in

CuteCute LOLLOL LoveLove OMGOMG WTFWTF

Proč balon může létat? A jaké plyny lze pro balony použít?

Havárie vzducholodi Hindenburg firmy Zeppelin ukázala, že plnit vzducholodě vodíkem, je vysoce nebezpečné. Konstruktéři vzducholodí to ale už tehdy věděli velmi dobře.

Jedna starší definice říká, že: „Těleso ponořené do kapaliny je nadlehčováno silou, jež se rovná váze kapaliny tělesem vytlačené.

Samotná definice zákona je však trochu nejasná. Podrobným rozborem však lze zjistit základní fakt. Pokud měrná hmotnost – hustota tělesa je nižší než hustota kapaliny, pak bude těleso v kapalině nadlehčováno, bude plavat.

Podstatné je, že zákon platí nejen pro kapaliny, ale i pro plyny. Tento fakt je všeobecně znám ze života. Led plave na vodě, to znamená, že hustota ledu musí být nižší než hustota vody. Pokud bychom vhodili kostku ledu do jiné kapaliny např. do benzínu, pak led nebude plavat nahoře a klesne dolů.

Obdobný jev můžeme pozorovat u lodí nebo v případě ponorek. V tomto případě rozhoduje objem tělesa, které je naplněno vzduchem. Objem tělesa musí být tak velký, aby vztlaková síla byla vyšší než hmotnost lodi.

Vzducholodě a balony

Jak bylo výše uvedeno, zákon platí i pro plyny. Víme, že balony mohou létat. Celý problém je opět založen na měrné hmotnosti. Pokud naplníme balon plynem, pak bude mít balon určitý objem. Pokud balon naplníme vzduchem, pak se nic nestane. Pokud však balon naplníme plynem o nižší hustotě, balon se začne vznášet.

Je zřejmé, že objem plynu v balonu musí být dostatečně vysoký na to, aby hmotnost samotného balonu včetně koše a cestujících byla nižší než vztlaková síla. Jednoduše řečeno, hustota celého systému, balon koš a lidé, musí být nižší než objem vzduchu, který je vytlačen balonem.

Jaký plyn lze použít

Pro rozhodnutí, jaký plyn použít, musíme problém řešit pomocí fyziky a chemie. Primárně na tyto otázky odpovídá periodický systém prvků. Prvky jsou seřazeny podle hmotnosti. První prvek v systému je vodík. Protože se jedná o plyn, vyskytuje se ve formě dvouatomové molekuly. Z periodického systému zjistíme, že vodík má hmotnost jedna a v případě molekuly je hmotnost 2.

Druhý prvkem periodického systému je helium. Prvky umístěné v periodickém systému v osmém sloupci jsou však inertní a nereagují samy se sebou. Hodnotu hmotnosti naleznete v tabulce, proto nemusíme násobit dvěma. Hmotnost helia je 4. Je vidět, že měrná hmotnost helia je dvojnásobná oproti vodíku.

Pro zjištění měrné hmotnosti plynu je podstatné, že hmotnosti uvedené v periodickém systému současně udávají hmotnost jednoho molu látky. Jednotka mol v soustavě SI představuje látkové množství.

Uvědomme si, že tato hodnota mimo jiné uvádí, kolik atomu nebo molekul představuje.

Obecně platí, že toto množství je vždy stejné a tato hodnota je zvaná Avogadrová konstanta. V případě plynných látek objem jednoho molu látky při teplotě 0°C je vždy prakticky stejný a činí 22.4 litrů. Měrná hmotnost plynu se proto vypočte dělením hmotnosti jednoho molu tímto objemem.

Pro vodík je to 2/22.4=0.089 g/l, v případě helia 4/22.4=0.178 g/l a u vzduchu cca 29/22.4=1.29 g/l. Výpočet u vzduchu je trochu složitější s ohledem na jeho složení. Ve vzduchu je cca 78 % dusíku (hmotnost molu je 28) a 21 % kyslíku o molární hmotnosti 32.

Pokud v periodickém systému pokračujeme dále, další možný plyn je neon o hustotě 0.89 g/l. Žádný jiný plyn již neexistuje. Do seznamu lze však zařadit sloučeniny, jedná se např. o metan 0.71 g/l.

Z uvedeného je zřejmé, že nejvhodnější plyn pro plnění balonu nebo vzducholodí je vodík nebo helium. Pokud si však vzpomeneme na havárii vzducholodi Hindenburg firmy Zeppelin v roce 1937, kdy pro náplň byl použit vodík, je zřejmé, že se nejedná o vhodnou náplň.

Problém s vodíkem byl v té době dobře znám. Vodík ve směsi se vzduchem velmi snadno exploduje a hoří. Původním plánem přitom bylo použití helia, avšak vojenské embargo USA přinutilo německé konstruktéry použít vodík. Produkce helia kromě toho v USA tehdy nestačila ani pro americké vzducholodě a nikde jinde se helium nevyrábělo. Přestože tato vzducholoď byla vybavena řadou technických opatření, došlo k explozi. V současné době, pokud někdo staví vzducholoď, je vždy pro náplň použito helium.

Z toho vyplývá, že jediný vhodný plyn pro náplň balonů a vzducholodí je helium.

Helium je však velmi vzácné. Ve vzduchu je jeho obsah pouze 0.000524 objemových procent. Poprvé bylo objeveno ve smolinci, větší množství helia je obsaženo v zemním plynu (až 6 %) popř. vyvěrá z trhlin v zemi.
Obecně nelze helium vyrobit, přestože způsob je znám.

Hlavním producentem helia jsou hvězdy včetně našeho slunce. Bohužel se podobný způsob doposud nepodařilo uskutečnit jinak než výbuchem vodíkové pumy. Helium v přírodě vzniká rozkladem radioaktivních prvků, jedná se o záření β, které je tvořeno jádry helia. Zde je nutno upozornit na fakt, že radioaktivním rozpadem vzniká i radioaktivní radon, který se v zemním plynu také vyskytuje. Vzhledem k tomu, že v ČR se nachází poměrně velké množství uranu a to i v uhlí, je proto popílek radioaktivní.

Po této krátké odbočce se vrátíme k balonům. Pro balony je použití helia s ohledem na jeho cenu prakticky nemožné a přesto se balonové lety uskutečňují.

Jak je to možné? Pro vysvětlení jak balony fungují, se musíme vrátit k fyzice. Je známo, že horký vzduch stoupá nahoru. V bytě je tepleji u stropu než u podlahy. Tento jev je způsoben rozpínáním plynu s rostoucí teplotou. Celý popis je poměrně složitý, pro potřeby tohoto články stačí, že vzduch ohřátý na 70°C má hustotu 1.03 g/l a při teplotě 100°C je to pouze 0.95 g/l.

Nicméně je více než jasní, že teplota vzduchu však nemůže být příliš vysoká, aby nedošlo k poškození materiálu balonu. 

Text: Syncbytes

What do you think?

5 points
Upvote Downvote

Comments

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Loading…

0

Comments

0 comments

Jak funguje LCD obrazovka? – Vědecké kladivo

Skorohvězdy hnědí trpaslíci. Jen v naší galaxii jich je 100 miliard. Objev hlásí i Ondřejovská hvězdárna