Горизонты техники для детей, 1964 №7

Физика вокруг нас

Как вы думаете, ребята, может ли физик изучать такой процесс, как горение? Подчиняется ли этот процесс каким-либо физическим законам? Давайте рассмотрим его вместе с вами.

Как известно, горение — это химический процесс соединения кислорода с горящим материалом. Он может успешно происходить в воздухе, содержащем всего 20 % кислорода.

Сгорающий материал выделяет тепло, то есть тепловую энергию. Все горючие, материалы можно разделить на твердые, жидкие и газообразные. Все эти вещества характеризуются теплотой сгорания, то есть количеством тепла, выделяющегося при сгорании одного килограмма горючего вещества (исчисляется в килокалориях — сокращенно «ккал»).

Теплота сгорания различна для различных веществ: самая большая у водорода, при сгорании 1 кг которого выделяется 34.200 ккал. При сгорании, например, 1 кг бензина выделяется около 10000 ккал тепла, а при сгорании 1 кг каменного угля — от 7400 до 8800 ккал в зависимости от сорта.

Остановимся давайте подробнее на угле — основном виде топлива. Заметили ли вы, что в хорошо растопленной печи что-то гудит? Это гудит воздух, который сильной струей проникает из комнаты в печь. Часть кислорода, содержащегося в воздухе, вступает в реакцию горения. Остальные выделяющиеся при этом газы выходят через трубу в атмосферу, так как они «легче» атмосферного воздуха. В печи возникает тяга, называемая в физике естественной.

В промышленных печах, например, где требуется большее количество воздуха (то есть кислорода), чем это может обеспечить естественная тяга, применяют искусственную, или принудительную тягу путем нагнетания специальными устройствами воздуха в печь.

Говоря о том, что нагретый воздух легче атмосферного, мы слово «легче» взяли в кавычки. И не случайно. Хороший физик всегда объяснит, что удельный вес нагретого воздуха меньше удельного веса атмосферного воздуха.

Чем меньше удельный вес газа, тем меньше его давление. Значит и в дымоходной трубе давление будет меньше атмосферного.

Рассмотрим этот случай подробнее. Представьте себе печь с дымоходной трубой. Атмосферное давление на уровне входа в печь больше, чем у выхода из дымоходной трубы, так как оно сжато большим столбом воздуха.

В самой же дымоходной трубе условия особые. Находящийся в ней воздух и другие газообразные продукты сгорания нагреты, то есть, как вы знаете, легче, чем атмосферный воздух. Поскольку воздух в тру(легче, то и его давление меньше окружающего. В результате в трубе и в печи постоянно поддерживается пониженное давление по сравнению с атмосферным, или иными словами, воздух в печи и трубе разрежен. Находясь под большим давлением, он нагнетается в печь, а затем, нагреваясь, уходит в атмосферу. Так и возникает естественная тяга.

Но всегда ли полезна естественная тяга? От чего зависит её сила?

Очень часто, особенно в жаркое лето, хозяйки жалуются, что печь «не тянет». В чем дело? Дело в том, что естественная тяга тем больше, чем холоднее воздух снаружи и горячее в трубе. Чем больше разница давлений, тем лучше тяга. Что делать, чтобы и летом можно было пользоваться печью? На помощь нам приходит физика. «Надо построить высокую трубу, — говорит она, — тогда печь будет как бы подключена к высоким слоям атмосферы, где давление ниже, чем на уровне печи. Разница этих давлений и обеспечит хорошую тягу даже в жаркое лето».

Думаю, что вам теперь понятно, почему заводские трубы строят такими высокими. Правда, дымоходная высокая труба — дорогое сооружение и не всегда можно возводить такие в жилых домах.

Что делают обычно домашние хозяйки, чтобы разжечь печь? Они сжигают сначала в печи ненужную бумагу и щепки. Разогретый воздух создает начальную тягу в трубе, и печь не дымит. В печах для улучшения выхода теплого воздуха специально установлена задвижка у входа в трубу.

Если тяга слишком большая, тоже не нравится хозяйкам, так как много тепла уходит в воздух. Обычно для предотвращения выхода тепла немного прикрывают поддувало или задергивают задвижку в дымоходной трубе.

Первый способ (прикрыть дверцу поддувала) уменьшает приток воздуха в печь, а второй — уменьшает разницу давлений.

Обратите еще внимание на то, что печь является одновременно вентиляционной установкой в квартире. Воздух, попадающий в печь из комнаты, восполняется притоком снаружи через щели в дверях, окнах и т. п. Хорошо растопленная печь дает теплоту и свежий теплый воздух.

В современных домах нет угольных печей, а есть центральное отопление. Оно удобнее, но вреднее для здоровья, так как воздух в комнатах перегревается, высушивается и для поддержания требуемого климата в комнате надо слишком часто проветривать помещение.

Оба способа отопления — печное и центральное построены на одном и том же физическом явлении, заключающемся в том, что нагретый газ становится легче холодного. Горячая вода поднимается по трубам вверх, попадает в радиаторы в квартирах, отдает свое тепло и, охлажденная, стекает вниз, в котельную. Котельные всегда строят в подвалах домов.

Нагревая воду, как и газ, мы уменьшаем её удельный вес. Запомните, ребята, что при нагревании воды от 0° до +4 °C её удельный вес увеличивается, то есть вода становится тяжелее. При дальнейшем нагревании удельный вес воды уменьшается.

Благодаря указанному свойству воды, реки и озера замерзают только на небольшой глубине, а лед, находящийся на поверхности воды, не тонет и не давит на живых обитателей искусственных и естественных водоемов. Под коркой льда находится самая тяжелая вода, температура которой равна +4 °C.

Этим гениальным способом природа сама защищает жизнь подводного животного мира.