Sunday, 22 January 2012

Synttärimuna pulloon



Kävin katsomassa tiedekeskus Heurekassa tiedeteatteriesityksen HYVÄ TULI! uusimman version kenraaliharjoituksen. Se on vauhdikas tulishow, jossa draaman keinoin kerrotaan palamiseen fysiikasta ja kemiasta. Suosittelen vilpittömästi tätä hienosti valo- ja äänimaisemaa yhdistävää esitystä, jos se  sattuu eteen tulemaan. Vaikka ihan yllättäen ja tilaamatta.

Seuraavana päivänä tuli sähköpostissa kiertokirje, jossa minäkin olin päässyt jostain syystä credit-listalle yhtenä alla olevan "seuraavista". En ihan kärkeen, mutta joukon jatkeeksi kuitenkin. (Listaa ei häveliäisyyssyistä johtuen ole tässä). Alla oleva sähköpostivaihto käytiin.

Kiitos kaikille innokkaasta kannustuksesta eilen. Ihan pienellä Heu-panoksella ei tällaista esitystä synnytetä. 1000 asteen kiitokset seuraaville, suunnilleen tuleen astumisjärjestyksessä.
Esitykset jatkuvat! Hyvä tuli! on tarjonnassa harkintamme mukaan sesonkiaikoina, lomakausina, perhepäivinä jne. eli aina kun haluamme tarjota isolle yleisölle napakan elämyksen. Allekirjoittaneiden lisäksi koulutamme vielä kaksi esittäjää - näin voimme sytyttää tulet joinakin viikonloppuinakin.

T. Heko, Nina, Otso, Juuso


Esityshän on kaikin puolin hieno ja vaikuttava. Tieteellistä draamaa tai dramaattista tiedettä parhaimmillaan - miten päin vain halutaan.
Poikkitieteilijä ei olisi poikkitieteilijä, jos hän ei malttaisi olla huomauttamatta pienestä yksityiskohdasta.
Muna pulloon tempun yhteydessä kerrotaan alipaineen vetävän kananmunan pulloon. Fysiikan käsitteiden suhteen tässä on mennyt vähän puurot ja vellit eli työnnöt ja vedot sekaisin. Kun muna sujahtaa pulloon, jokin tekee työtä. Alipaine, ääritilana tyhjiö, ei voi tehdä työtä eli vetää jotain puoleensa. Työtä tekee ylipaine. Siis pullon ulkopuolella oleva ylipaine työntää munan pulloon tai huoneilman ja pullon sisuksen välinen paine-ero työntää munan pulloon. Tilanne olisi ihan sama, jos kaappia lattialla työnnettäessä sanottaisiin, että kaappi liikkuu, koska kitkavoima puute vetää sitä.
Mutta kuten tuli jo todettua, tätä esitystä ei tarvitse hävetä isoimmillakaan foorumeilla. Siinä ei hiki haise, mikä on paras indikaattori tehdyn työn määrästä.


Timo Poikkitieteilijä.

Olet oikeassa (taas). Puhuessamme käytämme useimmiten ilmaisua "ulkopuolisen ilman suurempi paine työntää/painaa/survoo munan sisään". Tuohan korjataan pikimmiten kahdella tavalla:
1) tekstimuutos, kolmella kielellä
2) koko koe pois! (uusi huimempi koe onkin jo työn alla)
Kiitos tarkkuudesta,
Heko

Jäämme jännityksellä odottamaan kehityksen kehittymistä.
TS


Tiede on objektiivista, julkista ja itseään korjaavaa. Samaan ilmoittaa pyrkivänsä myös omien arvojensa perusteella tiedekeskus Heureka. Yllä oleva kirjeenvaihto vahvistaa omalta osaltaan tämän pyrkimyksen toteutumista.

Muna pulloon on variaatio jokaiselle fysiikanopettajalle tutustua demosta, jossa alaspäin käännettyyn vesilasiin nousee vettä, kun lasissa oleva kynttilä sammuu hapen puutteeseen. Ilmiön selitykset vain ontuvat aina silloin tällöin.



Ensimmäinen väärinkäsitys liittyy edellä mainittuun alipaineen kuviteltuun kykyyn vetää tai imeä materiaa puoleensa. Tämä väärinkäsitys ei ole sinänsä mitenkään ihmeteltävä. Onhan esimerkiksi pillillä mehua imettäessä konkreettinen tunne juuri se, että imu vetää mehua pillin avulla lasista. Mehun nousun todellinen aiheuttaja, eli ilmanpaine kun tekee työtään taustalla täysin huomaamattomasti.  Aistihavainnot ja niistä saamat mielikuvat kun eivät aina ole sopusoinnussa todellisten fysikaalisten lakien kanssa. Ei keskipakovoimakaan olisi pysynyt niin pitkään hengissä, jos ei vastaisi paremmin kokemusta kuin ympyräliikkeessä todellisuudessa vaikuttava keskeisvoima.

Toinen yleinen väärinkäsitys liittyy alipaineen  syntymekanismiin. Alipaineen selitään syntyvän siitä, että ilman happi häviää palamisessa, jolloin lasiin jää vain typpeä. Tätä virheellistä käsitystä ruokkii vielä se, että veden pinta nousee suunnilleen sen verran kuin ilmassa on happea. Eli noin 20% ilmatilan kokonaismäärästä.

Happihan ei palamisen aikana katoa minnekään, se on edelleen mukana palamistuotteena. Steariinin palaessa tapahtuu lähinnä seuraavat kemialliset reaktiot.
4H+O2 -> 2H20
C+O2->CO2

Siis kun kaksi moolia happikaasua kuluu palamiseen, niin palamiskaasuja tulee kolme moolia. Sama suhde pätee kaasujen tilavuuksiin. Kaasujen määrä siis näyttäisi pikemminkin lisääntyvän palamisen johdosta eikä suinkaan vähenevän.

Tilanne ei kuitenkaan ole näin yksinkertainen. Steariinin kemiallinen kaava on C3H5(C18H35O2)3. Yhdisteessä vedyn ja hiilen suhde on pyörein luvuin 2:1. Palamistuotteita tulee täydellisessä silloin samassa suhteessa reaktioyhtälön kertoimet huomioon ottaen. Eli vettä ja hiilidioksidia molempia yhtä paljon.

Vaikka palamisen tuotteena syntynyt vesi onkin aluksi kaasua, niin käytännössä se tiivistyy nopeasti nestemäiseksi vedeksi, joka ei tietenkään osallistu kaasun paineen muodostumiseen. Osa hiilestäkin palaa epätäydellisesti, joten syntyvien palamiskaasujen todellista määrää on ilman tarkempia tutkimuksia aika mahdotonta päätellä.

Onneksi sitä ei tarvitsekaan tietää. Alipaine kun syntyy siten, että palamisen lämmittämä ilma laajenee ja osa siitä virtaa ulos lasista tai pullosta. Kun vesi alassuin käännetyssä lasissa tai muna pullon suulla estää ilmaa virtaamasta takaisin astiassa olevan kaasun jäähdyttyä ja paineen pienennettyä, niin ulkoinen suurempi ilmanpaine työntää vettä lasiin tai vastaavasti munan pulloon.

Vaikka tällä kokeella ei siis voidakaan osoittaa hapen osuutta ilmassa, niin jotain kvantitatiivista sen avulla voidaan kuitenkin arvioida. Vakiopaineessa saman kaasumäärän tilavuudet ovat kääntäen verrannolliset kaasujen absoluuttisiin lämpötiloihin. Kaasun tilavuus siis pienenee noin 20%, kun vesi nousee lasiin. Jos koe tehdään noin huoneen lämpötilassa, eli 293 kelvinissä, niin kynttilän lasissa lämmittämän ilman lämpötilan karkeaksi arvioksi saadaan
T= 293 K/0,8 = 366 K = 93oC.

Mitä tällä tiedolla tekee? Ainakin sen, että tässä tempussa ei näpit ole kovin suuressa vaarassa palaa, vaan se kuluu sarjaan "Tätä voit kokeilla kotonakin!"

Entäpä missäs se synttärimuna sitten on? No tällä Steve Spanglerin Science-videolla.  Katso keskimmäinen videoista.

2 comments:

  1. Eikös vety ole kaksiatominen molekyyli? Kaavan siis pitäisi olla
    2H2+O2->2H2O

    ReplyDelete
  2. Kyllä se kemiallisessa yhdisteessä palaessaan reagoi hapen kanssa atomi kerrallaan. H2-muoto vain korostaa, että vety on reaktion alkutilanteessa kaksiatomisena molekyylinä. Muuten reaktioyhtälö voitaisiin hyvin kirjoittaa muotoon 2H+O->H20.

    ReplyDelete