ارائه دهنده : ملیکا شکاری (ورودی ۹۸ کارشناسی فیزیک)

انجام آزمایش: محمدحسین توسلی (ورودی ۹۸ کارشناسی فیزیک)

ابتدا یک شمع را درون ظرف آب قرار می‌دهیم و آن را در ظرف ثابت می‌کنیم، سپس شمع را روشن می‌کنیم و یک بطری حاوی هوا را روی شمع می‌گذاریم؛ به شکلی که دهانه‌ی بطری در آب قرار گیرد. مشاهده می‌کنیم که شمع خاموش می‌شود و در این حین سطح آب درون بطری نسبت به سطح آب آزاد بالاتر می‌رود. مشاهدات این آزمایش را به چند مرحله‌ی مختلف تقسیم کردیم و هر یک را جداگانه توجیه می‌کنیم.

هنگام قرار گرفتن بطری روی شمع:

زمانی که بطری را روی شمع قرار می‌دهیم، حباب‌هایی در آب ایجاد می‌شود که نشان‌دهنده‌ی خروج هوا از بطری‌ است. بطری، حاوی هوا با دمای محیط است و هنگامی که روی شمع قرار می‌گیرد دمای هوای موجود در آن افزایش می‌یابد و منبسط می‌شود. با توجه به ثابت‌بودن حجم ظرف (از تغییر حجم ظرف با تغییر دما می‌توان چشم‌پوشی کرد) مقداری هوا از ظرف خارج و به‌صورت حباب مشاهده می‌شود. 

وقتی که بطری روی شمع قرار گرفته و شمع همچنان روشن است:

هنگامی که بطری روی شمع قرار می‌گیرد، آب شروع به بالاآمدن در بطری می‌کند. دلیل اصلی این پدیده این است که با مصرف اکسیژن موجود در ظرف، چگالی آن در هوا، کم و واکنش سوختن کندتر می‌شود. در نتیجه، دمای هوای موجود در ظرف نسبت به لحظات قبلی (زمانی که چگالی اکسیژن بیش‌تر است) کاهش می‌یابد و هوای درون ظرف منقبض می‌شود، این انقباض دلیل بالا کشیده‌شدن آب است.

نکته‌ی قابل توجه دیگر این است که در واکنش سوختن پارافین، به‌ازای مصرف مولکول‌های گازی اکسیژن، گاز کربن‌ دی‌اکسید (و کربن مونوکسید در سوختن ناقص) و بخار آب تولید می‌شود. با توجه به زیادشدن تعداد مولکول‌های گازی، انتظار داریم که حجم هوا افزایش یابد، اما در این آزمایش، اثر تغییر دما مؤثرتر است.

هنگام خاموش‌شدن شمع:

زمانی که شمع خاموش می‌شود، بالاآمدن آب در بطری سریع‌تر می‌شود. زیرا با خاموش‌شدن شمع، واکنش سوختن متوقف می‌‌شود و تعداد مولکول‌های گازی موجود در هوا ثابت می‌‌ماند؛ در حالی که تا قبل از آن، در حال افزایش بوده‌است این افزایش تعداد مولکول، بر تراکم هوا (به دلیل کاهش دما) اثر معکوس می‌گذارد. با ثابت‌ماندن تعداد مولکول این اثر متوقف می‌شود. به همین دلیل، پس از خاموش‌شدن شمع، تراکم هوا بر اثر کاهش دما، نمایان‌تر می‌شود.

همچنین می‌توان در نظر گرفت سرعت کاهش دما در طول خاموش‌شدن شمع، ثابت نیست و می‌تواند متناسب با شرایط (ساختار شمع، شکل ظرف و …) متفاوت باشد. این موضوع نیز می‌تواند دلیل دیگری برای شتاب‌گرفتن ورود آب به ظرف، پس از خاموش‌شدن شمع باشد.

حلقه‌ی چای و فیزیک ۱۸ مهرماه ۱۳۹۹