[1] Apa din cilindru in vid

[Electron]

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-

[Adi]

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 .

[Electron]

Hey, drum bun!

Nu e prea devreme pentru Sarbatorile de Craciun?

e-

[Adi]

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.

[Electron]

Psst, intr-o pauza de prezentare despre "abstractele" particule, intreaba-i si despre alte lucruri, cum ar fi anumite experimente teoretice ... 

e-

[Adi]

Vezi ca azi apare al doilea podcast, cel facut de stiinta.info. Cauta la stiinta.info.

[Electron]

Are legatura cu topicul acesta, sau faci doar "spam" ? 

e-

[Adi]

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.

[Electron]

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-

[Adi]

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.

[HarapAlb]

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.

[Electron]

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-

[HarapAlb]

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.

[Adi]

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.

[Electron]

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-