% w pierwszym wariancie doświadczenia?

Płomień świeczki ogrzewa powietrze dookoła. Zgodnie z równaniem stanu gazu doskonałego pV=nRT ogrzewane powietrze zwiększa swoją objętość, przez co zmniejsza się jego gęstość. Następnie to ogrzane powietrze zostaje przykryte szklanką. Po zgaśnięciu świeczki gaz ulega ochłodzeniu, przez co ciśnienie powietrza w szklance maleje. Różnica między ciśnieniem atmosferycznym, a tym panującym w naczyniu jest równoważona przez ciśnienie hydrostatyczne słupa wody w szklance p_h=ρgh. I to jest właśnie poprawne uzasadnienie obserwowanego zjawiska.

To już koniec artykułu. Mamy nadzieję, że utwierdził on Was wyłącznie w przekonaniu, jak ciekawa może być nauka do Olimpiady Fizycznej! Zachęcamy do skorzystania z olimpijskich przygotowań Indeksu w Kieszeni, dzięki czemu awans do finału będzie w zasięgu ręki! Szczegóły tutaj.

Na podstawie: James P. Birk, Anton E. Lawson „The Persistence of the Candle-and-Cylinder Misconception” Journal of Chemical Education • Vol. 76 No. 7 July 1999