Žáruvzdorný balónek – princip vodního chlazení
Pokus číslo: 1691
Cíl experimentu
V experimentu budeme demonstrovat roli vody jako chladicího média.
Pomůcky
Nafukovací balónek, voda, svíčka, nádoba na vodu pro případ prasknutí balónku, stojan k zavěšení balónku.
Teorie
Přiblížíme-li nafouknutý balónek k plameni svíčky, balónek se během několika sekund propálí a exploduje. Pokud ovšem do balónku napustíme vodu, dofoukneme ho a poté přiblížíme k plameni svíčky, k propálení balónku nedojde. Stěna nafouknutého balónku je natolik tenká, že veškeré teplo, které balónek přijme od svíčky, velmi rychle předává vodě uvnitř balónku. Voda tedy funguje jako chladicí médium a brání přehřátí balónku.
Postup
Do balónku natočíme vodu tak, aby byl plný, a dofoukneme ho na běžnou velikost. Zapálíme svíčku. Přiblížíme spodní část balónku k plameni až na dotyk (obr. 1) a pozorujeme.
Výsledek pozorování
Balónek s vodou se při intenzivním zahřívání plamenem nepropálil, zatímco prázdný balónek se propálil velice rychle.
Technické poznámky
Aby prázdný balónek prasknul, stačí ho na několik sekund přiblížit do vzdálenosti zhruba deseti centimetrů od plamene svíčky. Balónek naplněný vodou můžeme přiblížit k plameni tak, až se ho bude dotýkat; bez poškození takto vydrží např. i 15 minut. Balónek s vodou sice zčerná, ale nepropálí se.
Je třeba, aby stěna balónku byla opravdu tenká, proto musí být balónek dofouknutý na svoji běžnou velikost.
Balónek je možné po dobu experimentu zavěsit na stojan postavený nad svíčkou, není nutné věnovat mu nepřetržitou pozornost. Pro případ, že by se balónek propálil, je ale vhodné pod něj umístit nádobu, do které se voda vylije (například tác nebo kbelík).
Metodické poznámky
Protože experiment v případě použití stojanu nevyžaduje stálou pozornost, můžeme čas, kdy je balónek zavěšený, využít k diskuzi o využití chladicích systémů v praxi. Chladicí systémy jsou nedílnou součástí například spalovacích motorů (viz následující sekci), proto může být tento experiment vhodným doplněním právě ke kapitole o těchto tepelných strojích.
Experiment byl předveden v osmém ročníku ZŠ právě pro demonstraci principu chladicích systémů. Výsledek byl pro žáky poměrně překvapivý – nevěřili, že by mohl balónek (byť naplněný vodou) vydržet žár plamene. Po provedení experimentu dokázali žáci sami vysvětlit, jak voda brání propálení balónku.
Analogie s chlazením spalovacího motoru
Spalování paliva v motorech produkuje velké množství tepla, přičemž na mechanickou práci se využije jen jeho část, zbytek ve formě odpadního tepla způsobuje zahřívání motoru; k tomu navíc přispívá i tření. Při přehřátí nad kritickou teplotu by se motor zničil, podobně jako prázdný balonek nad plamenem svíčky. Proto je v motoru zabudováno vodní chlazení, které odvádí teplo od místa zahřívání pryč, analogicky jako voda v tomto experimentu (kromě kapaliny může jako chladivo sloužit i okolní vzduch).
