Palenie w piecu

Jak wiadomo, spalanie jest procesem chemicznym, w którym tlen łączy się z ciałem palącym się. Warunkiem palenia jest więc dostateczny dopływ tlenu, który znajduje się w powietrzu w ilości około 20%.

Paliwo spalając się dostarcza ciepła. Powstaje ono z energii chemicznej, która tkwi w paliwie. Znamy rozmaite rodzaje paliw. Według stanu skupienia, w jakim występują, można je podzielić na: stałe, ciekłe i gazowe. Paliwa można również sklasyfikować ze względu na inno właściwość, a mianowicie ze względu na tzw. ciepło spalania.

Wracając do tematu pieca domowego, w którym spalamy węgiel, możemy zauważyć, że kiedy w piecu rozpalamy kawałkami suchego drewna, słyszymy jak huczy. Ten odgłos powstaje wskutek tego, że przez piec przepływa dość silny strumień powietrza, niosący tlen niezbędny w procesie palenia. Jest to tzw. ciąg, który powstaje w piecu podczas palenia.

W naszych domowych piecach ciąg jest naturalny, a powstaje on dzięki temu, że gorące powietrze, wypełniające przewód kominowy, jest „lżejsze” (czyli gęstość powietrza, zmieszanego z gorącymi spalinami, w przewodzie kominowym jest mniejsza niż gęstość powietrza zewnętrznego) od zimnego powietrza. Lżejsze, a więc rzadsze powietrze wypełniające przewód kominowy wywołuje w nim tzw. podciśnienie, czyli ciśnienie mniejsze niż to jakie panuje na zewnątrz.

Wyobraźmy sobie piec domowy z przewodem kominowym. U wylotu komina panuje oczywiście ciśnienie atmosferyczne, odpowiadające wysokości komina. W dole komina ciśnienie atmosferyczne jest wyższe niż u góry, ponieważ jest tam wyższy słup powietrza. Jeżeli teraz rozpalimy w piecu, to w przewodzie kominowym znajdować się będzie powietrze ogrzane (a więc lżejsze) i słup ogrzanego powietrza będzie wywierał mniejsze ciśnienie wewnątrz komina niż ciśnienie powietrza na zewnątrz. W rezultacie wnętrze pieca, połączone z przewodem kominowym, znajdzie się w stanie tzw. podciśnienia, czyli ciśnienia niższego od atmosferycznego. Wskutek tego ciśnienie atmosferyczne będzie wtłaczać od dołu powietrze do pieca tworząc naturalny ciąg. Ciąg ten jest tym większy, im wyższy komin zbudujemy. Dlatego właśnie kominy fabryczne są bardzo wysokie, a ulatujący z nich dym jest mniej kłopotliwy dla otoczenia. Łatwiej jest rozpalić w piecu w mieszkaniu znajdującym się na niższym piętrze niż w piecu, który znajduje się w mieszkaniu na wyższym piętrze.

Praca i ciepło

Jednym z najbardziej podstawowych pojęć, z którym spotykamy się w nauce fizyki, jest pojęcie energii, czyli zdolności ciała do wykonania pracy. Energia występuje pod różnymi postaciami, np. jako energia mechaniczna, elektryczna, chemiczna, cieplna.

Ciepło jest pewną formą energii. Najczęściej można spotkać się z energię cieplną, ponieważ ma ją każde ciało. Temperatura ciała jest świadectwem ruchu molekuł (cząsteczek), zaś ruch molekuł określa energię. Gdy temperatura ciał jest niska , ruchy molekuł są powolniejsze, gdy jest wysoka stają się szybsze. Energia cieplna ciała chłodnego jest więc mniejsza niż energia tego ciała po ogrzaniu.

Temperatura, w której poruszające się molekuły znalazłyby się w zupełnym bezruchu, nazywa się temperaturą zera bezwzględnego i sama jej nazwa wskazuje, że jest to graniczna, najniższa temperatura jaka można sobie wyobrazić. Odpowiada jej zerowa prędkość ruchu molekularnego (cząsteczkowego). Stąd wniosek, że nie może istnieć temperatura niższa niż zero bezwzględne. Ponieważ temperatura wszystkich ciał na Ziemi, przewyższa i to znacznie temperaturę zera bezwzględnego, dlatego też można twierdzić, że energia cieplna jest najczęściej spotykaną formą energii.

Energia ma zdolność do zmiany swej postaci, np. przeistoczy się z energii cieplnej w mechaniczną, pozostając wciąż energią, czyli zdolnością ciał do wykonania pracy. Jedną z najważniejszych przemian energii jest zamiana ciepła w pracę i odwrotnie. Zamiana pracy mechaniczne w ciepło ma wielkie znaczenie w praktyce. Na tej zasadzie opiera się np. hamowanie wszelkich pojazdów. Jadący szybko samochód ma znaczną energię kinetyczną. Chcąc zwolnić jego ruch należy zastosować hamulce. Nagrzewają się one podczas hamowania i nagromadzona w nich energia zostaje wypromieniowana.
Jeszcze większe znaczenie ma przemiana odwrotna: ciepła w pracę mechaniczną.

Niezliczone ilości silników cieplnych: parowych i spalinowych, wykorzystują energię zawartą w paliwie i zamieniają ją w pracę mechaniczną. Proces ten zachodzi jednak z pewnymi ograniczeniami. Pracę można zawsze zamienić w ciepło, ale ciepło w pracę tylko przy spełnieniu pewnych warunków. Ciepło może przepływać samorzutnie tylko od ciał o temperaturze wyższej do ciał o temperaturze niższej. Aby zmusić ciepło do wędrówki, podczas której może ono wykonać pracę, musimy mieć dwa ciała jedno o temperaturze wyższej, które ciepło oddaje, drugie o temperaturze niższej, które ciepło pobiera. Ciepłem nazywamy właśnie energię, jaka przepływa od jednego ciała do drugiego z powodu różnicy temperatur między nimi. To prawo rządzi pracą wszystkich silników cieplnych.

Jak wyznaczono prędkość światła?

Duński uczony Olaf Römer około 300 lat temu obserwował księżyce , które krążą dookoła planety Jowisz. Römer oparł się na ruchu jednego z nich. Ten właśnie księżyc dokonywał pełnego okrążenia Jowisza w ciągu 42 godzin.

Krążąc w ten sposób dookoła Jowisza ten co 42 godziny chował się za swoją macierzystą planetę (Jowisza) i ulegał zaćmieniu. Ruch księżyca, jak ruch wszelkich ciał niebieskich, odbywał się z wielką regularnością (to było całkiem pewne), a więc i zaćmienia powinny następować dokładnie co 42 godziny. Tymczasem okazało się, że tak nie jest. Zaćmienia nie powtarzały się regularnie. W ciągu jednego półrocza stwierdzono, że zaćmienia opóźniły się, w ciągu drugiego, że zachodziły z pewnym przyspieszeniem. Zatem zjawisko, co do którego nie było żadnych wątpliwości, że odbywa się z wielką regularnością, wydawało się obserwatorom z Ziemi nieregularne. Można to było wytłumaczyć tym, że Ziemia porusza się po swojej orbicie dookoła Słońca.

Obserwacje astronomiczne opierają się na sygnałach dochodzących w postaci fal świetlnych. Fale te biegną z niezmiernie wielką prędkością – 300 000 km/s. Jest to największa prędkość w przyrodzie i przez długie lata myślano, że prędkość światła jest nieograniczona. Myślano tak dlatego, że przy ówczesnych środkach nie można było zmierzyć tak wielkiej prędkości. Prób takiego pomiaru było niemało, jednak wszystkie kończyły się niepowodzeniem. Dopiero Römer dokonał tego naprawdę wielkiego dzieła, jakim było określenie prędkości światła.

Rozumowanie Römera można opisać następująco: jeśli Ziemia znajduje się na swojej orbicie w najkrótszej odległości od Jowisza to światło będzie miało do przebycia najkrótszą drogę, podczas gdy w najdalszym położeniu droga będzie najdłuższa. Różnica tych dróg jest równa średnicy orbity Ziemi, czyli w przybliżeniu 300 000 000 km. Mając do pokonania dłuższą drogę nawet światło musi zużyć na nią więcej czasu. I rzeczywiście w najbliższej odległości Ziemi od Jowisza zaćmienia, obserwowanego przez Römera, księżyca następowały w najkrótszych odstępach czasu, a w najdalszej odległości – w najdłuższych. Różnica tych czasów wynosi około 1000 sekund i tyle właśnie czasu potrzebuje światło na pokonanie tej drogi. Dzieląc teraz różnicę czasu przez różnicę drogi otrzymano prędkość światła – 300 000 km/s. Był to zdumiewająco dokładny wynik, jak na tak odległe czasy.