Tại sao que diêm cháy lại bị cong?

13

Tại sao que diêm cháy lại bị cong?

Được biết, việc chơi bằng diêm rất nguy hiểm - có thể dẫn đến hỏa hoạn. Nhưng chúng ta vẫn hãy thực hiện những biện pháp phòng ngừa cẩn thận nhất, tiến hành một loạt thí nghiệm đơn giản với việc đốt diêm. Chúng tôi khuyên bạn nên tìm hiểu hình dạng của que diêm thay đổi như thế nào khi cháy.

Trước khi bắt đầu thử nghiệm, chúng tôi sẽ đảm bảo an toàn tuyệt đối cho họ. Các que diêm sẽ cần được giữ bằng nhíp trên một bát nước đặt trên một tấm kim loại. Hãy chuẩn bị thích hợp và bắt đầu thí nghiệm.

Kiểm tra 1. Giữ một que diêm đang cháy theo chiều ngang. Ngọn lửa di chuyển dọc theo que diêm và khi nó di chuyển, phần cháy của que diêm bốc lên. Chiều cao của viền này thay đổi tùy theo trận đấu khác nhau. Một số que diêm bị xoắn trong quá trình này (Hình 1). Điều quan trọng cần lưu ý là phần que diêm đã nguội (cháy) sẽ bị “uốn cong”.

Bài kiểm tra 2: Nhúng que diêm đang cháy vào ngọn lửa của bếp. Que diêm cháy hầu như không bao giờ uốn cong.

Về thử nghiệm 3. Hãy xem các que diêm có độ dày khác nhau cháy như thế nào. Que diêm dày sẽ bị uốn cong lớn hơn bình thường và các mảnh vụn rơi ra từ que diêm cũng nhỏ hơn.

Chúng ta hãy nhìn kỹ lại một que diêm đang cháy nằm nằm ngang. Ngọn lửa di chuyển chậm dọc theo que diêm; đồng thời gỗ khi đốt vẫn nhẵn (không bị cong). Màu sắc của phần này của trận đấu là màu đen. Điều này có nghĩa là nhiệt độ khu vực này tương đối không cao hơn 500 600°C. Ngay sau ngọn lửa, một sọc đỏ hẹp (≈2 mm) di chuyển. Đây là vùng có nhiệt độ cao nhất (≈700  750°C), vừa kết thúc quá trình cháy. Nếu bạn nhìn vào dải này từ bên cạnh, về mặt nghiêng, bạn có thể thấy phần trên của nó nóng đỏ và phần dưới có màu đen. Điều này có nghĩa là phần trên của que diêm bắt đầu nguội, có nhiệt độ cao hơn và do đó sẽ giữ lại màu đỏ. Nguyên nhân của sự cháy không đều như vậy là do dòng không khí đối lưu.

Có lẽ đây chính là sự chênh lệch nhiệt độ giữa phần trên và phần dưới của que diêm giải thích cho việc que diêm đang cháy bị uốn cong? Hơn nữa, nó được uốn cong sao cho độ lồi luôn hướng về nhiệt độ thấp hơn (trong quá trình đốt cháy). Giả định này được xác nhận theo cách này: nếu bạn cẩn thận (để nó không tắt) thổi từ trên cao vào que diêm đang cháy, thì sau khi đốt, bạn sẽ có một góc gần như cháy - chúng ta thổi ngọn lửa xuống, nhiệt độ của phần trên và phần dưới cân bằng; Nếu bạn chạm vào que diêm đang cháy bằng một vật kim loại lạnh (ví dụ như đinh) và giữ nó một lúc (để que diêm không tắt) thì que diêm sẽ bị cong nhiều hơn so với khi đốt thông thường.

Vì vậy, giả định về mặt chất lượng của chúng tôi về các nguyên tắc gây ra

14

Bẻ một que diêm có vẻ hợp lý. Hãy thử thực hiện một đánh giá định lượng. Để làm điều này, chúng tôi sẽ sử dụng mô hình sau.

Chúng ta hãy chia trận đấu thành hai phần một cách có điều kiện trên một mặt phẳng nằm ngang. Trong quá trình đốt cháy, nhiệt độ của phần trên cao hơn phần dưới nhưng chiều dài của chúng như nhau. Khi làm mát, phần trên, phần nóng hơn sẽ co lại (rút ngắn) nhiều hơn phần dưới, do chênh lệch nhiệt độ giữa phần này của que diêm và không khí xung quanh lớn hơn. Do đó, chiều dài phần trên của que diêm nguội sẽ nhỏ hơn chiều dài phần dưới của nó và que diêm sẽ cong lồi xuống (về phía phần lạnh hơn khi cháy). Mô hình này lấp đầy một tấm lưỡng kim - một tấm gồm hai kim loại được hàn với hệ số giãn nở nhiệt khác nhau. Dựa vào mô hình này, chúng ta sẽ ước tính sự chênh lệch nhiệt độ giữa phần trên và phần dưới của trận đấu ở khu vực đai đỏ.

Gọi $l_0$ là độ dài của que diêm, $d$ độ dày của que diêm. Để ước tính sơ bộ, chúng ta có thể giả định rằng do quá trình đốt cháy, các kích thước này hầu như không thay đổi. Tuy nhiên, chiều dài mặt trên và mặt dưới của que diêm bị cháy không giống nhau. Sự khác biệt về độ dài của các phần trung bình của các phần này bằng

$$l_2 - l_1 = l_0 \alpha \Delta t,$$

(1) trong đó $\alpha$ là hệ số giãn nở nhiệt, $\Delta t$ là chênh lệch nhiệt độ tối đa của phần trên và phần dưới của que diêm;

$$l_1 = \beta \left( R - \frac{d}{4} \right), \quad l_2 = \beta \left( R + \frac{d}{4} \right),$$

$$l_2 - l_1 = \frac{\beta d}{2} = \frac{l_0}{R} \frac{d}{2}$$

(2) (xem Hình 2). So sánh (1) và (2), chúng ta thu được biểu thức cho $R$:

$$R = \frac{d}{2\alpha \Delta t}.$$

(3)

Không dễ để đo các đại lượng $R$, nhưng thông qua $R$ người ta có thể biểu thị các đại lượng dễ thay đổi $h$ (xem Hình 2):

$$h = R (1 - \cos \beta) = R \left( 1 - \cos \frac{l_0}{R} \right).$$

Đối với ước tính của chúng tôi, với một giá trị gần đúng khá tốt, chúng tôi có thể giả định rằng $1 - \cos \beta = \frac{\beta^2}{2}$* và $h = \frac{l_0^2}{2R}$.

Thay thế giá trị $R$ vào biểu thức này (xem (3)), chúng ta thu được

$$h = \frac{l_0^2 \alpha \Delta t}{d}.$$

Từ đây chúng ta tìm thấy $\Delta t$:

$$\Delta t = \frac{h}{l_0^2} \frac{d}{\alpha}.$$

(4)

Vì vậy, để ước tính các giá trị của $\Delta t$, chúng ta cần thử nghiệm tìm tỷ lệ $h/l_0^2$. Kết quả của phép tính gần đúng thực nghiệm có thể được xem xét

$$L/l_0^2 = \text{const} \approx 10^{-2}.$$

Lấy $d = 1$ mm, $\alpha = (5 \div 10) \cdot 10^{-5}$ độ$^{-1}$, sử dụng công thức (4) chúng ta tìm thấy $\Delta t = (100 \div 200)$ (độ).

Các phép đo $\Delta t$ được thực hiện bằng cặp nhiệt điện để có giá trị $t_{\text{верхн}} = (730 \pm 10)^\circ \text{C}, \ t_{\text{низн}} = (650 \pm 10)^\circ \text{C}$ và $\Delta t = (80 \pm 20)^\circ \text{C}$. Có thể thấy, ước tính lý thuyết của chúng tôi rất phù hợp với những dữ liệu này. Vì vậy, chúng ta có thể giả định rằng mô hình được xem xét, không tính đến bản chất hóa học của quá trình đốt cháy, là đúng.

Có lẽ, khi quan sát một que diêm đang cháy, bạn sẽ đưa ra một số lời giải thích khác về lý do khiến nó bị uốn cong. Sau đó bắt đầu biện minh và kiểm tra các giả định của bạn. Và khi bạn tiến hành thí nghiệm của mình, hãy nhớ: HÃY CẨN THẬN!

*) Sai số của công thức không vượt quá 1% tại $\beta < 38^\circ$ và 10% tại $\beta \leq 60^\circ$.