נר ונייר רטוב מאפשרים לנו להרים מגש באמצעות כוס שמונחת עליו – בעזרת ההפרשים בלחץ האוויר.
הניסוי מחייב השגחה של מבוגר.
ציוד
- מגש
- נר
- מצית או גפרורים
- נייר טואלט או נייר מגבת או מפית נייר
- קערה
- מים
- כוס זכוכית רחבה
- אפשר להוסיף עוד כוסות מלאות מים כמשקל על המגש - להעצמת האפקט
הניסוי
את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון:
הסבר
ההדגמה המפתיעה בניסוי מורכבת משלוש תופעות: כיסוי של נר בוער באמצעות כוס גורמת לכיבוי הנר תוך מספר שניות. כיבוי הנר יוצר תת לחץ (ואקום חלקי) בתוך הכוס, תת הלחץ יוצר הצמדה חזקה של הכוס למגש – הצמדה שמאפשרת אפילו הרמה של מגש כבד באמצעות הכוס שנמצאת עליו.
התופעה הראשונה היא הקלה ביותר להבנה: כאשר מכניסים נר בוער לתוך חלל אטום וקטן – כמו כיסויו בכוס, תוך כמה שניות הנר נכבה מפני שלהבה של נר דורשת (וצורכת) חמצן מהאוויר, תוך מספר שניות החמצן בחלל הסגור אוזל – וכאשר יש מחסור בחמצן הנר כבה.
אבל מדוע נוצר תת לחץ בתוך הכוס? משתי סיבות שונות הגורמות (בעוצמה שונה) לירידת לחץ:
הסיבה הראשונה היא שכאשר הנר בוער הוא צורך חמצן מהאוויר ומשחרר לאוויר בתהליך השריפה מים ופחמן דו-חמצני. למתעניינים הכנו הסבר מפורט על קצב צריכת החמצן של נר, בנרות מודרניים השעווה היא בדרך כלל חומר ממשפחת האלקנים / פרפינים – משפחה של חומרים הבנויים מהיסודות פחמן (סימול כימי C) ומימן (סימול כימי H ) בלבד. נוסחה לדוגמה של שעוות נר היא C25H52 ותהליך השריפה שלה, כלומר התגובה שלה עם חמצן (O2) הוא:
C25H52+38O2 -------> 25CO2+26H2O
לפי הניסוח של התגובה, רואים שבנר ממוצע, על כל מולקולה של פרפין שנשרפת (מולקולה היא החלקיק היסודי הקטן ביותר של חומר – כימאים מנסחים תגובות כימיות לפי התגובות שמבצעות המולקולות) נצרכות מהאוויר 38 מולקולות של גז חמצן (O2) ונפלטות 26 מולקולות של אדי מים (H2O) ו-25 מולקולות של גז פחמן דו-חמצני (CO2).
עכשיו נעשה חשבון פשוט: מכיוון שהמים שנפלטים כאדים שמתקררים ומתעבים מיד בחזרה בתוך הכוס למים נוזליים, אפשר לומר שבתהליך הבעירה של הנר מתמעטות בסך הכול מולקולות הגז: כי על כל 38 מולקולות חמצן שמגיבות ונצרכות בתהליך נפלטות רק 25 מולקולות של פחמן דו-חמצני (והמים שנפלטים הופכים כאמור לנוזל). כלומר על כל מולקולת פרפין שנשרפת "אובדות" 13 (=38-25) מולקולות של גז. כיוון שלפי 'חוק אבוגדרו' זהות המולקולות אינה משפיעה על נפח הגז או לחץ הגז (להסבר קראו את התשובה לשאלה על חישוב משקל גז), אלא רק כמות המולקולות משפיעה באופן ישיר על הלחץ. יש בסך הכול ירידה בכמות מולקולות הגז בכוס, ולכן לחץ האוויר בתוכה פוחת. בכמה? האוויר מכיל 21 אחוז חמצן, אפילו אם נניח שכל החמצן מגיב בכוס מגיב אז חשבון פשוט מראה שהוא הופך ל-21*(25/38) = 14 אחוז פחמן דו חמצני, כלומר סיבה זו תורמת לירידה של שבעה אחוזים (21-14) במספר המולקולות בכוס, ולכן ירידה של שבעה אחוזים בלחץ הכללי.
הסיבה השנייה – כשמכסים את הלהבה בכוס, נלכד בתוך הכוס אוויר חם מאוד – האוויר שנמצא מעל להבת הנר החמה. כשהנר כבה האוויר בכוס מתקרר חזרה והלחץ שלו יורד – כיוון שקיים קשר ישיר בין טמפרטורה לבין לחץ של גז. תופעה זו נקראת חוק גיי לוסק (Gay Lussac), על שם המדען הצרפתי שחקר אותה. בדיוק אותו דבר קורה בניסוי ניפוח בלון בתוך בקבוק. גם כאן קל מאוד לחשב בכמה שלב זה גורם לירידת הלחץ. כיוון שהלחץ קשור באופן ישיר לטמפרטורה במעלות קלווין – כלומר לטמפרטורה במעלות צלזיוס + 273. להבה של נר מגיעה לטמפרטורות של מעל 1100 מעלות צלזיוס, אפילו אם נניח שבאופן ממוצע האוויר שבתוך הכוס מתחמם ל-100 מעלות צלזיוס בלבד, כלומר ל 373 מעלות קלווין, אז כאשר הוא מתקרר חזרה ל 25 מעלות (טמפרטורת החדר, ירידה של 75 מעלות), אזי הלחץ יורד בשיעור של 75/373 או 21 אחוז. אם כך, קירור הגז הוא הגורם המשמעותי שגורם לירידה בלחץ הגז, ולא צריכת החמצן כפי שמוסבר בטעות במקורות רבים.
בניסוי הנוכחי הנחנו נייר טואלט ספוג במים על המגש, שתפקידו לאטום את החיבור בין הכוס למגש, למנוע כניסה של אוויר לחלל הכוס – ובכך לשמר בתוכה את הואקום החלקי שנוצר בה.
ומדוע המגש נצמד לכוס בחוזקה? – בגלל תת הלחץ שבכוס, אבל גם כאן ישנה טעות רווחת כאילו הואקום / הריק החלקי שבתוך הכוס שואב את המגש אליו. אבל מבחינה מדעית לריק אין שום כוח שאיבה כי ריק הוא כלום, ולכלום לא יכול להיות "כוח". דברים שנראים כנשאבים אל רִיק, למעשה נדחפים על ידי אזור אחר שבו יש לחץ גבוה לעבר אזור הרִיק. בבמקרה שלנו – הכוס נמצאת על המגש, באיזור שמעל המגש בתוך הכוס יש לחץ נמוך, מתחת למגש יש לחץ אטמוספרי רגיל, שהוא גבוה יותר מהלחץ בכוס, כך שבסך הכול הכוח שדוחף את המגש לעבר הכוס, מלמטה למעלה חזק יותר מהכוח שדוחף את המגש מהכוס למטה, והוא זה שדוחף ומצמיד את המגש אל הכוס. לחץ האוויר הוא חזק באופן מפתיע (שווה ערך למסה של 1 של ק"ג המונחת על כל סנטימטר רבוע) – ולכן אפשר להניח משקל רב על המגש, ועדיין להרימו (כלומר לחץ האוויר 'מתגבר' בניסוי גם על כוח המשיכה הפועל עד עוד מספר חפצים שנמצאים על המגש).
מעניין לציין
ניסוי מפורסם שהמחיש את כוחו של לחץ האוויר ונערך לראשונה בשנת-1654 בעיר מגדבורג בגרמניה, בניסוי הוצמדו 2 חצאי כיפות אלו לאלו, והאוויר ביניהם נשאב. לאחר מכן מספר סוסים ניסו להפריד בין הכיפות הצמודות – ולא הצליחו. שחזור של הניסוי (עם עשרות ילדים במקום סוסים) – נערך בגן המדע שבמכון ויצמן, ואפשר לראות את שחזור הניסוי כאן.
