Komínový efekt
Pokus číslo: 4556
Cíl pokusu
Cílem pokusu je demonstrovat, jak funguje komínový efekt.
Teorie
Komínový efekt je fyzikální jev, který popisuje stoupání teplého vzduchu svislou dutinou. Ve spodní části dutiny je teplý vzduch – ohřátý slunečním zářením v případě solárních věží, horkou vodou v případě chladících věží jaderných elektráren, ohňem v kamnech v případě komínů v domech. Teplý vzduch se rozpíná, takže má nižší hustotu, a proto stoupá vzhůru. Tím vzniká dole podtlak, který nasává okolní chladnější vzduch. Ten se opět ohřívá a stoupá. Takto se udržuje proudění vzduchu komínem. Kromě již zmíněných příkladů se komínový efekt uplatňuje i v budovách během topné sezóny, kdy teplý vzduch z vytápěných místností stoupá nahoru a dovnitř proudí různými netěsnostmi (okny, dveřmi apod.) studený vzduch zvenčí, čímž vzniká průvan.
Když v kamnech hoří oheň, proudí spolu s ohřátým vzduchem i produkty hoření, které mají jinou hustotu než samotný teplý vzduch (například CO2 má vyšší hustotu než vzduch). Pokud není dole přívod vzduchu a tedy nemůže docházet k nasávání nového vzduchu, teplý vzduch s produkty hoření se v průběhu stoupání ochladí natolik, že se jeho hustota vyrovná s hustotou okolního vzduchu bez produktů hoření. Potom již nemá důvod stoupat dál, takže se v komíně vytvoří vrstva vzduchu, která zůstává na svém místě. Koncentrace kyslíku uzavřeného v komíně touto vrstvou postupně klesá, jak plamen spotřebovává kyslík. Nakonec už je příliš nízká a plamen začne pohasínat, než zhasne úplně.
Pomůcky
Dortová svíčka, podložka pod svíčku, zapalovač, průhledná trubka (ve vzorovém provedení z plexiskla, délka 1 m, vnitřní průměr 54 mm, tloušťka stěny 6 mm), 2 kvádříky na podložení trubky (ve vzorovém provedení 2 cm vysoké).
Postup
Svíčku připevníme na podložku a zapálíme.
Svíčku přiklopíme trubkou (viz obr. 2) a pozorujeme, jak plamen po nějaké době zhasne.
Odebereme trubku, kolem svíčky položíme kvádříky, které zajistí u spodního okraje trubky přívod vzduchu, a opět ji zapálíme.
Na kvádříky položíme trubku (viz obr. 2) a pozorujeme, jak plamen plápolá v proudícím vzduchu.
Odebereme trubku a pozorujeme, jak se plamen přestal komíhat a hoří opět klidně.
Vzorový výsledek
Vzorový výsledek je zachycen na videu níže. Bez přívodu vzduchu plamen svíčky brzy zhasne, zatímco s přívodem vzduchu nepohasíná, jen se v proudícím vzduchu mihotá. Po odebrání trubky proudění vzduchu okolo plamene výrazně zeslábne a plamen se opět uklidní.
Technické poznámky
Kvádříky na podložení trubky i podložka pod svíčku by měly být z důvodu bezpečnosti z nehořlavého materiálu.
Svíčku je dobré umisťovat do osy trubky, aby se minimalizovalo riziko natavení vnitřní stěny trubky.
Metodické poznámky
Když je trubka podložena kvádříky, plamen se mihotá v proudícím vzduchu. Toto proudění je možné cítit i na prstu, který vložíme mezi kvádříky. Nakonec trubku sundáváme, abychom ukázali, že komíhání plamene bylo způsobeno právě proudícím vzduchem, a že po sundání trubky proudění ustane a plamen je v klidu.
Když položíme trubku na kvádříky, může chvilku trvat, než se vzduch od plamene ohřeje a trubkou začne proudit vzduch. Do té doby je plamen poměrně klidný a příliš se nemihotá.
Doplnění provedení s termokamerou
Pokus můžeme doplnit sledováním trubky pomocí termokamery.
Když trubku nepodložíme a nemůže jí tak proudit vzduch, stoupající teplý vzduch s produkty hoření se postupně ochlazuje, než se jeho hustota vyrovná s hustotou okolního vzduchu, a dál už nestoupá. Na termokameře je pak vidět sloup vzduchu, který je nejteplejší v určité výšce nad plamenem a od tohoto bodu je směrem nahoru stále chladnější, dokud nemá téměř stejnou teplotu jako okolní vzduch, viz obr. 3 vlevo. U podložené trubky vzduch proudí, takže je na termokameře vidět sloup vzduchu, jehož teplota směrem vzhůru klesá, ale v celé výšce trubky je stále viditelně teplejší než okolní vzduch, viz obr. 3 vpravo.
Pokud chceme sledovat pokus termokamerou, musíme vždy provést jednu část pokusu, poté počkat, až trubka vychladne, a poté provést druhou část pokusu. Jinak na termokameře uvidíme zahřátí z předchozího experimentování, které bude rušit výsledky z momentálně prováděného pokusu.
Doplnění provedení o model komínové přepážky
Experiment můžeme dále rozšířit o model komínové přepážky. Komínová přepážka je konstrukce rozdělující komín na dvě svislé dutiny – jednou pak proudí vzduch stoupající od ohně, zatímco druhou proudí vzduch nasávaný z okolí k plameni. Model vytvoříme pomocí pruhu alobalu, který zasuneme do trubky.
Alobalový pruh délky asi 95 cm postupně překládáme, abychom dostali pruh šířky asi 5 cm (aby téměř úplně vyplnil vnitřní průměr trubky). Vzniklý pruh pevně uhladíme, aby byl co nejrovnější. Měl by jít volně zasunout do trubky. Jeden konec pruhu namotáme na kovovou tyčku (kvůli bezpečnosti volíme nehořlavý materiál – kdyby nám tyčka náhodou spadla dovnitř trubky, mohla by jinak začít hořet) a zavěsíme na ní do trubky, viz obr. 4 vpravo. Spodní konec alobalového pruhu by měl viset asi 5 cm nad knotem svíčky, viz obr. 4 vlevo.
Svíčku zapálíme a umístíme kolem ní připravenou trubku s komínovou přepážkou. Plamen hoří, přestože ve spodní části nejsou otvory pro nasávání nového vzduchu. Okolní vzduch se do trubky totiž nasává horním otvorem a proudí jednou částí trubky (vymezenou komínovou přepážkou), zatímco druhou částí stoupá vzduch ohřívaný svíčkou. K plameni se tak dostává stále nový vzduch, což je vidět i na jeho mihotání v proudu vzduchu. Vzorové provedení je na videu níže.
Může se stát, že plamen svíčky zhasne. Není to však způsobeno nedostatkem kyslíku, nýbrž silným proudem vzduchu, který byl vidět i na videu.
Toto rozšíření pokusu můžeme opět dopnit o pozorování pomocí termokamery. Na obr. 5 je vidět, že ve vzorovém provedení pokusu stoupal teplý vzduch trubkou nalevo od alobalového pruhu, zatímco nasávaný studený vzduch proudil napravo od něj. Teplota vzduchu v pravé části trubky je prakticky stejná jako teplota okolního vzduchu, zatímco v levé části je vzduch výrazně teplejší a směrem nahoru jeho teplota postupně mírně klesá.
