Введение
Актуальность темы. Без огня невозможна жизнь на Земле. Мы видим огонь каждый день – плита, костер, печка и т.д. Он всюду – в домах и школах, на заводах и фабриках, в двигателях космических кораблей. Вечный Огонь горит на площади Славы, в храмах всегда горят свечи …
Все лето по телевизору показывали лесные пожары. Сгорело безвозвратно большое количество деревьев, которые давали нам воздух. Могли бы стать интересными книгами и нашими школьными тетрадями. Погибли животные. Сгорели целые деревни, люди остались без жилищ.
Интересный и загадочный этот огонь!
Для детей о пожарах и мерах безопасности написано достаточно много книг, в том числе литературных произведений (“Дядя степа” С. Михалкова, “Путаница” К. Чуковского, “Кошкин дом” С. Маршака и т.д.). Но такие источники, в которых описываются подробно и свойства огня, и его польза встречаются редко. Наша работа – это попытка восполнить такой пробел.
Цель работы: Исследование значения огня для человека.
Задачи. В этой работе мы изучаем свойства огня и отвечаем на вопрос: Что такое огонь? Также разбираемся, как эти свойства используют люди. Каким образом и почему огонь может помочь и навредить людям? (Приложение 1).
Мы использовали справочную литературу: словарь, энциклопедию, некоторые книги для взрослых, и информацию из сети Интернет.
1. Что такое огонь? Основные свойства огня
В детской энциклопедии есть такое определение огня и горения: “это химическая реакция, в которой одно из веществ настолько нагревается, что соединяется с кислородом воздуха”. В толковом словаре русского языка читаем: “Огонь – горящие светящиеся газы высокой температуры” . После прочтения этой информации, автор данной работы так и не понял, что же такое огонь и решил дать такое ему определение, которое было бы понятно ученикам начальной школы. Для этого нужно выявить основные его свойства.
Основные свойства огня изучаем при помощи методов эксперимента (опытов) и наблюдения. Проделаем несколько опытов.
Примечание. Все опыты проводились в присутствии и с помощью взрослых, при этом были соблюдены правила безопасности: использовали негорящую поверхность (стеклянную доску) и приготовили кувшин с водой.
Описание опытов:
Опыт № 1. В темное время суток выключили в комнате свет. Стало темно, ничего не видно. Зажгли свечу, стали видны очертания предметов и людей.
Вывод: 1 свойство: Огонь излучает свет! (См.: Приложение , слайд 4)
Даже небольшое пламя свечи может освещать комнату. Вот почему в запасе у мамы всегда есть свечи – на случай отключения электричества.
Опыт № 2. Очень осторожно попробуем поднести руку к пламени свечи. На расстоянии 20 см становится очень тепло, ниже – из-за жжения опустить руку нельзя.
Вывод: 2 свойство: Огонь выделяет много тепла! (См.: Приложение, слайд 5).
Опыт № 3. Накроем горящую свечу стеклянной банкой. Через несколько секунд пламя гаснет. То же происходит и с газовой конфоркой. Для достоверности мы повторили опыт 3 раза. Результат всегда один – пламя прекращает гореть.
Вывод: 3 свойство: для того, чтобы огонь горел, нужен воздух, а точнее кислород, который он содержит. (См.: Приложение, слайд 6).
Итак, мы выяснили главные свойства огня и уже можем ответить на вопрос: что такое огонь?
Огонь – это такой процесс, при котором поглощается кислород и выделяется свет и тепло.
Продолжим изучение свойств огня.
1) Наблюдаем за пламенем свечи. Форма спокойного пламени, заостренная кверху похожа на конус. Если потихоньку подуть на пламя свечи, то форма меняется, оно отклоняется от потока воздуха. То же происходит, если поднести свечу к приоткрытому окну.
Вывод: форму пламени можно изменить при помощи потока воздуха. Это свойство используют при разжигании костра. (См.: Приложение, слайды 9,10,11).
2) Рассмотрим цвет пламени. Цвет не везде одинаков, пламя имеет слои: самый нижний слой голубоватого оттенка, затем светло-желтый слой, после него – самый верхний красновато-оранжевый. (См.: Приложение, слайд 13).
Но это еще не все о цвете.
Мы заметили, что газ на кухне всегда горит голубым цветом, а дерево - желто-оранжевым. Наблюдая за горением тонкую проволочку из меди, от электрического шнура, мы обнаружили, что пламя при этом окрашивается в зеленый цвет. (См.: Приложение, слайды 14, 17, 18, 19).
Выводы: 1. Разные вещества и материалы горят с разным цветом пламени. Так вот как получается такой красивый фейерверк! 2. Значит можно определить, неизвестное вещество по цвету пламени, надо только поджечь (как один из способов).
Опыт № 5. Температура пламени. Возьмем ту же тонкую медную проволочку. Кончик такой проволочки, держа ее поперек пламени, помещаем в разных местах и на различной высоте в пламя и наблюдаем действие пламени на проволочку. Наблюдения обнаруживают следующее:
Значит, температура в разных слоях пламени различная. Это подтверждается и опытом с поднесением к пламени руки. Мы помним, что сверху можно поднести руку только на 20 см. Если поднести палец к нижней части пламени, тепло чувствуется только на расстоянии 1 см.
Вывод: пламя имеет несколько слоев, отличающихся не только по цвету, но и температурой. В нижней части пламя самое холодное, а верхней – самое горячее. (См.: Приложение, слайд 20).
2. Значение огня: польза и вред
В результате проведенных опытов, собственных наблюдений, а также из прочитанного материала мы убедились, что люди постоянно используют огонь в своей жизни, и он приносит им очень большую пользу.
Еще огонь используется при:
И это еще не весь список “добрых” дел огня.
Вывод: Огонь очень нужен людям. Он согревает, кормит и освещает. Современный человек использует огонь постоянно. Невозможно представить себе жизнь без огня.
Но огонь очень опасен! Его всегда нужно контролировать. Он способен и очень навредить. Речь идет о пожарах. Пожар – это когда огонь горит без желания человека и все разрушает.
Большой ущерб нашему государству и населению приносят пожары. Пожар – явление очень страшное, жестокое, враждебное всему живому. (См.: Приложение, слайд 26).
Пожар вреден тем, что: от пожаров гибнут люди и получают сильные ожоги, люди лишаются дома, от пожаров исчезают леса и гибнут все их обитатели: животные, птицы, пожар может уничтожить все, что человек создавал своим трудом.
Немного статистики. Только представьте, что ежегодно в мире происходит около 5 миллионов пожаров! Каждый час в огне погибает один человек, два получают травмы и ожоги. Каждый третий погибший – ребенок.
Как они возникают? Из-за неосторожного обращения с огнем, недобросовестного отношения к мерам безопасности.
О пожарах, о бедах, которые приносит огонь написано много книг. В том числе детских. Почему же для детей написано много книг о пожарах? Мы думаем, что потому что пожары очень часто возникают по вине детей.
Хотим напомнить всем ребятам:
Никогда не играйте с огнем!
Разжигать огонь можно только в присутствии взрослых и под их присмотром.
В местах разведения костров, другого использования огня должны быть под рукой средства тушения.
Нельзя оставлять огонь без присмотра.
Когда огонь уже не нужен, он должен быть хорошо потушен.
Заключение
Таким образом, в результате проведенной работы мы дали понятное для детей определение огня: “Огонь – это такой процесс, при котором поглощается кислород и выделяется свет и тепло”.
А также выяснили: Пламя имеет определенную форму, несколько слоев, отличающихся не только по цвету, но и температурой. При этом форму пламени можно изменить при помощи потока воздуха. Знание этих свойств помогает людям использовать огонь более эффективно.
Разные вещества и материалы горят с разным цветом пламени. Значит можно определить, какое-то вещество по цвету пламени, надо только поджечь (как один из способов).
Вообще, огонь очень нужен людям, он согревает, кормит, освещает. Современный человек использует огонь постоянно. Невозможно представить себе жизнь без огня.
Но огонь очень опасен! Его всегда нужно контролировать, нельзя оставлять без присмотра. Он способен и очень навредить. Пожар – явление очень страшное, жестокое, враждебное всему живому.
Конечно, мы исследовали не всё о таком удивительном явлении как огонь. Поэтому в дальнейшем возможно исследовать такие вопросы: как люди научились разжигать огонь, каковы были первые способы? Какие вещества не горят и почему? Как делают фокусы с огнем? Также интересна тема “Огонь и оружие”.
Результаты данной работы можно использовать как вспомогательный материал на занятиях о мире вокруг нас (окружающему миру) в детском саду и начальной школе. Для детей интересующихся огнём такой материал будет полезен, потому что он наглядный и достаточно простой.
Список источников и литературы
Стихия огня. http://salamand.ru/sootvetstviya-stixii-ognya
Российская статистика. http://www.statp.ru
Инструкция
Многие ошибочно называют горение огнем, но это неправильно. На самом деле огонь – лишь один из этапов горения. Если говорить еще конкретнее – это физическое явление рассматривает газы и плазму в совокупности. При этом причины их выделения могут быть различными – реакция или взрыв, воспламенение горючих материалов в присутствии окислителя. Одно из основных свойств огня – его высокая способность к самораспространению в соответствующих условиях. Но в некоторых случаях, например, во время горения химических веществ, пламя отсутствует полностью.
Для того чтобы возник огонь, необходимо выполнение сразу трех условий. Первое условие – наличие топлива, которое будет гореть. Следующее требование заключается в наличии окислителя, благодаря которому процесс горения может существовать. Последнее условие - температура должна соответствовать свойствам и окислителя, и топлива. Если хотя бы одно из условий не будет соблюдаться, то горение становится невозможным, поэтому огонь также не возникнет. При соблюдении всех требований наблюдается процесс горения, сопровождаемый огнем. Следует отметить, что огонь окрашивается в зависимости от вида топлива.
Горючими веществами считаются те, которые в присутствии окислителя способны возгораться. В зависимости от свойств различают несколько видов топлива. Если вещество не может самостоятельно гореть в присутствии окислителя, то их называют негорючими. А вещества, способные гореть исключительно в присутствии источника огня, принято называть трудногорючими веществами. И лишь те вещества, которые могут продолжать самостоятельно гореть даже после удаления источника огня, называются горючими веществами. Горючие вещества могут быть практически в любом агрегатном состоянии. Практически во всех веществах, обладающих прекрасными горючими свойствами, содержится некоторое количество химических примесей. Именно эти примеси и отвечают за цвет, которым будет обладать огонь после возгорания.
Так привычным оранжевым цветом обладает древесина, в то время, как красный цвет пламени появляется при сгорании кальция или лития. А для создания желтого необходимо использовать в качестве топлива горючее вещество с высоким содержанием натрия. Благородным голубым цветом характеризуется при горении природный газ, синий – если в топливе присутствует селен. Придает огню белый цвет присутствие в топливе титана или алюминия. Огонь становится фиолетово-розовым под воздействием калия, а под воздействием молибдена, сурьмы, меди, бария или фосфора – зеленым.
– устойчивая цепная реакция, включающая горение , которое представляет собой экзотермическую реакцию, в которой окислитель, обычно кислород, окисляет горючее, обычно углерод, в результате чего возникают продукты сгорания, такие как диоксид углерода, вода, тепло и свет. Типичный пример – горение метана:
CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O
Тепло, возникающее при горении, может использоваться для питания самого горения, и в случае, когда этого достаточно и дополнительной энергии для поддержания горения не требуется, возникает огонь. Чтобы остановить огонь, можно удалить горючее (отключить горелку на плите), окислитель (накрыть огонь специальным материалом), тепло (сбрызнуть огонь водой) или саму реакцию.
Горение, в некотором смысле, противоположно фотосинтезу , эндотермической реакции, в которую вступают свет, вода и диоксид углерода, в результате чего возникает углерод.
Есть искушение предположить, что при сжигании дерева используются углерод, находящийся в целлюлозе . Однако, судя по всему, происходит нечто более сложное . Если подвергнуть дерево воздействию тепла, оно подвергается пиролизу (в отличие от горения, не требующему кислорода), преобразующий её в более горючие вещества, такие, как газы, и именно эти вещества загораются при пожарах.
Если дерево горит достаточно долго, пламя исчезнет, но тление продолжится, и в частности дерево продолжит светиться. Тление – это неполное горение , в результате которого, в отличие от полного горения, возникает монооксид углерода .
Повседневные объекты постоянно излучают тепло, большая часть которого находится в инфракрасном диапазоне. Его длина волны больше, чем у видимого света, поэтому без специальных камер его не увидеть. Огонь достаточно ярок для того, чтобы выдавать видимый свет, хотя и инфракрасного излучения у него хватает.
Другой механизм возникновения цвета у огня – спектр излучения сжигаемого объекта. В отличие от излучения АЧТ, спектр излучения имеет дискретные частоты. Это происходит благодаря тому, что электроны порождают фотоны на определённых частотах, переходя из высокоэнергетического в низкоэнергетическое состояние. Эти частоты можно использовать для определения присутствующих в пробе элементов. Схожая идея (использующая спектр поглощения) используется для определения состава звёзд. Спектр излучения также отвечает за цвет фейерверков и цветного огня .
Форма пламени на Земле зависит от гравитации. Когда огонь разогревает окружающий воздух, происходит конвекция : горячий воздух, содержащий, помимо прочего, горячую золу, поднимается, а холодный (содержащий кислород), опускается, поддерживая огонь и придавая пламени его форму. При низкой гравитации, к примеру, на космической станции, этого не происходит. Огонь питается диффузией кислорода, поэтому горит медленнее и в виде сферы (поскольку горение происходит только там, где огонь соприкасается с содержащим кислород воздухом. Внутри сферы кислорода не остаётся).
Мы подсчитываем распределение частот в фотонном газе при температуре T. То, что оно совпадает с распределением частот фотонов, испускаемых абсолютно чёрным телом той же температуры, следует из закона излучения Кирхгофа . Идея в том, что АЧТ можно привести в температурное равновесие с фотонным газом (поскольку у них одинаковая температура). Фотонный газ поглощается ЧТ, также испускающим фотоны, так что для равновесия необходимо, чтобы для каждой частоты, на которой ЧТ испускает излучение, оно и поглощало бы его с той же скоростью, что определяется распределением частот в газе.
В статистической механике вероятность нахождения системы в микросостоянии s, если оно находится в тепловом равновесии при температуре T, пропорциональна
Где E s - энергия состояния s, а β = 1 / k B T, или термодинамическая бета (Т – температура, k B - постоянная Больцмана). Это распределение Больцмана . Одно из объяснений этого дано в блогпосте Теренса Тао. Это значит, что вероятность равна
P s = (1/Z(β)) * e - β E s
Где Z(β) – нормализующая константа
Z(β) = ∑ s e - β E s
Для описания состояния фотонного газа нужно знать что-то по поводу квантового поведения фотонов. При стандартном квантовании электромагнитного поля поле можно рассматривать как набор квантовых гармонических осцилляций , каждая из которых осциллирует с разными угловыми частотами ω. Энергии собственных состояний гармонического осциллятора обозначаются неотрицательным целым n ∈ ℤ ≥ 0 , которое можно интерпретировать, как количество фотонов частоты ω. Энергии собственных состояний (с точностью до константы):
В свою очередь, квантовая нормализующая константа предсказывает, что на низких частотах (относительно температуры) классический ответ приблизительно верен, но на высоких средняя энергия экспоненциально падает, при этом падение получается большим при меньших температурах. Это происходит потому, что на высоких частотах и низких температурах квантовый гармонический осциллятор большую часть времени проводит в основном состоянии, и не переходит так легко на следующий уровень, что вероятность чего экспоненциально ниже. Физики говорят, что большая часть этой степени свободы (свободы осциллятора колебаться на определённой частоте) «замораживается».
Мы используем стандартное упрощение, что фотонный газ заключён в объём со стороной длиной в L с периодическими граничными условиями (то есть, реально это будет плоский тор T = ℝ 3 / L ℤ 3). Возможные частоты классифицируются по решениям уравнения электромагнитных волн для стоячих волн в объёме с указанными граничными условиями, которые, в свою очередь, соответствуют, с точностью до множителя, собственным значениям лапласиану Δ. Точнее, если Δ υ = λ υ, где υ(x) – гладкая функция T → ℝ, тогда соответствующее решение уравнения электромагнитной волны для стоячей волны будет
υ(t, x) = e c √λ t υ(x)
И поэтому, учитывая, что λ обычно отрицательная, и значит, √λ обычно мнимый, соответствующая частота будет равна
ω = c √(-λ)
Такая частота встречается dim V λ раз, где V λ - λ-собственное значение лапласиана.
Упрощаем мы условия при помощи объёма с периодическими граничными условиями потому, что в этом случае очень просто записать все собственные функции лапласиана. Если использовать для простоты комплексные числа, то они определяются, как
υ k (x) = e i k x
Где k = (k 1 , k 2 , k 3) ∈ 2 π / L * ℤ 3 , волновой вектор . Соответствующее собственное значение лапласиана будет
λ k = - | k | 2 = - k 2 1 - k 2 2 - k 2 3
Соответствующей частотой будет
И соответствующей энергией (одного фотона этой частоты)
E k = ℏ ω k = ℏ c |k|
Здесь мы аппроксимируем вероятностное распределение по возможным частотам ω k , которые, строго говоря, дискретны, непрерывным вероятностным распределением, и подсчитываем соответствующую плотность состояний g(ω). Идея в том, что g(ω) dω должна соответствовать количеству доступных состояний с частотами в диапазоне от ω до ω + dω. Затем мы проинтегрируем плотность состояний и получим окончательную нормализующую константу.
Почему эта аппроксимация разумна? Полную нормализующую константу можно описать следующим образом. Для каждого волнового числа k ∈ 2 π / L * ℤ 3 существует число n k ∈ ℤ ≥0 , описывающее количество фотонов с таким волновым числом. Общее количество фотонов n = ∑ n k конечно. Каждый фотон добавляет к энергии ℏ ω k = ℏ c |k|, из чего следует, что
Z(β) = ∏ k Z ω k (β) = ∏ k 1 / (1 - e -βℏc|k|)
По всем волновым числам k, следовательно, его логарифм записывается, как сумма
Log Z(β) = ∑ k log 1 / (1 - e -βℏc|k|)
И эту сумму мы хотим аппроксимировать интегралом. Оказывается, что для разумных температур и больших объёмов подынтегральное выражение меняется очень медленно с изменением k, поэтому такая аппроксимация будет весьма близкой. Она перестаёт работать только при сверхнизких температурах, где возникает конденсат Бозе-Эйнштейна .
Плотность состояний вычисляется следующим образом. Волновые векторы можно представить в виде равномерных точек решётки, живущих в «фазовом пространстве», то есть, количество волновых векторов в некоем регионе фазового пространства пропорционально его объёму, по крайней мере, для регионов, крупных по сравнению с шагом решётки 2π/L. По сути, количество волновых векторов в регионе фазового пространства равно V/8π 3 , где V = L 3 , наш ограниченный объём.
Остаётся вычислить объём региона фазового пространства для всех волновых векторов k с частотами ω k = c |k| в диапазоне от ω до ω + dω. Это сферическая оболочка толщиной dω/c и радиусом ω/c, поэтому её объём
2πω 2 /c 3 dω
Поэтому плотность состояний для фотона
G(ω) dω = V ω 2 / 2 π 2 c 3 dω
На самом деле эта формула в два раза занижена: мы забыли учесть поляризацию фотонов (или, что эквивалентно, спин фотона), которая удваивает количество состояний для данного волнового числа. Правильная плотность:
G(ω) dω = V ω 2 / π 2 c 3 dω
То, что плотность состояний линейна в объёме V работает не только в плоском торе. Это свойство собственных значений лапласиана по закону Вейла . Это значит, что логарифм нормализующей константы
Log Z = V / π 2 c 3 ∫ ω 2 log 1 / (1 - e - βℏω) dω
Производная по β даёт среднюю энергию фотонного газа
< E > = - ∂/∂β log Z = V / π 2 c 3 ∫ ℏω 3 / (e βℏω - 1) dω
Но для нас важно подынтегральное выражение, дающее «плотность энергий»
E(ω) dω = Vℏ / π 2 c 3 * ω 3 / (e βℏω - 1) dω
Описывающее количество энергии фотонного газа, происходящее от фотонов с частотами из диапазона от ω до ω + dω. В итоге получилась форма формулы Планка, хотя с ней нужно немного поиграть, чтобы превратить в формулу, относящуюся к АЧТ, а не к фотонным газам (нужно поделить на V, чтобы получить плотность в единице объёма, и проделать ещё кое-что, чтобы получить меру излучения).
У формулы Планка есть два ограничения. В случае, когда βℏω → 0, знаменатель стремится к βℏω, и мы получаем
E(ω) dω ≈ V / π 2 c 3 * ω 2 /β dω = V k B T ω 2 / π 2 c 3 dω
Теги: Добавить метки
Проведя этот несложный опыт, ты убедишься, что без кислорода пламя гаснет. Возьми свечу и укрепи ее на тарелке. Попроси взрослых зажечь свечу, затем накрой ее стеклянной банкой. Через некоторое время ты увидишь, что пламя погасло, так как кислород в банке закончился.
Пламя образуется при горении веществ, находящихся в различных состояниях - они могут быть, и твердыми, и жидкими, и даже газообразными. Образуется пламя только при наличии горючего вещества, кислорода и тепла. Рассмотрим процесс на примере спички: сера и сама спичка, являются горючим веществом, трение о коробок; энергия, возникающая в результате трения - становится теплом, и входя в реакцию с кислородом - спичка начинает гореть. Дунув на горящую спичку, температура снижается и горение прекращается.
Для измерения температуры используют разные шкалы. Каждая шкала носит имя своего создателя: Цельсия, Фаренгейта, Кельвина и Ранкина. В большинстве стран пользуются шкалой Цельсия (°С).
Вот некоторые примеры температур:
250 °С — температура возгорания древесины;
100 °С — температура кипения воды;
37 °С — температура человеческого тела;
О °С — температура замерзания воды;
- 39 °С — температура затвердевания ртути;
- 273 °С — абсолютный нуль температура, при которой атомы перестают двигаться.
Дым, пепел и сажа это продукты горения. Когда вещество сгорает, оно не исчезает, а превращается в другие вещества и тепло.
Пламя имеет удлиненную форму, потому что горячий воздух, более легкий, чем холодный, устремляется вверх.
Вещества, сгорающие в присутствии кислорода с выделением большого количества тепла, называются горючими и используются для производства разного вида энергии. Древесина и уголь — это твердое горючее. Бензин, солярка и керосин — жидкое горючее, его получают из нефти. Природный газ, состоящий из метана, этана, пропана и бутана, — газообразное топливо.
