[پرسش ۵-۲] [فیزیک] [دهم]
سرنگ آتشزا، استوانهٔ کوچکی است مجهز به پیستونی که کاملاً بر سطح داخلی استوانه منطبق است. در فضای محبوس داخل سرنگ، فقط هوا و تکه کوچکی از پنبه قرار دارد. با راندن سریع پیستون به داخل، و تراکم بیدرروی هوای محبوس، تکه پنبه مشتعل میشود. (معمولاً از کاغذ نیتروسلولز در این آزمایش استفاده میشود که نقطهٔ اشتعال بسیار پایینی دارد.) چرا پنبه در این فرایند آتش میگیرد؟
پاسخ تشریحی و گام به گام [پرسش ۵-۲] [فیزیک] [دهم]
آتش گرفتن پنبه در سرنگ آتشزا یک نمایش شگفتانگیز از **قانون اول ترمودینامیک** و فرآیند **تراکم بیدررو (Adiabatic Compression)** است.
**شرح گام به گام علت آتشسوزی:**
1. **تراکم سریع:** کلیدواژه در این آزمایش، **"راندن سریع پیستون"** است. این کار باعث فشرده شدن (تراکم) هوای محبوس در سرنگ میشود.
2. **انجام کار روی گاز:** وقتی پیستون را به داخل فشار میدهیم، ما (محیط) در حال **انجام کار روی گاز** هستیم. طبق قرارداد ترمودینامیک، کاری که روی سیستم انجام میشود، **منفی** است ($W < 0$).
3. **فرآیند بیدررو (آدیاباتیک):** چون تراکم بسیار **سریع** انجام میشود، سیستم (هوای داخل سرنگ) فرصتی برای تبادل گرما با محیط بیرون (دیوارههای سرنگ) ندارد. بنابراین، تبادل گرما تقریباً صفر است ($Q \approx 0$).
4. **افزایش انرژی درونی:** حالا از **قانون اول ترمودینامیک** استفاده میکنیم:
$\Delta U = Q - W$
با جایگذاری مقادیر:
$\Delta U = (0) - (W) = -W$
از آنجایی که $W$ منفی است، $\Delta U$ **مثبت** خواهد بود ($\Delta U > 0$). این یعنی **انرژی درونی گاز به شدت افزایش مییابد**.
5. **افزایش شدید دما:** برای یک گاز، انرژی درونی مستقیماً با دما در ارتباط است. افزایش زیاد انرژی درونی به معنای **افزایش ناگهانی و شدید دمای گاز** است.
6. **رسیدن به نقطه اشتعال:** دمای هوای فشرده شده در کسری از ثانیه به چند صد درجه سلسیوس میرسد. این دما از **نقطه اشتعال (Ignition Temperature)** پنبه یا کاغذ نیتروسلولز بالاتر است. در نتیجه، پنبه بدون نیاز به هیچ شعله یا جرقه خارجی، خود به خود **مشتعل** میشود.
این همان اصلی است که در **موتورهای دیزل** برای مشتعل کردن سوخت بدون نیاز به شمع، از آن استفاده میشود.
