Davyho bezpečnostní kahan

Pokus číslo: 1867

  • Cíl pokusu

    V následujícím experimentu budeme demonstrovat zásadní roli tepelné vodivosti kovů ve fungování bezpečnostního kahanu, který poprvé zkonstruoval r. 1815 anglický experimentátor sir Humphry Davy.

  • Teorie

    S rozmachem těžby černého uhlí se ve Velké Británii na počátku 19. století razantně zvýšil počet důlních neštěstí souvisejících s výbuchy metanu, který je hlavní složkou důlních plynů tvořících se vzduchem vysoce třaskavou směs. Příčinou výbuchů byli obvykle sami horníci, přesněji jejich olejové kahany s otevřeným plamenem; proto sílila poptávka po bezpečném kahanu, který by životy horníků ochránil.

    Přímo na přání těžařů sestrojil první tzv. bezpečnostní kahan anglický fyzik a chemik Humphry Davy (1778-1829) - jednoduše umístil plamen do kovové klece. Protože kov velmi intenzivně odváděl teplo od plamene, zabraňovala tato konstrukce tomu, aby teplota v okolí plamene překročila zápalnou teplotu třaskavé směsi. Přítomnost metanu tedy nevedla k výbuchu, ale pouze ke zvětšení plamene, které horníkům jasně signalizovalo, že v místě není bezpečno a je třeba jej urychleně opustit.

    V našem experimentu předvedeme jak princip Davyho bezpečnostního kahanu, tak kahan s otevřeným plamenem. Namísto olejové lampy použijeme svíčku, metanovou kapsu budeme modelovat nádobkou naplněnou butanem (plynem do zapalovačů). Jako kovová klec pro plamen poslouží dvě kovová kuchyňská sítka.

  • Pomůcky (obr. 1)

    Dvě identická kovová kuchyňská sítka, plyn do zapalovačů (typicky butan), dortová svíčka, zápalky, průhledná skleněná kádinka, kleště, špejle.

    Obr. 1: Pomůcky
  • Postup

    První část experimentu: Model kahanu s otevřeným plamenem

    1. Do kádinky vstříkneme malé množství plynu do zapalovačů.

    2. Kahan s otevřeným plamenem nám bude představovat malá dortová svíčka, kterou v kleštích přiblížíme k hornímu okraji kádinky (viz video v části Vzorový výsledek); plyn velmi rychle vzplane.

    Druhá část experimentu: Model Davyho bezpečnostního kahanu

    1. Dortovou svíčku upevníme ke dnu jednoho sítka tak, aby se nepřevracela - např. jejím vlastním voskem.

    2. Opět vstříkneme malé množství plynu do kádinky.

    3. Svíčku zapálíme a přiklopíme druhým sítkem; plamen svíčky se tak ocitne v jakési kovové „kleci“.

    4. Opatrně vkládáme celou „klec“ do kádinky s plynem. Pokud si počínáme obratně, plyn vzplane pouze v malém objemu mezi sítky, plameny se ale nerozšíří do zbytku kádinky (opět viz video v části Vzorový výsledek).

  • Vzorový výsledek

    Vzorové provedení obou výše popsaných částí experimentu nabízí následující video:

  • Technické poznámky

    • Pro úspěšné provedení experimentu je nezbytné držet sítka těsně u sebe tak, aby mezi nimi nevznikala mezera. Jakákoliv netěsnost kovové klece může vést ke vzplanutí plynu v kádince.

    • Běžná dortová svíčka bývá příliš vysoká na to, aby se vešla mezi dvě sítka, proto je obvykle třeba ji zkrátit. Rozhodně by její plamen při hoření neměl pronikat mimo klec.

    • Butan, kterým důlní plyn modelujeme, má více než dvakrát větší hustotu než vzduch a v kádince se tak drží u dna; nemusíme tedy horečnatě experimentovat v obavě, že plyn kádinku rychle opustí.

    • Bezpečnostní upozornění: Je třeba počítat s tím, že z dortové svíčky může během experimentu odkapávat horký vosk. Při demonstraci kahanu s otevřeným plamenem vkládáme hořící svíčku do kádinky vždy kleštěmi, nikdy ne holýma rukama! Práce s butanem vyžaduje zvýšenou opatrnost!

  • Metodické poznámky

    • V zásadě je možné vynechat první část experimentu a ukazovat pouze funkci Davyho kahanu; méně tak ale vynikne role tepelné vodivosti jako hlavního fyzikálního principu, který chceme demonstrovat.

    • Fakt, že v případě Davyho kahanu vzplane plyn pouze uvnitř klece, někdy studenti vysvětlují tím, že většina plynu už jednoduše nádobku opustila a nemá v ní tedy co hořet. V takovém případě je možné vyzkoušet, že i po vyjmutí Davyho kahanu z kádinky v ní lze zbylý plyn špejlí zapálit.

    • Můžeme se studenty diskutovat o tom, proč museli horníci i s Davyho bezpečnostním kahanem opouštět místa se zjištěným výskytem metanu. Jak již bylo uvedeno výše, přítomnost metanu zvětšila plamen kahanu, což vedlo k jeho intenzivnějšímu zahřívání - hrozilo tedy riziko, že se kovová konstrukce prohřeje až na zápalnou teplotu důlního plynu. (Pokročilejší druhy kahanů byly dokonce na základě výšky plamene schopny číselně stanovit koncentraci metanu.)

  • Davyho kahan jako identifikátor důlních plynů

    Zdokonalení Davyho kahanu umožnilo jeho využití nejen jako zdroje světla, ale také jako citlivého identifikátoru nebezpečných důlních plynů. Kahan byl opatřen stupnicí, která umožňovala měřit výšku plamene uvnitř. Pokud se plamen zvětšil nad stanovenou mez, svědčilo to o zvýšeném množství methanu v okolním vzduchu; naopak, zmenšení plamene signalizovalo zvýšenou koncentraci oxidu uhelnatého. V obou případech se situace stávala pro horníky nebezpečnou a vedla k urychlenému opuštění dolu.

  • Komentář

    Námět na tento experiment byl převzat z článku Václavy Kopecké Tepelná výměna mezi plamenem a jeho okolím, který byl v roce 2012 publikován v rámci konference Veletrh nápadů učitelů fyziky 17 pořádané Matematicko-fyzikální fakultou UK v Praze.

Typ pokusu: kvalitativní
Věková skupina: od střední školy
Potřebné vybavení: proveditelné s jednoduchými pomůckami
Čas přípravy pokusu: do 3 minut
Čas provedení pokusu: do 3 minut
Pokus je zachycen na videu
Multimediální encyklopedie fyziky
Původní zdroj: Kopecká, V. (2012). Tepelná výměna mezi plamenem a jeho okolím. In:
Veletrh nápadů učitelů fyziky 17: Sborník z konference (ed. V.
Koudelková). Praha: Nakladatelství P3K, 165-168. ISBN: 978-80-87343-13-5.
×Původní zdroj: Kopecká, V. (2012). Tepelná výměna mezi plamenem a jeho okolím. In: Veletrh nápadů učitelů fyziky 17: Sborník z konference (ed. V. Koudelková). Praha: Nakladatelství P3K, 165-168. ISBN: 978-80-87343-13-5.