Utopená svíčka
Pokus číslo: 1904
Cíl pokusu
Během pokusu budeme pozorovat teplotní roztažnost vzduchu a změny tlaku v uzavřené nádobě.
Pomůcky
Svíčka, zápalky, vyšší nádoba (sklenice či odměrný válec), talíř nebo mělká miska s vodou, potravinářské barvivo.
Postup
Připravíme si obarvenou vodu a nalijeme ji do talířku/misky.
Zapálíme svíčku a přikryjeme ji sklenicí/odměrným válcem.
Vzorový výsledek
Zprvu začnou pod sklenicí unikat bubliny vzduchu. Po chvíli začne svíčka skomírat, až úplně zhasne. Během skomírání začne hladina vody ve sklenici stoupat a poté, co svíčka zhasne, vystoupí hladina viditelně nad úroveň talíře (obr. 1).
Pro lepší pozorování celého jevu byl pokus natočen na video. Například bublinky unikající zpod sklenice na fotografii vidět nejsou, na videu je pozorovat můžeme – sledujte levou stranu vzdálenějšího okraje sklenice.
Provedení za použití odměrného válce je pak zachyceno zde:
Teorie
Po přiklopení svíčky sklenicí či odměrným válcem začne plamen zahřívat vzduch v nádobě. Vzduch se přitom rozpíná a ve formě bublinek může unikat kolem spodního okraje nádoby.
Při hoření se v nádobě slučuje kyslík s uhlovodíky obsaženými ve svíčce a vzniká vodní pára a oxid uhličitý. Protože ale svíčka k hoření kyslík potřebuje a oxid uhličitý ji naopak dusí, začne skomírat a teplota vzduchu i jeho tlak poklesnou. Rozdíl mezi nižším tlakem uvnitř nádoby a atmosférickým tlakem vně způsobí, že vzduch vně natlačí vodu z misky/talíře do nádoby; tím se tlaky průběžně vyrovnávají.
Nejvýrazněji stoupá hladina vody těsně po úplném uhasnutí svíčky.
Poznámka: K poklesu tlaku uvnitř nádoby přispívají i další dva vlivy, a to kondenzace hořením vzniklých vodních par na stěnách nádoby a rozpouštění části vzniklého CO2 ve vodě za vzniku kyseliny uhličité.
Vysvětlení pro děti
Vzduch uvnitř sklenice se díky plamenu svíčky zahřeje, „nafoukne se“ a část ho vybublá zpod sklenice ven.
Vzduch pak nemůže zpět, brání mu totiž voda obklopující okraj sklenice. Svíčka ale k hoření potřebuje kyslík, začne tedy postupně skomírat, až úplně zhasne. Vzduch se přestane ohřívat, zchladne, smrskne se a vzduch okolo skleničky natlačí vodu dovnitř.
Technické poznámky
Výhodou použití odměrného válce je jeho zobáček pro vylévání vody. Díky němu zůstane mezi válcem a miskou malá mezera, kterou mohou vzduch i voda bez omezení proudit.
Zároveň je výhodné použít velký odměrný válec (např. objem 1 litr). Svíčka potom déle hoří, z válce unikne více vzduchu a voda vystoupá výš; jev je tudíž snáze pozorovatelný. Misku je samozřejmě třeba naplnit dostatečným množstvím vody, aby byl zobáček pod vodou i po nasátí vody do válce. Pokud by se totiž nasál do válce místo vody vzduch z okolí, dojde k vyrovnání tlaků vně a uvnitř válce a voda vyteče zpět do misky.
Pokud bychom chtěli experiment opakovat, je třeba před tímto opakováním nádobu zevnitř dobře osušit. Případná vlhkost by totiž částečně bránila ohřátí vzduchu a jeho dostatečnému rozepnutí.
Pokus je vhodné provádět výhradně s obarvenou vodou, hladiny jsou pak lépe viditelné.
Metodické poznámky
Před přiklopením nádoby připravte děti na to, ať opravdu bedlivě sledují, co se bude dít. Jev je docela rychlý, a tak rozhodně není na škodu ho klidně několikrát zopakovat.
V některých zdrojích se můžeme setkat s vysvětlením, které zdůvodňuje vzestup hladiny v nádobě tím, že část vzduchu nad svíčkou shoří a uvolní místo. Pozor, toto není pravda! Během hoření dochází ke spalování kyslíku (ne vzduchu!), čili jeho slučování s uhlovodíky obsaženými v materiálu svíčky. Vzniká tak oxid uhličitý a vodní páry, které samozřejmě také mají svůj objem. Vzduch tedy neshoří, neztratí se!
Se zařazením tohoto pokusu do pohádky o Dlouhém, Širokém a Bystrozrakém se můžete setkat v tomto materiálu.
Doprovodný experiment
K tématice teplotní roztažnosti vzduchu je možné předvést doplňující experiment. Na skleněnou láhev, na jejímž ústí je navlečený balónek, naléváme horkou vodu. Balónek se postupně nafukuje, což vysvětlíme právě pomocí toho, že vzduch uvnitř láhve zvětšuje svůj objem a vyplňuje tedy i prostor uvnitř balónku. Následně sklenici polijeme studenou vodou pro demonstraci toho, co se stane se vzduchem po zhasnutí svíčky v původním experimentu.
