Đề bài
a] Hãy dự đoán hiện tượng xảy ra và giải thích hiện tượng đó khi cho một cây nến đang cháy vào một lọ thủy tinh rồi đậy nút kín.
b] Vì sao khi tắt đèn cồn người ta đậy nắp đèn lại ?
Video hướng dẫn giải
Lời giải chi tiết
a] Khi cho cây nến đang cháy vào một lọ thủy tinh và đậy kín nút, ngọn lửa cây nến sẽ yếu dần đi rồi tắt. Nguyên nhân là vì khi nến cháy, lượng oxi trong bình giảm dần rồi hết, khi đó nến sẽ tắt đi.
b] Khi tắt đèn cồn người ta đậy nắp đèn lại là vì để không cung cấp tiếp khí oxi cho đèn. Khi oxi hết [giống như trường hợp trên], đèn sẽ tự tắt.
Loigiaihay.com
Câu hỏi tiêu đề khá minh họa. Tôi cho rằng câu hỏi thực sự sẽ là:
Là nhiệt tích lũy?
Quay lại ví dụ:
Nếu tôi có một ngọn nến đang thắp sáng ngay bên dưới một thanh sắt, giả sử ngọn nến vẫn sáng vô thời hạn và suất nhiệt mất đi thấp hơn tốc độ tỏa nhiệt. Liệu cuối cùng thanh có đạt đến nhiệt độ cần thiết để nó tan chảy không?
Nếu câu trả lời là no:
Khi thanh sắt đạt đến nhiệt độ tối đa mà ngọn nến có thể đạt được. Tất cả năng lượng [nhiệt] sau đó sẽ đi đâu?
EDIT:
Có thể bỏ qua câu hỏi "nhiệt có tích lũy không?" vì nó không đúng chỗ và gây hiểu lầm. Thông qua câu trả lời cho nó là "có", không có nghĩa là câu trả lời cho câu hỏi chung cũng là "có".
Vấn đề là không nếu thực sự có thể nấu chảy sắt bằng một ngọn nến. Bàn ủi và nến chỉ là một phần của hình minh họa, các thuộc tính của chúng không liên quan.
Cách viết tốt hơn cho câu hỏi chính sẽ là:
ó thể một vật gia nhiệt chứa trong một hệ thống hoàn toàn khép kín có thể đẩy nhiệt độ của hệ thống lên trên nhiệt độ của chính nó không?
Tôi sẽ thử giải thích đơn giản.Giả sử rằng ban đầu không có chuyển pha.Khi bạn làm nóng một cơ thể, nhiệt độ của nó tăng lên và nó tỏa năng lượng ra không gian xung quanh theo $$ P = A \ varepsilon \ sigma T ^ 4 $$ [$ \ sigma $ là hằng số Stefan Boltzman, $ A $ làdiện tích bề mặt, $ T $ là nhiệt độ, $ \ varepsilon $ là độ phát sáng].
Rõ ràng, $ P $ tăng khi $ T $ tăng.Vì vậy, nếu trước khi thanh đạt đến điểm nóng chảy, $ P $ bằng với công suất đầu vào [từ ngọn lửa], thì sẽ không có dòng năng lượng ròng qua giao diện thanh xung quanh [nếu có, $ P $ sẽlớn hơn công suất đầu vào, và năng lượng sẽ mất đi nhiều hơn năng lượng thu được, đưa nó trở lại điểm cân bằng ổn định].Tại thời điểm này, lưu ý rằng nhiệt độ là không đổi, bởi vì bất kỳ năng lượng nào do ngọn nến cung cấp đều được cơ thể phát ra tương đương [loại cân bằng động].Tất nhiên, điều này chỉ có thể thực hiện được nếu thanh không bị tan chảy trước khi đạt đến nhiệt độ này.
Nhiệt có tích lũy không?
Đây là một câu hỏi hơi mơ hồ, nhưng có, nó là "tích lũy". Nếu bạn đặt một ít nhiệt vào một thứ gì đó, nó sẽ vẫn nóng, trừ khi nhiệt đó được lấy ra ngoài. Đặt 10 đơn vị nhiệt một lúc cũng giống như đặt 1 đơn vị 10 lần, một lần nữa giả sử rằng bạn có thể giữ nhiệt cách điện trong vật.
Sự tương tự ở đây là một cái xô có lỗ. Nhiệt giống như nước bạn cho vào, nhiệt độ là mức của nước. Không quan trọng nếu bạn cho nước vào cùng một lúc hay từng ít một, nhưng ngay khi bạn cho một ít nước vào, nó sẽ bắt đầu rò rỉ ra ngoài. Vì vậy, nếu không nhanh tay, bạn có thể không bao giờ lấy đủ nước, và càng nhiều nước trong xô thì càng nhanh bị rò rỉ.
Tôi có thể nấu chảy sắt bằng nến không?
Có lẽ là không. Tôi nghĩ vấn đề lớn nhất là nhiệt truyền từ vật nóng sang vật lạnh. Nếu bàn là đạt đến nhiệt độ tương đương với khí bốc ra từ ngọn lửa, nó sẽ không nhận thêm nhiệt nữa. Nếu nhiệt độ mục tiêu của bạn [điểm nóng chảy] thực sự thấp hơn mức này, bạn sẽ gặp khó khăn.
Khi nó xảy ra, điểm nóng chảy của sắt là khoảng 1600C. Ngọn lửa của một ngọn nến sáp bùng lên ở 1500C, nhưng đó là một vùng nhỏ ở trung tâm - nhiệt độ trung bình là 1000C.
Bạn có thể giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng một ngọn nến kỳ lạ làm bằng vật liệu khác thường. Ví dụ, thermite cháy đủ nóng để nấu chảy thép, ngọn đuốc axetylen có thể đưa bạn đến 3500C. Nhưng khi bạn nói nến, tôi cho rằng bạn muốn nói đến nến sáp chứ không phải "nến" nhiệt.
Ngay cả với ngọn nến đang cháy, bạn vẫn gặp vấn đề về thông lượng nhiệt nhỏ. Bạn nói:
tốc độ mất nhiệt thấp hơn tốc độ thu nhiệt
Chắc chắn rồi, nhưng nói thì dễ hơn làm. Nếu bạn có một bàn ủi ma thuật không bao giờ mất nhiệt, không sao, nhưng trong thực tế, bàn ủi nóng sẽ làm nóng không khí trong phòng [nến sẽ không cháy trong chân không], không khí nóng sẽ bay đi, và bạn sẽ cuối cùng sẽ làm nóng cả căn phòng vì tất cả đều tiếp xúc với nhiệt. Điều đó đòi hỏi rất nhiều từ một ngọn nến, nhưng nếu bạn bằng cách nào đó có một ngọn nến với lượng nhiên liệu vô hạn và cháy vô thời hạn, thì cuối cùng bạn có thể đốt nóng cả căn phòng trên điểm nóng chảy của sắt [nó phải ở trên vì quá trình nóng chảy đòi hỏi đầu vào nhiệt], và vâng, nó sẽ tan chảy - nhưng bây giờ chúng ta đang nói về một ngọn nến rất phi thường. Chưa kể khối lượng của một ngọn nến như vậy có thể hoạt động như một bộ tản nhiệt hoặc nó có thể bốc cháy trong cơn bão lửa của căn phòng của bạn, vì vậy có rất nhiều vấn đề thực tế.
Vậy kết luận, loại nến nào để nung chảy sắt? Bạn cần:
- Ngọn lửa nóng hơn 1500C.
- Một môi trường cách nhiệt có thể đạt đến nhiệt độ này và ở đó.
- Một ngọn nến đủ lớn để đảm bảo rằng tốc độ mất nhiệt luôn nhỏ hơn tốc độ thu được [hãy nhớ rằng nhiệt mất đi càng nhanh khi chênh lệch nhiệt độ càng lớn].
Đây là loại thiết bị được gọi là lò rèn.
Nếu tôi có một ngọn nến thắp sáng ngay bên dưới một thanh sắt, giả sử ngọn nến sẽ sáng vô thời hạn và tỷ lệ mất nhiệt thấp hơn tỷ lệ thu nhiệt. Liệu cuối cùng thanh có đạt đến mức cần thiết nhiệt độ để nó nóng chảy?
Trong những điều kiện đó, đúng vậy, ngọn nến sẽ làm tan chảy bàn là.
Cuối cùng, bạn đang cân bằng nhiệt lượng tăng với nhiệt lượng mất đi. Nếu bạn giả sử rằng nhiệt lượng thu được luôn cao hơn nhiệt lượng thất thoát, thì nhiệt độ của ngọn nến không còn mang ý nghĩa gì nữa - nó thực sự ở nhiệt độ vô hạn, bởi vì đó là tất cả ý nghĩa của nhiệt độ ngay từ đầu!
Trong thực tế, điều này là không thể, tất nhiên. Cần năng lượng để tạo ra nhiệt đi ngược lại với gradient nhiệt [nghĩa là đi ra khỏi trạng thái cân bằng]. Ngay cả trong một thiết lập lý tưởng, khi bàn là nóng hơn ngọn lửa nến, nó sẽ giải phóng nhiều năng lượng hơn vào - đây là một sự thật đơn giản về nhiệt động lực học.
Tuy nhiên, giả sử chúng tôi thực hiện thử nghiệm trong một môi trường kỳ diệu như vậy:
- Tất cả các chất thải của quá trình đốt cháy ngay lập tức được biến trở lại thành ôxy một cách kỳ diệu [trong môi trường thực, bạn cần phải loại bỏ các chất thải và thay thế chúng bằng không khí trong lành - điều này tất nhiên sẽ khiến bạn mất nhiệt từ hệ thống ].
- Ngọn lửa nến được cách ly 100% với nhiên liệu của ngọn nến [nói cách khác, chúng tôi không quan tâm đến điều gì xảy ra với bản thân ngọn nến khi nhiệt độ trở nên nóng hơn - trong môi trường thực, nó cuối cùng sẽ tự phát cháy].
- Các thành hộp là 100% phản xạ và 100% cách nhiệt. Điều này có nghĩa là tất cả bức xạ và không khí nóng sẽ ở trong môi trường thực tế, tất nhiên, điều này là không thể.
Khi nhiệt bên trong hộp tích tụ, nhiệt độ của ngọn lửa cũng tăng lên - phản ứng cháy sẽ diễn ra thuận lợi hơn nhiều trong điều kiện nhiệt độ cao hơn. Cuối cùng, nhiệt độ của cả ngọn lửa và toàn bộ hệ thống sẽ cao hơn nhiệt độ nóng chảy của bàn là [mặc dù lưu ý rằng khi nhiệt độ tăng, áp suất cũng vậy - vì vậy nó sẽ không còn là nhiệt độ nóng chảy của sắt ở áp suất tiêu chuẩn nữa :] ].
Nếu bạn muốn tránh làm tăng nhiệt độ của ngọn lửa, bạn cần đặt ngọn nến ra khỏi hệ thống hoàn toàn. Giả sử, bạn sẽ có một cửa sổ một chiều vào chiếc hộp ma thuật, để bức xạ của ngọn nến sẽ lọt vào, nhưng nhiệt không thể thoát ra ngoài. Điều này làm cho chiếc hộp ma thuật của chúng tôi trở nên kỳ diệu hơn, tất nhiên - đây hoàn toàn không phải là nhiệt động lực học :] Nhưng phần thú vị chính ở thời điểm này là bạn có thể tháo cây nến hoàn toàn - nhiệt độ phòng thí nghiệm của bạn sẽ khá đủ để làm tan chảy bàn ủi cuối cùng :]
Nếu bạn muốn giữ nguyên các kịch bản thực tế 100%, thì không thể để một thứ 1400 ° C làm nóng thứ gì đó đến 1600 ° C; tuy nhiên, một ngọn nến trong những điều kiện đó sẽ không còn ngọn lửa 1400 ° C nữa - khi nhiệt và áp suất tăng lên, nhiệt độ của ngọn lửa cũng vậy, cho đến khi ngọn nến của bạn bắt đầu tự ngắt :] Trong mọi trường hợp, việc đốt nóng phải có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy, nếu không, ngược lại, nó sẽ bị nung nóng.
Thanh có nhiệt độ cụ thể, tùy thuộc vào thành phần của nó, lúc đầu nó sẽ trở thành chất dẻo, sau đó nhiệt độ cao hơn mà cuối cùng nó sẽ nóng chảy.
Nếu bạn tiếp tục truyền nhiệt vào thanh bằng cách sử dụng 100 ngọn nến tương tự, thì tùy thuộc vào nhiệt dung riêng của kim loại, [đó là nhiệt lượng cần thiết để tăng nhiệt độ thêm 1 ° C], thanh có thể nóng chảy nếu được cung cấp đủ nhiệt.
Nhiệt dung riêng của nhôm rắn [0,904 J / g / ° C] khác với nhiệt dung riêng của sắt rắn [0,449 J / g / ° C]. Điều này có nghĩa là để tăng nhiệt độ của một khối lượng nhôm nhất định lên 1 ° C sẽ cần nhiều nhiệt hơn gần gấp đôi so với lượng nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ của cùng một khối lượng sắt thêm 1 ° C.
Đây là một ý tưởng sơ bộ về cách nhiệt, tăng dọc theo dòng dưới cùng, làm tăng nhiệt độ và các đường ngang là nhiệt độ tại đó xảy ra sự thay đổi pha.
Nhiệt năng là một dạng năng lượng, khi thanh nóng lên và ngọn nến cháy hết, nhiệt năng chứa trong thanh sẽ bị mất vào không khí xung quanh, cho đến khi mọi vật trong hệ ở cùng nhiệt độ.Có một ngoại lệ đối với ý tưởng này, được gọi là sự chuyển đổi giai đoạn. Giả sử bạn tiếp tục đưa nhiệt vào thanh solid, sau đó chỉ cần tại điểm chuyển sang dạng lỏng, bạn có thể đưa nhiệt vào mà không cần tăng nhiệt độ.
Nhiệt năng từ nến tạm thời phá vỡ các liên kết hóa học cho phép một chất rắn trở thành chất lỏng. Sau đó, kim loại lỏng sẽ tiếp tục tăng nhiệt độ miễn là bạn tiếp tục đặt nhiệt vào.
Có, nhiệt là tích lũy.Lõi bên ngoài của Trái đất là sắt nóng chảy, do sự phân hủy của các khoáng chất phóng xạ tạo thành nhiệt.Nhiệt được phát triển và được dẫn lên từ mặt đất và mất vào không gian.Nhiệt độ cuối cùng được xác định bằng sự cân bằng giữa sinh nhiệt [gần như không đổi] và mất mát [nhanh hơn khi chênh lệch nhiệt độ giữa lõi và bề mặt cao].
Tuy nhiên, một ngọn nến lấy nhiên liệu và không khí ở nhiệt độ phòng làm đầu vào, và tạo ra khí nóng làm đầu ra.Nhiệt độ ngọn lửa tối đa của nến / không khí lạnh không đủ cao để nấu chảy sắt.Nhiệt độ đó được xác định bởi năng lượng biến đổi và nhiệt dung của khí thải.Người ta phải sử dụng quá trình đốt nóng trước nhiên liệu và không khí [như trong lò cao] để nâng nhiệt độ đó lên.Việc gia nhiệt sơ bộ như vậy cho phép than cốc / không khí nấu chảy sắt từ quặng.
[Tôi nghĩ rằng hầu hết các câu trả lời đều bỏ sót điểm của câu hỏi dành cho giáo dân thiên về bảo toàn năng lượng như tôi thấy, chứ không phải cụ thể là thanh sắt và ngọn nến; và / hoặc quá phức tạp, vì vậy đây là nỗ lực của tôi]
Thanh sắt sẽ không bao giờ nóng hơn ngọn nến, vì vậy không, nhiệt lượng không "tích lũy". Nếu ngọn nến cháy ở 1000C, thì 1000C là nhiệt độ tối đa mà thanh sắt sẽ đạt được, ngay cả khi được cách ly nhiệt hoàn hảo [và do đó thanh sắt của bạn sẽ không nóng chảy vì nó ở dưới nhiệt độ nóng chảy của sắt, như đã đề cập trong các câu trả lời khác ]
Nếu nó là tích lũy, thì bạn có thể sử dụng 5 ngọn nến để đốt nóng đồ đạc lên đến 5000C, điều này đơn giản không phải là cách nó hoạt động [bạn có thể nhận được thanh sắt cách nhiệt hoàn hảo của mình nhanh hơn tới 1000C nhanh hơn 5 lần mặc dù vậy].
Và nhiệt sẽ đi đến bất cứ đâu nếu không có thanh sắt cách ly hoàn hảo của bạn [hãy tưởng tượng bạn chỉ đốt ngọn nến mà không có bất kỳ thanh sắt nào: nhiệt sẽ đi đâu?]. Nhưng nếu cả thanh sắt và ngọn nến đều ở 1000C và trong môi trường cách nhiệt hoàn toàn thì sẽ có no nhiệt.
Tôi nghĩ rằng sự nhầm lẫn chính đến tên "nhiệt / năng lượng nhiệt". Nó có thể dễ hiểu hơn đối với giáo dân nếu bạn nhìn nó giống như "nhiệt chênh lệch năng lượng". Bởi vì, khi hai vật ở trạng thái cân bằng, tức là. của cùng một nhiệt độ [bất kỳ nhiệt độ nào có thể là], không có sự truyền năng lượng nào tham gia, và do đó no nhiệt. Ngay cả khi cả hai đều ở 1000C.
Đó là vì nhiệt không phải là thứ mà người thường nghĩ về nó [thuộc tính của một số vật thể], mà thực sự là sự truyền năng lượng do ác nhiệt độ khác nhau. wikipedia đơn giản sẽ làm rõ mọi thứ hơn.
[Xin lưu ý rằng điều này được đơn giản hóa rất nhiều, nhưng như tôi đã nói, tôi cố gắng giải thích nó bằng các thuật ngữ đơn giản dễ hiểu]
Một ngọn nến cháy trong môi trường điển hình không tạo ra ngọn lửa có nhiệt độ đủ cao để nấu chảy sắt.
Đặt một ngọn nến thứ hai bên cạnh, không làm thay đổi nhiệt độ của một trong hai ngọn lửa.
Đặt nhiều ngọn nến cạnh nhau sẽ bắt đầu ảnh hưởng đến môi trường.Làm nóng không khí và sáp, nhiệt độ ngọn lửa sẽ tăng lên một chút.
Tuy nhiên, yếu tố hạn chế trong quá trình đốt cháy là việc cung cấp oxy.Những người thợ rèn thời Trung cổ đã phát hiện ra rằng với việc sử dụng ống thổi thổi thêm không khí vào lửa, họ có thể đẩy nhanh quá trình cháy, dẫn đến nhiệt độ lò đủ nóng để nấu chảy sắt.
Tôi nghĩ có khả năng bạn có thể làm điều gì đó tương tự với sáp, đun sôi sáp, sau đó trộn hơi sáp với oxy trước khi đưa hơi kết hợp qua vòi phun vào buồng đốt.
Tương tự như Matija Nalis, tôi cho rằng OP đang hỏi về việc bảo toàn năng lượng ở đây.
Trong trường hợp đó, đây là câu trả lời của tôi:
Không
Nếu bạn có một thử nghiệm nhỏ trong đó bạn đặt ngọn nến bên dưới quầy bar trong một không gian rộng mở, sẽ không có hiện tượng quang phổ nào xảy ra. Trong trường hợp tốt nhất, thanh sẽ nóng như ngọn nến, thế là xong.
Có
Nếu bạn đặt nến và thanh trong một chiếc hộp là vật cách nhiệt hoàn hảo và không cho bất kỳ nguồn nhiệt hoặc ánh sáng nào vào hoặc tắt [và không tự nóng lên] và nếu bạn bỏ qua thực tế là nến cần oxy để cháy và thực tế là ngọn nến tự tiêu hao, vâng, sau đó bạn có thể làm nóng chảy thanh hoặc thực sự tăng nhiệt độ lên bất kỳ mức nào tùy ý. [Thuận tiện bỏ qua thực tế rằng sức nóng sẽ phá hủy ngọn nến.]
Lý do: ngọn nến cháy biến năng lượng tích trữ trong các phân tử thành nhiệt [và các phân tử / tro thải], chỉ là một dạng năng lượng khác. Nhiệt năng này, vì nó không thể thoát ra khỏi hộp cách nhiệt hoàn hảo, nên sẽ tích lũy vô thời hạn. Loại năng lượng này không thể tự biến đổi trở lại thành ngọn nến một cách tự nhiên, vì vậy nó sẽ giữ nguyên như cũ và những thứ bên trong hộp sẽ ngày càng nóng hơn [cho đến khi "thứ" nhiên liệu = oxy / nến của bạn hết, nhưng chúng tôi quyết định bỏ qua điều đó để tập trung vào câu hỏi "bảo toàn năng lượng"].
Thanh cũng sẽ bắt đầu phát sáng và sáng hơn, nhưng vì chiếc hộp hoàn hảo của chúng tôi không để loại năng lượng đó ra ngoài [và không tự nóng lên, dựa trên các giả định của chúng tôi], nên năng lượng cũng sẽ ở bên trong và ngày càng nhiều hơn.