تجربة ارتفاع الصينية

سوف تساعدنا الشمعة والورقة المُبللة بالماء على رفعِ صينيةٍ باستخدام الكأس الموجودة عليها، وذلك بمساعدة الاختلافات في ضغط الهواء.

تتطلب التجربة إشراف شخصٍ بالغ!

المعدّات

• صينية
• شمعة
• قدّاحة أو أعواد ثقاب
• ورق تواليت أو ورق مناشف أو منديل ورقي
• زبديّة (وعاء)
• ماء
• كأس زجاجية واسعة
• يمكنكم إضافة المزيد من الأكواب الممتلئة بالماء كوزنٍ إضافي على الصينية؛ لتعزيز التأثير

سير التجربة:

يمكنكم مشاهدة سير التجربة في الفيديو التالي:

شرح

يتكون العرض المُدهش في هذه التجربة من ثلاث ظواهر: تغطية الشمعة المحترقة باستخدام الكأس تُؤدي إلى إطفاء الشمعة خلال بضع ثوان. يؤدي إطفاء الشمعة إلى إنشاء ضغطٍ سلبي (فراغ جزئي) داخل الكأس، يخلقُ الضغط السلبي قربًا قويًا بين الكأس والصينية،  يسمح هذا القرب برفع صينيةٍ ثقيلةٍ باستخدامِ الكأس الموجودة عليها. تُعدّ الظاهرة الأولى هي الأسهل للفهم: عندما نقوم بإدخال شمعةٍ مشتعلة في فراغ صغير ومحكم الإغلاق - مثل تغطيتها بواسطة الكأس - تنطفئ الشمعة خلال بضع ثوان؛ لأنّ شعلة الشمعة تتطلب (وتستهلك) الأكسجين من الهواء، ينفد الأكسجين الموجود داخل الفراغ المغلق خلال بضع ثوان، وعندما يكون هنالك نقصٌ في الأكسجين تنطفئ الشمعة.

لكن، ما هو سبب نشأة الضغط السلبي داخل الكأس؟ لسببين مختلفين يؤديان (بقوةٍ مختلفة) إلى تقليل الضغط:

السبب الأول هو أنه عندما تحترق الشمعة فإنها تستهلك الأكسجين من الهواء وتطلق الماء وثاني أكسيد الكربون إلى الهواء أثناء عملية الاحتراق. للمُهتمين، لقد قمنا بإعداد شرحٍ مُفصل عن وتيرة استهلاك الأكسجين في الشمعة، في الشموع الحديثة، عادةً ما يكون الشمع مركبًا من مواد من عائلة  ألكان/البرافين - عائلة من المواد المكونة من العناصر الكربونية (الرمز الكيميائي C) والهيدروجين (الرمز الكيميائي H) فقط. مثال لصيغة نوع من الشموع هي C₂₅H₅₂  وعملية الاحتراق الخاصة بها، أي أنّ تفاعلها مع الأكسجين (O₂) هو:

C₂₅H₅₂+38O₂ -------> 25CO₂+26H₂O

وفقًا لصيغةِ التفاعل، نرى أنه في متوسط الشمعة، على كل جزيء من البارافين المحترق (الجزيء هو الجسيم الأساسي الأصغر للمادة، وقد صاغ الكيميائيون التفاعلات الكيميائية وفقًا للتفاعلات التي تقوم بها الجزيئات) يتمّ استهلاك 38 جزيئا من غاز الأكسجين (O₂)  من الهواء وإطلاق 26 جزيئًا من بخار الماء (H₂O) و25 جزيء من غاز ثاني أكسيد الكربون (CO₂).
نقوم الآن بإجراء عملية حسابية بسيطة: بسبب تبريد وتكثيف المياه المنطلقة على هيئة بخار فورًا عند رجوعها إلى داخل الكأس لمياه سائلة، يمكننا القول إنه في عملية احتراق الشمعة هنالك انخفاض إجمالي في جزيئات الغاز: على كل 38 جزيئا من الأكسجين التي تتفاعل ويتم استهلاكها في التفاعل يتم إطلاق 25 جزيئا فقط من ثاني أكسيد الكربون (تتحول المياه المنبعثة، كما ذكرنا سابقًا، إلى سائلة). أي أنّه على كل جزيء من البرافين المحترق يتمّ "فقدان" 13 جزيء (38-25=) من جزيئات الغاز. لأنه وفقًا لـ "قانون أفوجادرو" لا تؤثر هوية الجزيئات على حجم الغاز أو ضغط الغاز (لمزيدٍ من الشرح يمكنكم قراءة الجواب عن سؤال حساب وزن الغاز)، كمية الجزيئات هي فقط التي تؤثر بشكلٍ مباشر على الضغط. هناك انخفاض كُلّي في كمية جزيئات الغاز في الكأس، لذلك ينخفض ​​ضغط الهواء داخلها. كم يكون ذلك؟ يحتوي الهواء على نسبة %21 من الأكسجين، حتى لو افترضنا أنّ كل كمية الأوكسجين تتفاعل داخل الكأس، نرى إذًا وفقًا لعملية حسابية بسيطة أنه يتحول إلى 21 * (25/38) = %14 ثاني أكسيد الكربون، أي أنّ هذا السبب يساهم في انخفاض بنسبة سبعة في المئة (21-14) في عدد الجزيئات داخل الكأس، بالتالي انخفاض بنسبة 7 في المئة من الضغط الكلي.

السبب الثاني - عندما تتمّ تغطية الشعلة بواسطة الكأس، يتم حصر الهواء الساخن جدًا داخل الكأس، وهو الهواء الذي يقع فوق شعلة الشمعة الساخنة. عندما تنطفئ الشمعة يبرد الهواء الموجود داخل الكأس مرة أخرى وينخفض ​​ضغطه؛ لأنّ هناك علاقة مباشرة بين درجة الحرارة وضغط الغاز. تسمى هذه الظاهرة قانون "جاي لوساك"  (Gay Lussac)، على اسم العالم الفرنسي الذي قام ببحثها. يحدث الشيء المماثل تمامًا في تجربة نفخ البالون داخل القنينة. هنا أيضًا، من السهل جدًا حساب انخفاض الضغط الذي تسببه هذه المرحلة. يرتبط الضغط بشكلٍ مباشر بدرجة الحرارة حسب درجات كلفن، أي درجة الحرارة بالدرجة المئوية (سلزيوس) + 273. تصل درجات حرارة لهب الشمعة لأكثر من 1100 درجة مئوية، حتى لو افترضنا أنّ متوسط ​​الهواء الموجود داخل الكأس يسخن حتى 100 درجة مئوية فقط، أي إلى 373 درجة كلفن، فإذًا عندما يبرد ويصل إلى 25 درجة مئوية (درجة حرارة الغرفة، انخفاض 75 درجة مئوية)، ينخفض ​​الضغط بنسبة 75/373 أو %21. إذا كان الأمر كذلك، فإنّ تبريد الغاز هو العامل الأساسي الذي يؤدي إلى انخفاض ضغط الغاز، وليس استهلاك الأكسجين كما هو موضح بشكلٍ غير صحيح في العديد من المصادر.

في التجربة الحالية، قمنا بوضع ورق التواليت الممتلئ بالماء على الصينية، بحيث تكون وظيفة الورق هنا هي منع الاتصال بين الكأس والصينية، لمنع دخول الهواء داخل الكأس، ومن ثمّ الحفاظ على الفراغ الجزئي الذي قد نشأ بداخلها.