Forumul Scientia

Fizică, astronomie şi aerospaţiale => Gedankenexperiment (experimente imaginare) => Subiect creat de: Electron din Decembrie 04, 2007, 12:33:40 p.m.

Titlu: [1] Apa din cilindru in vid
Scris de: Electron din Decembrie 04, 2007, 12:33:40 p.m.
Salutari,

Ma gandeam sa propunem aici o serie de "experimente teoretice", nu neaparat experimente care nu se pot face practic, dar care sa fie "dezbatute" si analizate teoretic, calitativ si nu cantitativ, pentru a "antrena neuronii" celor pasionati de fenomenele fizice, ciudate sau banale.

Voi incepe eu cu unul, dar oricine are o idee interesanta e invitat(a) sa participe cu idei noi. De asemenea, ideal ar fi sa analizam un experiment o data, iar cand am terminat cu unul sa ne apucam de urmatorul. (O alta solutie ar fi sa avem o categorie speciala pentru acestea, si sa pornim un topic pentru fiecare experiment, dar asta e decizie de luat de catre un admin).


Asadar, eu propun pentru inceput urmatoarea situatie:

Intr-un container din material izolator termic in forma camera cu piston, punem APA distilata la temperatura camerei, sa zicem 22 de grade celsius. (Nu e esentiala temperatura exacta, ci faptul ca nu e nici foarte aproape de 0 ºC nici de 100 ºC). De asemenea, presiunea atmosferica e Normala.
Containerul este inchis ermetic, si contine doar APA, adica pistonul e in contact total cu apa din camera interioara.
Fiind vorba de o camera cu piston, volumul ei este deci variabil. In plus, pistonul nu este fixat, el se poate misca liber de-a lungul axei cilindrului, si poate chiar iesi complet din cilindru, neavand nici un mecanism care sa-l impiedice sa iasa.
Sa nu uit, containerul este prevazut cu o sursa de caldura (un termostat), care mentine temperatura constanta, egala cu cea initiala.
Acum vine intrebarea:
Daca transportam containerul in spatiul cosmic, intr-o zona unde campul gravitational este neglijabil, si vidul poate fi considerat "perfect", ce se va intampla cu apa din interior?
(pentru inceput neglijam fortele de adeziune a apei cu peretii camerei si cu pistonul, imaginati-va ca e un material special "uleios" ;) )

Ia sa vedem ce idei aveti! (Daca e nevoie de lamuriri pentru a clarifica anumite conditii ale experimentului pe care nu le-am explicat destul de clar, intrebarile sunt binevenite) :)

e-
Titlu: Re: Experimente teoretice
Scris de: Adi din Decembrie 05, 2007, 04:37:54 a.m.
Super idee, Electron. Deocamdata sa discutam problema asta aici si daca ideea prinde, facem un "board" special pentru asta. O sa revin curand cu un raspuns, acum sunt pe drum spre Europa :).
Titlu: Re: Experimente teoretice
Scris de: Electron din Decembrie 05, 2007, 09:54:06 a.m.
Hey, drum bun! :)

Nu e prea devreme pentru Sarbatorile de Craciun? :P

e-
Titlu: Re: Experimente teoretice
Scris de: Adi din Decembrie 06, 2007, 09:09:54 p.m.
Inainte de sarbatori, voi petrece doua saptamani facand prezentari de fizica particulelor la licee din tara, voi incepe subiecte de discutii unde elevii sa ofere feedback la astea, precum si intrebari ce le vin in minte dupa discutie.
Titlu: Re: Experimente teoretice
Scris de: Electron din Decembrie 06, 2007, 10:07:17 p.m.
Psst, intr-o pauza de prezentare despre "abstractele" particule, intreaba-i si despre alte lucruri, cum ar fi anumite experimente teoretice ...  ;D

e-
Titlu: Re: Experimente teoretice
Scris de: Adi din Decembrie 06, 2007, 11:10:31 p.m.
Vezi ca azi apare al doilea podcast, cel facut de stiinta.info. Cauta la stiinta.info.
Titlu: Re: Experimente teoretice
Scris de: Electron din Decembrie 06, 2007, 11:57:35 p.m.
Are legatura cu topicul acesta, sau faci doar "spam" ?  ???

e-
Titlu: Re: Experimente teoretice
Scris de: Adi din Decembrie 07, 2007, 06:03:07 a.m.
Amandoi am cam deviat, dar doar pe jumatate. Voiam sa zic ca elevilor le voi zice de al doilea podcast intai, apoi le voi zice de "gedanken experiment" de aici de pe forum.
Titlu: Re: Experimente teoretice
Scris de: Electron din Decembrie 13, 2007, 06:50:04 p.m.
Wow, o noua categorie pentru Gedankenexperiment! Multumesc Mr. Admin ;)

Acum sa vedem cine poate "intui" ce se intampla cu recipientul plin de apa in spatiu ... :)

e-
Titlu: Re: Experimente teoretice
Scris de: Adi din Decembrie 13, 2007, 11:42:50 p.m.
Intr-un container din material izolator termic in forma camera cu piston, punem APA distilata la temperatura camerei, sa zicem 22 de grade celsius. (Nu e esentiala temperatura exacta, ci faptul ca nu e nici foarte aproape de 0 ºC nici de 100 ºC). De asemenea, presiunea atmosferica e Normala.
Containerul este inchis ermetic, si contine doar APA, adica pistonul e in contact total cu apa din camera interioara.
Fiind vorba de o camera cu piston, volumul ei este deci variabil. In plus, pistonul nu este fixat, el se poate misca liber de-a lungul axei cilindrului, si poate chiar iesi complet din cilindru, neavand nici un mecanism care sa-l impiedice sa iasa.
Sa nu uit, containerul este prevazut cu o sursa de caldura (un termostat), care mentine temperatura constanta, egala cu cea initiala.
Acum vine intrebarea:
Daca transportam containerul in spatiul cosmic, intr-o zona unde campul gravitational este neglijabil, si vidul poate fi considerat "perfect", ce se va intampla cu apa din interior?
(pentru inceput neglijam fortele de adeziune a apei cu peretii camerei si cu pistonul, imaginati-va ca e un material special "uleios" ;) )

Acesta camera este asezata vertical? Adica pistonul este orizontal? Pistonul are masa? Sub efect gravitational (pe Terra), presiunea actioneaza doar in jos, nu asupra pistonului, care este deasupra. In spatiu (cu camp gravitational neglijabil) nu exista nici o presiune (p=ro ori g ori h, si acolo g=0). Asadar pistonul nu s-ar misca. Daca transportul ar fi cu viteza constanta.

Daca in loc de apa lichida ar fi gaz, atunci s-ar produce o deplasare a pistonului cu acceleratie din ce in ce mai mica, dar niciodata zero, pentru ca gazul are o presiune independent de gravitatie.
Titlu: Re: Experimente teoretice
Scris de: HarapAlb din Decembrie 14, 2007, 06:41:45 p.m.
Avand in vedere ca cilindrul este izolat termic si se afla la o temperatura constanta, apa va schimba energie cu exteriorul doar sub forma de lucru mecanic (va suferi doar transformari izoterme, cel putin daca pistonul nu iese din cilindru).

Diferenta de presiune ce apare ca urmare a plasarii cilindrului in vid va produce o forta ce tinde sa scoata pistonul din cilindru. Insa, cum in interiorul cilindrului avem numai apa, i se va opune atractia intre moleculele de apa. Pentru a putea fi scos lucrul mecanic aparut in urma modificarii presiunii va trebui sa invinga fortele dintre moleculele de apa. Problema ar fi ca apa este un lichid incompresibil, pe de alta parte daca "tragi" de molecule cu suficienta forta apa s-ar vaporiza instantaneu.

 Pentru a obtine un raspuns la intrebarea ta va trebui sa precizam conditiile experimentale in care are loc variatia de presiune (de la presiune atmosferica la vid). Voi reveni cu o analiza.
Titlu: Re: Experimente teoretice
Scris de: Electron din Decembrie 14, 2007, 07:26:21 p.m.
De acord: precizari necesare:

Umplerea cilindrului se face in conditii normale de presiune, la o temperatura pe care am precizat-o a fi in jurul a 22ºC. O data pistonul plasat in cilindru, astfel incat sa fie eliminat aerul din camera interioara (avem deci doar apa), el este fixat la locul lui.

In aceste circumstante, in care temperatura e constanta si pistonul nu se poate misca, cilindrul e transportat in spatiul exterior, unde sunt conditii de vid si gravitatie neglijabila. In acest moment, mecanismul (sau forta) care tinea fix pistonul este inlaturat (instantaneu), astfel incat e liber sa se miste in caz de "nevoie".

Asadar, ce se intampla, se misca pistonul? Daca nu, de ce? Daca da, in ce directie si din ce cauza? :)

e-
Titlu: Re: Experimente teoretice: [1] Apa din cilindru in vid
Scris de: HarapAlb din Decembrie 15, 2007, 01:07:07 a.m.
Cum in cilindru nu este aer, am putea modela apa ca un resort (arc) avand o constanta de elasticitate k. La presiune normala avem echilibru: deformarea resotului fiind egala cu forta exercitata de presiunea atmosferica (eventual plus greutatea pistonului daca vreti). k*x0=S*p0 (S suprafata pistonului).

Problema este cum calculam lucrul mecanic exercitat asupra pistonului cam mutam ciclindrul in vid. In termodinamica se calculeaza dupa formula L=Vf*pf-Vi*pi (i si f reprezinta valorile initiale si finale ale volumului si presiunii), dar in cazul nostru nu este vorba de destinderea unui gaz propriu-zis pentru ca Vi si Vf sunt infinite, iar pf=0.

In privinta experimentului propus de tine cilindrul ar putea fi urcat in spatiu insa in contact cu atmosfera terestra. Astfel presiunea se va modifica continuu pana cand ajunge la zero si cum sistemul se afla la echilibru (urcarea lui s-a facut suficient de incet) apa ar trebui sa ramana in cilindru dar sa se destinda pentru a se adapta conditiei de presiune zero. Prin urmare pistonul se deplaseaza cu x0.

Lucrurile se schimba daca sa zicem transportam cilindrul intr-un recipient inchis (la presiune atmosferica) si il deschidem in spatiu unde practic avem vid. Ar fi destinderea aerului aflat in recipient de la un volum finit la un volum infinit. Depinzand de cantitatea de lucru mecanic obtinut apa ar putea fi vaporizata instantaneu (datorita ruperii legaturilor dintre molecule) si pistonul sa iasa din cilindru. Merita studiata putin si situatia asta, lucrul mecanic ar trebui calculat cu ajutorul unei limite. Voi incerca sa fac niste calcule, daca va intereseaza le pot include ca fisier imagine.

Titlu: Re: Experimente teoretice
Scris de: Adi din Decembrie 15, 2007, 09:18:14 p.m.
De acord: precizari necesare:

Umplerea cilindrului se face in conditii normale de presiune, la o temperatura pe care am precizat-o a fi in jurul a 22ºC. O data pistonul plasat in cilindru, astfel incat sa fie eliminat aerul din camera interioara (avem deci doar apa), el este fixat la locul lui.

In aceste circumstante, in care temperatura e constanta si pistonul nu se poate misca, cilindrul e transportat in spatiul exterior, unde sunt conditii de vid si gravitatie neglijabila. In acest moment, mecanismul (sau forta) care tinea fix pistonul este inlaturat (instantaneu), astfel incat e liber sa se miste in caz de "nevoie".

Asadar, ce se intampla, se misca pistonul? Daca nu, de ce? Daca da, in ce directie si din ce cauza? :)

e-

Nu inteleg notiunea de presiune negravitationala pentru lichid. In un lichid presiunea creste cu adancinea dupa formula p=ro ori g ori h. Asupra pistonului nu actioneaza in sus nici o forta cat este pe Terra. Cand este in spatiu si pistonul e liber, cum nu actioneaza nici o forta asupra lui, pistonul nu se va misca.
Titlu: Re: Experimente teoretice
Scris de: Electron din Decembrie 16, 2007, 12:23:45 a.m.
Nu inteleg notiunea de presiune negravitationala pentru lichid. In un lichid presiunea creste cu adancinea dupa formula p=ro ori g ori h. Asupra pistonului nu actioneaza in sus nici o forta cat este pe Terra. Cand este in spatiu si pistonul e liber, cum nu actioneaza nici o forta asupra lui, pistonul nu se va misca.
Vezi, tocmai aici e partea non-intuitiva. Adica, experimentul nu e atat despre pistonul mobil, ci despre APA din cilindru. Situatia exceptionala este data de faptul ca in final (in momentul in care "deblocam" pistonul), avem apa intr-un spatiu inchis (dar de volum variabil), la o temperatura fixa, si la o presiune practic ZERO. Ce se intampla cu apa?

HarapAlb propune o "vaporizare instantanee" bazata pe lucrul mecanic "inmagazinat". Sa vedem ce analiza ne pregateste. Repet insa, ideea e sa facem o analiza calitativa, si nu cantitativa. Expunand principiile folosite poate fi mai util decat calcule detaliate. ;)

Eu insa ma gandesc la alta explicatie pentru comportamentul apei. In curand voi expune aici punctul meu de vedere. Pana atunci, sa vedem ce ipoteze se mai propun. :)

e-
Titlu: Re: Experimente teoretice: [1] Apa din cilindru in vid
Scris de: Adi din Decembrie 16, 2007, 12:56:09 a.m.
Raman la ipoteza mea, apa ramane apa. Nu apasa cu nici o presiune asupra pistonului. Pe langa raspunsul tau, pe care il asteptam, ai si varianta "corecta"?
Titlu: Re: Experimente teoretice: [1] Apa din cilindru in vid
Scris de: HarapAlb din Decembrie 16, 2007, 09:00:21 p.m.
Am reusit sa incropesc un rationament in privinta experimentului propus de Electron. In primul rand trebuie precizat ca ar fi doua modalitati de realizare, fiecare cu rezultate diferite, dupa cum vom vedea. Nu stiu la s-a gandit intial electron cand a zis ca cilindrul se duce in spatiu.... Avem urmatoarele situatii:


A) apa pusa in cilindru asa cum s-a descris. Asupra pistonului actioneaza presiunea atmosferica si consideram apa ca un lichid compresibil (chiar daca foarte putin); apa se poate modela ca un resort cu constanta de elasticitate k foarte mare. In permanenta pistonul se afla in contact cu atmosfera Pamantului. Daca se urca cilindrul in spatiu, dar tinandu-l in contact cu atmosfera practic presiunea exterioara scade la zero si pistonul s-ar deplasa in sus, chiar daca foarte foarte putin (s-ar putea face niste estimari daca sunteti interesati). Situatia este prezentata in Figura A.


B) putem considera situatia urmatoare: cilindrul este inchis intr-o naveta la presiune atmosferica normala si odata ajuns in spatiu s deshide hubloul navetei. Ideea este ca aerul aflat in interiorul navei se va destinde de la un volum initial V0 si presiune initiala p0 la un volum final infinit si presiune zero (asta pentru ca suntem in spatiu liber si avem vid). Se considera un sistem format din aerul din naveta si cilindrul cu apa pentru care se scrie legea conservarii energiei, am atasat o imagine cu calcule. La final pistonul se deplaseaza datorita destinderii aerului din naveta, deplasarea ce depinde de presiunea p0 si volumul V0. Daca p0 si V0 sunt suficient de mici atunci nu exista energie suficienta pentru a despreinde moleculele de apa unele de altele; insa daca modificam conditiile initiale (marim suficient volumul V0, punem mai putina apa, sau utiliand un lichid volatil) poate ca s-ar obtine energie suficienta pentru vaporizarea apei. in principiu vaporizarea ar trebui sa functioneze.... am putea face niste estimari...


ce parere aveti ? :)
Titlu: Re: Experimente teoretice: [1] Apa din cilindru in vid
Scris de: Adi din Decembrie 16, 2007, 09:29:06 p.m.
Bune rationamente, si inca detaliate, Harap Alb. Din cate inteleg eu, insa, apa este tratata ca un lichid incompresibil (cazul tau a) trateaza cazul in care apa ar fi lichid compresibil) si nu se deschid brusc hublourile navei astfel incat aerul din nava sa iese afara si sa traga dupa ele pistonul ci instantaneu containerul cu apa si pistornul trec de la presiunea mediului p0 la presiune zero. Eu zic ca nu se intampla nimic. Electron trebuie sa defineasca mai bine conditiile, caci tu ai exemplificat foarte bine, dar eu cred ca nu alea erau conditiile problemei.
Titlu: Re: Experimente teoretice: [1] Apa din cilindru in vid
Scris de: Electron din Decembrie 16, 2007, 10:10:05 p.m.
HarapAlb, multumesc pentru interesul aratat fata de experiment. :) Promit sa analizez maine in detaliu rezolvarile propuse (ca sa pot comenta pe ele  ;D).
De asemenea, o sa incerc sa formulez mai precis conditiile, pentru ca vad ca apar ambiguitati.

E foarte bine sa facem analize pentru mai multe cazuri, dar ca norma generala recomand sa se puna intrebari pentru conditiile neclare, pentru a ne putea concentra pe "un experiment o data". ;)

De asemenea, voi prezenta varianta "rezlolvarii" mele, si pentru ca Adi are dubii, eu sunt sigur ca solutia mea e corecta, ca doar nu as propune una pe care o cred gresita.  ::) Daca voi o veti accepta ca si corecta, e alta poveste. Eu voi propune argumentele mele si voi le veti judeca, dar atrag atentia ca nici nu am facut un asemenea experiment practic, nici nu sunt vreun expert in domeniu. Dezbaterea ideilor e ceea ce conteaza, nu?

Pe curand, acum sunt nevoit sa ma deconectez ...

e-
Titlu: Re: Experimente teoretice: [1] Apa din cilindru in vid
Scris de: Adi din Decembrie 16, 2007, 11:15:27 p.m.
Sigur, Electron, asteptam si varianta ta acum.
Titlu: Re: Experimente teoretice: [1] Apa din cilindru in vid
Scris de: HarapAlb din Decembrie 17, 2007, 11:26:49 a.m.
 Scuzati calitatea pozelor, nu este vorba de hartie igienica si de faptul ca sunt niste poze (nu scan-uri)  :)

 Experimentele de termodinamica nu sunt triviale. Nu conteaza ca nu ai precizat toate conditiile de desfasurare a experimentului, faptul asta ne permite sa diversificam analiza si sa cautam raspunsuri la mai multe intrebari. Ambiguitatile (in cazul nostru ar fi volumul care creste la infinit sau presiunea care scade la zero) sunt relative in fizica in sensul ca trebuie sa vedem cum se pot elimina fara a altera esenta fenomenului (in cazul nostru ar fi repetarea experimentului cu un volum din ce in ce mai mare, iar rezultatul experimentului, deplasarea pistonului, sa tinda catre o valoare finita).
Titlu: Re: Experimente teoretice: [1] Apa din cilindru in vid
Scris de: Adi din Decembrie 17, 2007, 12:38:34 p.m.
De acord ca o intrebare definita vag duce la raspunsuri la diverse intrebari, dar asta nu e rau, ci e bine, ne face sa analizam exhaustiv si sa ne gandim la lucruri la care nu ne intrebasem prima data. Apoi, o calitate a fizicianului trebuie sa fie sa isi puna el intrebarea corecta si mai precis: de ce am nevoie sa stiu pentru a rezolva aceasta problema. Fizicianul rus Kapitza propunea subiecte de admitere la academia rusa, si punea subiete de genul: ce s-ar intampla daca Luna ar fi facuta din branza? Si de aici te gandeai la toate fenomenele ...
Titlu: Re: Experimente teoretice: [1] Apa din cilindru in vid
Scris de: Electron din Decembrie 17, 2007, 02:51:25 p.m.
Voi detalia in continuare trei puncte:
1)   Explicatia cat mai precisa a conditiilor experimentului propus, pentru a putea decide asupra corectitudinii solutiilor. Fiecare set de conditii produce in mod normal solutii diferite.
2)   Solutia propusa de mine pentru conditiile de la punctul 1)
3)   Comentariile asupra solutiilor propuse (Adi si HarapAlb), atat in conditiile de la punctul 1) cat si in celelalte conditii propuse.


1)   Pentru a duce la capat acest experiment, avem nevoie de urmatoarele materiale:

a)   un recipient cilindric prevazut cu un piston etans, care se poate misca fara frecare in interior, variind astfel volumul interior. Cilindrul este prevazut cu un termostat si o sursa de caldura care permite mentinerea lui la temperatura constanta. Initial am spus ca pistonul nu e fixat in nici un fel, dar pe urma am precizat ca pentru a transporta cilindrul exita un mecanism care permite fixarea lui intr-o pozitie data. In plus, materialul din care e facut cilindrul si pistonul sunt alese in asa fel incat aderenta apei cu peretii e neglijabila.
b)   Apa distilata (ca sa evitam problemele legate de impuritati)
c)   O nava spatiala care sa duca cilindrul, o data pregatit, in spatiu exterior, unde gravitatia e neglijabila si vidul practic perfect.
d)   o persoana care sa „manipuleze” cilindrul ;)

Ok, deci, aflat pe Pamant, in conditii normale de presiune, si la approximativ 22ºC, cilindrul e umplut partial cu apa, si pistonul plasat in asa fel incat sa nu ramana aer in interior. Termostatul este fixat la temperatura actuala. In acest moment pistonul e fixat in mod solid.
Cilindrul este transportat cu nava spatiala in spatiul exterior, si este eliberat in afara navei. Pistonul fiind fixat, deocamdata, din punctul de vedere al apei, nimic nu s-a schimbat (in afara de disparitia campului gravitational).
Acum, prin telecomanda, mecanismul care blocheaza pistonul e deblocat si instantaneu pistonul devine „liber”, sub actiunea apei din interior si a vidului din exterior.
Ce se intampla cu apa?

- - -

2)   Pentru solutionarea „misterului”, am folosit urmatoarele observatii:

a)   Vaporizarea lichidelor in general, si a apei in particular este influentata de doi factori, temperatura si presiune. Am gasit pe net o imagine care explica schematic diagrama de faze a apei (http://www.cbu.edu/~mcondren/water-phase-diagram.jpg), adica realtia dintre faza (solid/lichid/vapor) apei si cei doi parametri, temperatura si presiune.
b)   Chiar si la temperatura de 22ºC, pe Pamant, daca atmosfera e „uscata”, apa dintr-un pahar se vaporizeaza, deoarece agitatia termica produce micare in moleculele de apa, si ocazional unele executa „salturi”, scapand din masa de lichid, atata timp cat umiditatea din exterior nu produce fenomenul invers cu acceeasi viteza (influenta vaporilor saturati de la suprafata lichidului).

Asadar, in conditiile propuse de experiment, avem apa la o temperatura care, in atmosfera normala a Pamantului e lichid, iar la presiune foarte mica e vapor. (De aici partea non-intuitiva).
Ca atare, raspunsul „simplu” e ca apa se vaporizeaza „instantaneu” in momentul in care pistonul e „eliberat”, si o face printr-o autentica „explozie”, data fiind variatia de volum intre lichid si vapori.

Rationamentul meu este urmatorul: chiar si in volum inchis, moleculele, la temperatura experimentului, au tendinta de a iesi ocazional din volumul lichid, si ca atare vor „iminge” peretii cu o forta non zero, care apropo, nu are de-a face cu presiunea hidrostatica, pentru ca nu avem camp gravitational. Ca atare, pistonul liber va fi expulzat si apa la o temperatura mult prea mare pentru presiunea data (practic zero) va „fierbe” brusc si va impinge pistonul cu mare forta in afara.

Ca experiment ajutator, am imaginat urmatoarea situatie:
In interiorul navei cosmice, in lipsa campului gravitational, dar la presiune normala, si la 22ºC, astronautul face urmatorul experiment:
Din tubul de apa de care dispune, produce o picatura care, ca o frumoasa sfera transparenta, va pluti in interiorul navei. Data fiind forta de adeziune a moleculelor de apa, suprafata e sferica fiind cauzata de tensiunea superficiala care tinde sa minimizeze suprafata „exterioara”. Pana aici, nimic extra-ordinar ;)
Acum, astronautul inchide picatura intr-un recipient transparent (pentru a vedea ce se intampla) care se poate inchide etans, dar are cateva orificii prin care aerul din interior se poate pompa in afara, fara a produce curenti de aer prea mari in interior. Bun, o data picatura prizoniera, scoate incet incet aerul din interior, scazand astfel presiunea din ce in ce mai mult. La un moment dat, presiunea scade pana la valoarea la care, pentru temperatura de 22ºC, apa incepe sa se vaporizeze (adica sa fiarba). Altfel spus, egitatia moleculelor invinge fortele de adeziune si ele „scapa” din picatura. Ca atare, la aceasta presiune, picatura se „dizolva” din ce in ce pana dispare si raman doar vapori. Daca presiunea e scazuta inca si mai tare, pana picatura nu a disparut, ea va „exploda” pentru ca la acea presiune, si la temperatura data, ea „a fiert” deja.

Care e diferenta cu „picatura” in volum inchis, fara aer (situatia din cilindru)? Pai, la presiune zero si temperatura „inalta”, ea va fierbe, dar nu va avea loc sa se extinda daca pistonul e inca fix. Dar, cand pistonul e eliberat, prima molecula care impinge pistonul inspre afara produce literalmente explozia. :)

De remarcat ca in toata aceasta analiza, adeziunea cu peretii si „compresibilitatea” apei (pentru ca ea sa se comporte ca un „resort”) a fost neglijata, deoarece parerea mea este ca efectele „fierberii” sunt mult superioare fata de acestea, si ca atare le-am neglijat in analiza calitativa. Intr-o analiza cantitativa precisa, termenii acestia ar trebui mentinuti si verificat daca intr-adevar contributia lor e neglijabila sau nu.

Asta e, daca am dreptate, ideea se poate folosi pentru a construi pistoale ecologice pentru bataliile in spatiu. :D

- - -

3)   Solutia lui Adi: „apa ramane apa” o consider eronata, pentru ca se intelege din asta ca apa ramane lichida (ambiguitatea termenilor astia ... :P). Am dat motivele pentru care consider ca la presiune mica apa „explodeaza” in vapori.

 Solutia lui HarapAlb ia in considerare efectul de „resort” pe care eu l-am neglijat, dar neglijeaza diagrama de faze a apei, pe care eu o consider principalul „jucator”.
Mai trebuie sa admit ca unele din formulele din a treia pagina a lui HarapAlb ma depasesc deja, deoarece toata istoria cu transformarile adiabatice a ramas in urma mea cam de mult. Ca atare, nu comentez nimic despre „corectitudinea” lor, ci doar afirm ca relevanta lor in acest caz poate fi discutata.

Cat despre aceste solutii in conditiile in care „volumul de aer din camera in care se afla cilindrul creste mai mult sau mai putin brusc", astfel incat presiunea sa scada in consecinta va intarzia doar efectul si eventual „violenta” exploziei apei.

- - -

Astept contra-argumente si sper sa invatam cu totii cate ceva din aceste „experimente teoretice”.

e-
Titlu: Re: Experimente teoretice: [1] Apa din cilindru in vid
Scris de: HarapAlb din Decembrie 17, 2007, 05:52:25 p.m.
 Bravo! Sunt de acord in ceea ce priveste evaporizarea apei. Dupa ce primele molecule imping pistonul (fara frecari, piston fara masa, lichid care nu adera la piston), vaporii astfel formati se vor destine scotand pistonul din cilindru.

Diagrama de faza a apei mi-a scapat  :-[

Modelarea apei ca un resort este doar un detaliu. Formulele acelea a trebuit sa le scriu pentru a vedea ce se intampla in cazul B, altfel ne loveam de o nedeterminare (gaz care se destinde in volum infinit). De fapt, cand se destinde aerul din recipientul meu, energia pierduta o primeste apa din cilindru favorizand/accelerand astfel vaporizarea. Oricum, astea nu influenteaza analiza ta.


PS: asta parca-i problema de la olimpiada de fizica pe judet... de nu stiam de unde s-o apuc  ;D
Titlu: Re: Experimente teoretice: [1] Apa din cilindru in vid
Scris de: Adi din Decembrie 20, 2007, 09:59:44 p.m.
Apreciez raspunsul detaliat, Electron, dar nu am timp sa il vad acum. Am avut trei prezentari la trei licee din Bucuresti, dar cand o sa am timp sa studiez in detaliu voi studia si voi vedea daca apa se evapora sau "ramane apa" (adica daca ramane lichida). Dar da, cum zicea si HarapAlb, e o problema dificila si frumoasa, in sensul ca ne gandeam la tot felul de ipoteze si conditii ...
Titlu: Re: [1] Apa din cilindru in vid
Scris de: ionut din Iunie 02, 2008, 06:36:35 p.m.
    Buna,

     Imi pare rau ca postez asa tarziu, dar eu nu sunt de acord, cel putin momentan, cu Electron. El propune ideea ca moleculele vecine cu pistonul vor impinge pistonul cu ajutorul miscarii lor termice. Cred ca pot face asta, dar doar pe distante foarte scurte, pentru ca, daca va impinge pistonul prea mult atunci isi modifica volumul si atractia moleculara isi va spune cuvantul.
     Inca ceva, cred ca experimentul se poate face si pe Pamant, indeajuns de bine incat sa obtinem o solutie calitativa la problema. Imaginati-va acel cilindru pe care il umplem cu apa si pistonul pus deasupra apei in asa fel incat sa nu mai ramana nici un pic de aer in interior. Pistonul se considera ca inchide cilindrul perfect etans. Bun, acum sa ne imaginam ca pistonul nostru are un carlig la exterior de care putem sa tragem. Imaginati-va ca tragem de piston cu o forta care sa produca o presiune negativa de 1 atmosfera in piston. Ce ziceti? Iese pistonul? Eu nu cred. Dimpotriva, cred ca o sa fie nevoie de ceva forta ca sa reusiti asta pentru ca va trebui sa rupeti niste legaturi moleculare. De fapt si asta se poate calcula.
Titlu: Re: [1] Apa din cilindru in vid
Scris de: Electron din Iunie 02, 2008, 07:08:32 p.m.
    Buna,

     Imi pare rau ca postez asa tarziu,
Nu e nici o problema, dupa cum vezi topicul nu e inchis, deci oricine poate aduce contributii in continuare. :)

Citat
dar eu nu sunt de acord, cel putin momentan, cu Electron. El propune ideea ca moleculele vecine cu pistonul vor impinge pistonul cu ajutorul miscarii lor termice. Cred ca pot face asta, dar doar pe distante foarte scurte, pentru ca, daca va impinge pistonul prea mult atunci isi modifica volumul si atractia moleculara isi va spune cuvantul.
Ok, dar ai tinut cont de conditiile problemei? Solutia mea se bazeaza pe faptul ca avem apa la o temperatura mult mai mare pentru presiunea data (zero) pentru a ramane in starea lichida, deci eu deduc faptul ca "explodeaza" pentru a ajunge in starea "normala" de la acea presiune si temperatura, respectiv starea gazoasa. Daca poti arata ce o impiedica sa "explodeze" atunci va trebui sa analizam cantitativ aceste influente, dar "atractia moleculara" in acest caz eu spun ca e prea slaba data fiind temperatura apei si presiunea la care se afla(din nou: zero).


Citat
     Inca ceva, cred ca experimentul se poate face si pe Pamant, indeajuns de bine incat sa obtinem o solutie calitativa la problema. Imaginati-va acel cilindru pe care il umplem cu apa si pistonul pus deasupra apei in asa fel incat sa nu mai ramana nici un pic de aer in interior. Pistonul se considera ca inchide cilindrul perfect etans. Bun, acum sa ne imaginam ca pistonul nostru are un carlig la exterior de care putem sa tragem. Imaginati-va ca tragem de piston cu o forta care sa produca o presiune negativa de 1 atmosfera in piston. Ce ziceti? Iese pistonul? Eu nu cred. Dimpotriva, cred ca o sa fie nevoie de ceva forta ca sa reusiti asta pentru ca va trebui sa rupeti niste legaturi moleculare. De fapt si asta se poate calcula.
Interesanta propundere. Promit sa o analizez si sa raspund la "provocare" cat de curand. :)

e-
Titlu: Re: [1] Apa din cilindru in vid
Scris de: ionut din Iunie 02, 2008, 07:18:17 p.m.
   Salut Electron,

    Eu nu vad nici o diferenta (date fiind conditiile problemei) intre cilindrul aflat in vid si crearea pe Pamant a unei presiuni negative asupra cilindrului. Neglijarea greutatii pistonului si a lichidului nu cred ca modifica problema calitativ daca ne gandim ca lichidele sunt folosite in mecanica hidraulica unde acestea sunt folosite intr-o regiune de presiuni foarte larga. Diagrama de faza a apei este valabila pentru apa "libera" daca pot sa zic asa. In experimentul nostru, apa nu este in contact cu vidul si de aceea ea nu simte decat o presiune negativa de o atmosfera, care pentru lichide este "floare la ureche" daca pot sa zic asa.
Titlu: Re: [1] Apa din cilindru in vid
Scris de: Electron din Iunie 03, 2008, 11:00:52 a.m.
      Inca ceva, cred ca experimentul se poate face si pe Pamant, indeajuns de bine incat sa obtinem o solutie calitativa la problema. Imaginati-va acel cilindru pe care il umplem cu apa si pistonul pus deasupra apei in asa fel incat sa nu mai ramana nici un pic de aer in interior. Pistonul se considera ca inchide cilindrul perfect etans. Bun, acum sa ne imaginam ca pistonul nostru are un carlig la exterior de care putem sa tragem. Imaginati-va ca tragem de piston cu o forta care sa produca o presiune negativa de 1 atmosfera in piston. Ce ziceti? Iese pistonul? Eu nu cred. Dimpotriva, cred ca o sa fie nevoie de ceva forta ca sa reusiti asta pentru ca va trebui sa rupeti niste legaturi moleculare. De fapt si asta se poate calcula.
Ionut, m-am gandit la aceasta varianta, si eu spun ca s-ar putea sa ai dreptate, in functie de proprietatile lichidului in cauza. Nu stiu calitativ cum sa evaluez "rezistenta la presiuni negative" a lichidelor in general, si a apei in particular. Daca ai ceva tabele cu valori la dispozitie, as fi incantat sa le studiem aici.

Dat fiind ca in conditiile initiale propuse, camera din cilindru e ermetica si fara aer, cu o rezistenta a apei la "presiune negativa" mai mare decat o atmosfera (diferenta dinte presiunea de la care plecam, si presiunea zero din spatiul cosmic), atunci ar rezulta ca intr-adevar, apa nu "explodeaza".

Ar fi o descoperire contraintuitiva pentru mine, dat fiind faptul ca diagrama de stare a apei (in spatiu "deshchis" desigur) arata ca la presiune foarte mica (zero la limita) si temperatura "normala" (in jur de 22 ºC) apa trebuie sa fie in stare gazoasa si nu lichida. In aceste conditii, prezenta peretilor pistonului pot sa schimbe comportamentul apei, si sunt dispus sa accept acest lucru daca putem face calcule cantitative legate de aceasta rezistenta la presiuni negative pentru apa. (Aceasta rezistenta e un factor pe care  eu nu l-am luat in considerare, si inca nu stiu cum se explica, fizic  :-\)

In acest context, intrebarea pe care mi-o pun este: cat aer ar trebui sa fie in camera cilindrica, de la inceput, pentru a permite apei sa "explodeze" ? Ar fi de ajuns "o boaba microscopica" de aer? E nevoie de mai mult? E nevoie de un volum comparabil cu cel al apei ?

e-
Titlu: Re: [1] Apa din cilindru in vid
Scris de: ionut din Iunie 03, 2008, 12:27:16 p.m.
  Buna Electron,

   Promit ca o sa ma interesez. Pana atunci, o sa iti dau un exemplu de un dispozitiv folosit in fizica particulelor care seamana destul de mult cu problema noastra.
  Fizicienii din acest domeniu folosesc, sau cel putin foloseau un detector denumit si "camera cu bule". Acest detector este compus dintr-o incinta plina cu un gaz lichefiat mentinut in conditii de temperatura si presiune care ar duce la fierbere in mod obisnuit (dar nu cu mult peste punctul de fierbere). Lichidul este foarte pur si fierberea nu se declanseaza pentru ca nu exista centri de fierbere. Cand aceasta incinta este asezata intr-o arie experimentala unde au loc ciocniri nucleare la energii inalte, particulele incarcate electric generate in aceste ciocniri vor trece prin lichidul din detector, ionizeaza atomi care formeaza centri de fierbere localizati pe traiectoriile acestor particule. In acest moment se fac fotografii din mai multe directii pentru reconstruirea 3D a traselor. Aparatele de fotografiat trebuie sincronizate in asa fel incat sa se declanseze in momentul cand centrii de fierbere sunt inca localizati pentru ca acestia se impanzesc foarte repede in toata masa lichidului. Incinta aceasta este prevazuta cu un piston cu ajutorul caruia dupa fiecare eveniment fotografiat se aduce lichidul din nou in starea de la inceput pentru inregistrarea altui eveniment.
Titlu: Re: [1] Apa din cilindru in vid
Scris de: Electron din Iunie 03, 2008, 12:33:10 p.m.
Da, am auzit si eu de "camera cu bule" deoarece fotografiile obtinute cu ea sunt destul de usor de recunoscut. (Daca nu ma insel, pe manualele de clasa a XII-a pe coperta era o fotografie din asta. Acum nu stiu ce aspect au manualele de liceu... :D)

Din ce spui tu mai sus, inseamna ca de fapt starea de "presiune negativa" este instabila, si orice impuritate sau perturbatie poate produce "declansarea" fierberii. Sau inteleg eu gresit?

e-
Titlu: Re: [1] Apa din cilindru in vid
Scris de: HarapAlb din Iunie 03, 2008, 12:47:44 p.m.
(pentru inceput neglijam fortele de adeziune a apei cu peretii camerei si cu pistonul, imaginati-va ca e un material special "uleios")

 In experiment s-a presupus ca lichidul nu adera la peretii camerei si la piston. Daca trec din faza lichida in faza gazoasa suficiente molecule atunci pistonul va iesi pentru ca nu exista nici o forta care sa-l "traga inapoi".

 Aderenta apei la piston am incercat sa-o includ in analiza facuta de mine. Luand in considerare aderenta la pereti am putea spune:  la o temperatura suficient de mica pistonul nu va iesi pentru ca numarul de molecule care trec in faza gazoasa este mic, dar la o temperatura mai mare ar putea avea loc destinderea daca trec multe molecule in faza gazoasa. Destinderea pistonui are loc cand se egaleaza forta de adeziune a apei si cea datorata diferentei de presiune de-o parte si de alta a pistonului.
Titlu: Re: [1] Apa din cilindru in vid
Scris de: ionut din Iunie 03, 2008, 01:06:20 p.m.
   Starea de presiune negativa intr-adevar misca starea lichidului catre punctul de fierbere. Ce presiune trebuie exercitata totusi asupra apei noastre din cilindru nu prea stiu, dar cred ca una mare, mult mai mare decat o presiune atmosferica.
    Mi-a venit o idee de experiment practic, usor de facut. Se foloseste o seringa de ce marime doriti. Se trage apa in seringa, sa zicem pana la jumatate. Aveti grija sa nu ramana nici un pic de aer in seringa. Obturati gaura acului cu ceva (probabil si cu un deget merge). Apoi trageti de pistonul seringii spre exterior. Acum trebuie sa introducem cateva notiuni cantitative. Presiune negativa exercitata asupra lichidului o calculam cu formula P = F/S. Presupunem ca suprafata pistonului seringii are 1 cm patrat. Pentru a obtine presiunea negativa de 1 atmosfera (~100kPa ), echivalenta cu plasarea seringii in vid trebuie sa tragem de piston cu o forta de aproximativ 10 N, adica 1 Kgf. Orice persoana poate exercita usor aceasta forta si cred ca seringa rezista in aceste conditii.
   Incercati sa aplicati diferite forte asupra pistonului. Eu m-am jucat cand eram mai mic cu chestiile astea :). De fiecare data s-a stricat seringa, nu a fiert apa :).
Titlu: Re: [1] Apa din cilindru in vid
Scris de: Electron din Iunie 03, 2008, 01:07:47 p.m.
HarapAlb, imi aduc aminte ca am discutat despre asta inainte, dar acum am inteles "un detaliu" nou, si anume ca, in interiorul lichidului, pana nu avem un centru de fierbere (mediu perfect omogen) si fara aer in interior, exista proprietatea de a rezista la "presiuni negative" care, din cate inteleg nu tine de adeziunea lichidului la pereti. (Daca acesta ar fi cazul, imagineaza-ti ca avem o pelicula subtire de molecule "lipite" de perete, si ca ele nu se vor misca de acolo, ceea ce lasa posibilitatea aparitiei centrilor de fierbere exclusiv in interiorul lichidului, ceea ce revine tot la proprietatile lichidului fara influenta peretilor lipiciosi sau nu).

Asta inteleg eu pana acum despre proprietatea de a suporta "presiune negativa", fenomen pentru care inca nu am gasit explicatia "fenomenologica" (sa zicem calitativa) fizica.

e-