Koe hiilidioksidin (CO2) ja Argonin (Ar) kykyyn absorboida ja emittoida IR-säteilyä ja lämmönjohtavuudesta osa 2.

Kokeita

Vastaavia kokeita on netti pullollaan ja ne toinen toisensa perään kertovat periaatteessa samaa asiaa: hiilidioksidi on kasvihuonekaasu, joka absorboi IR-säteilyä. Joten liityn tähän samaan kerhoon esittämällä samantyyppisen kokeen, mutta vähän muista poiketen lasipulloilla. 

Lähdin liikkeelle osassa 1. 

Viitteeni:

https://puheenvuoro.uusisuomi.fi/hannusinivirta/koe-hiilidioksidin-co2-ja-argonin-ar-kykyyn-absorboida-ja-emittoida-ir-sateilya-ja-muuta-hauskaa-lammon-johtavuudesta/

Osa 2.

Tarkastellaan ensin säteilylähdettä

IR-lamppu

Otin tarkasteluun kvartsi volframi halogeeni-lampun, se tuottaa IR -säteilyä alueella ~0.5 – 2.4μm (20W GTH). IR-lamput, jotka lähettävät aallonpituuksia välillä 0.5 – 2.4 μm, valmistetaan tyypillisesti materiaaleista, jotka voivat tuottaa säteilyä tällä alueella. Tähän tarkoitukseen käytetään usein volframipohjaisia ​​lamppuja, kuten kvartsi volframi halogeeni-lamppuja. Joten valitaan sellainen lamppu.

(ks. Irradianssi / nm)

Pulloissa käytettävä materiaali

Sinkkiselenidistä (ZnSe) valmistettuja laseja käytetään yleisesti infrapunalaseissa ja -optiikoissa. Ne ovat erittäin läpinäkyviä infrapunasäteilylle ja kestävät korkeita lämpötiloja, mikä tekee niistä ihanteellisia sovelluksia varten, joissa tarvitaan lämmönkestävyyttä ja infrapunavalon läpäisevyyttä, kuten infrapunakameroiden linssit, infrapunakaukoputket ja tiettyjen laserjärjestelmien optiikka. 

Sinkkiselenidi (ZnSe) läpäisee aallonpituuksia välillä ~1.0 – 14μm. Pullojen valmistuksessa niitä käytetään esimerkiksi lääketieteellisissä tai laboratoriotarkoituksissa, joissa tarvitaan infrapunavalon läpäisevyyttä ja kestävyyttä. Valitaan siis sellainen pullo.

(ks. ZnSe lasin transmissio / μm)

Hiilidioksidi (CO2)

Hiilidioksidin pääabsorptiokaistat infrapunaspektrissä ovat pääasiassa ~2.7µm, 4.3µm, 15µm ja leveämmät vyöhykkeet noin 2 µm:n alueella (T = 25°C P = 1hPa). Nämä absorptiokaistat vastaavat hiilidioksidi-molekyylin erityisiä värähtely- ja pyörimismuotoja. Nämä aallonpituudet ovat sähkömagneettisen spektrin pitkän aallon infrapuna-osassa, ja ne edistävät merkittävästi kasvihuoneilmiötä vangitsemalla maapallon pinnasta lähtevää lämpösäteilyä. Ilmakehässä on hiilidioksidia ~0.0420 tilavuus – % (420ppm).

(ks. absorbtiokertoimet / μm)

Argon (Ar)

Argonia (Ar) ei pidetä kasvihuonekaasuna, koska se ei ole helposti vuorovaikutuksessa maan ilmakehän infrapunasäteilyn kanssa. Argonia esiintyy yhtenä atomina ja se on kemiallisesti inerttiä, mikä tarkoittaa, ettei se ei reagoi helposti muiden aineiden kanssa. Argon muodostaa ~0.94 tilavuus- % (9400ppm) maan ilmakehästä, se ei vaikuta merkittävästi kasvihuoneilmiöön verrattuna muihin kasvihuonekaasuihin kuten hiilidioksidi.

(ks. intensiteetti / nm)

Kokeen tulos

(Huom! Koska ilmakehässä on jo ks. kaasuja, kokeen alkuvaiheessa pulloihin ei tarvitse lisätä mitään)

Suurin osa IR-lampun lähettämästä säteilyn aallonpituudesta (0.5 – 2.4μm) läpäisee lasipullojen seinämät (1.0 – 14μm) riippuen osaltaan pullojen seinämien paksuudesta ja lasin puhtaudesta. Osa IR-säteilystä myös emittoituu pullojen seinämistä takaisin.

Hiilidioksidi (CO2) pullo 1.: 

Hiilidioksidi pystyy absorboimaan ja emittoimaan IR- säteilyä alueella 2 – 15μm molekyylirakenteensa ansiosta. Kun lampun IR-säteily suunnataan hiilidioksidi-täytettyyn pulloon, hiilidioksidi-molekyylit absorboivat osan IR-säteilystä. Tämä IR-säteilyn absorptio johtaa hiilidioksidi-molekyylien sisäisen energian (lämmön) kasvuun. Tämän seurauksena lämpötila hiilidioksidi -täytetyn pullon sisällä nousee.

Argon (Ar) pullo 2.:

Argon on yksiatominen kaasu, mikä tarkoittaa, että se koostuu yksittäisistä atomeista. Tämän seurauksena, siinä ei ole erityisiä ”absorptiovyöhykkeitä”, kuten molekyylejä, joilla on monimutkaisempi rakenne.

Vaikka argonilla itsessään ei kuitenkaan ole absorptiokaistoja sähkömagneettisen spektrin näkyvällä tai infrapuna-alueella, sillä voi olla heikkoja absorptioviivoja UV -alueella, erityisesti alle 0.1μm:ssä. Nämä absorptioviivat liittyvät tyypillisesti siirtymiin elektronisten energiatasojen välillä. Useimmissa käytännön tarkoituksissa argonin siis katsotaan olevan valoa läpäisevä näkyvällä ja infrapuna-alueella. 

Jokainen argon-atomi on yksi neutraali kokonaisuus, joka sisältää 18 protonia, 18 elektronia ja yleensä 22 neutronia yleisimmässä isotooppissaan, argon -40:ssä. Koska argon koostuu yksittäisistä atomeista eikä molekyyleistä, se ei muodosta kemiallisia sidoksia muiden atomien tai molekyylien kanssa, samalla tavalla kuin molekyylikaasut. Sen sijaan argonin vuorovaikutukset tapahtuvat tyypillisesti atomitasolla.

Lämmönjohtavuudet ja ominaislämpökapasiteetit

Koska sekä hiilidioksidilla että argonilla on lähes sama lämmönjohtavuus, lämpötilamuutos pullojen sisällä riippuisi ensisijaisesti niiden ominaislämpökapasiteeteista ja tässä tapauksessa niiden vasteesta IR-säteilyyn.

Lämmönjohtavuudet

Hiilidioksidi ja Argon (~300K) ≈ 0.02W/m/K

Ominaislämpökapasiteetit

Hiilidioksidi (~300K) = ~1000 kJ/kg/K

Argon (~300K) = ~500 kJ/kg/K

(ks. kuvaajat)

Pulloissa oleva vesi (H2O)

Kun pullossa 1. olevan veden yläpuolella oleva hiilidioksidi absorboi infrapunasäteilyä ja lämpenee merkittävästi, se voi siirtää osan tästä lämmöstä alla olevaan veteen konvektion ja lämpösäteilyn kautta. Tämän seurauksena vesi voi lämmetä, ja johtaa vesihöyryn muodostumiseen. Tässä syntyy samalla se mekanismi, joka nostaa pullossa olevaa lämpötilaa enemmän, kuin jos hiilidioksidia ei olisi. 

Lopuksi

Hiilidioksidi siis absorboi IR-säteilyä, kun taas Argon ei, lämpötila hiilidioksidi -täytetyn pullon sisällä nousee enemmän kuin argonilla täytetyn pullon, kun se altistuu lampun IR-säteilylle. Tämä johtuu siitä, että absorboitunut IR-säteily lisää lämpöenergiaa hiilidioksidi-molekyyleihin, mikä johtaa merkittävämpään lämpötilan nousuun verrattuna argonilla täytettyyn pulloon, vaikka näillä kaasuilla on lähes sama lämmönjohtavuus. Vertailun vuoksi, maapallo ja ilmakehä lähettävät IR-säteilyä alueella ~3 – 100μm.

Kuinka voi muodostaa lisää hiilidioksidia?

Hiilidioksidia voi muodostaa tabletti muodossa, se reagoi veden kanssa muodostaen hiilidioksidikaasua. Yksi yleinen esimerkki on natriumbikarbonaatti, joka tunnetaan myös nimellä ruokasooda. Kun natriumbikarbonaatti -tabletit upotetaan veteen, ne reagoivat veden kanssa ja tuottavat hiilidioksidikaasua joka kuplii vedestä, vapautuen pullon yläosaan.

Koska argonia on jo ilmakehässä sen luonnollisessa muodossa peräti 0.94 tilavuus – % (9400ppm), kun taas hiilidioksidia on vain 0.0420 tilavuus – % (420ppm), pitoisuuksien ei edes välttämättä tarvitse olla samoissa pitoisuuksissa, sillä kun toiseen pulloon ja tässä tapauksessa pulloon 1. tiputetaan tuo natriumbikarbonaatti tabletti, voimme todeta, että:

TCO2  >> TAr  

Mitä siis opimme tästä kokeesta?

Vastaavia toimivia kokeita löytyy huomattavasti yksinkertaisempia, mutta aina ei tarvitse edes suorittaa varsinaista koetta, siihen riittää vähän vaikeampikin malli, eli kuinka se koe tehdään, ja loput voidaan ratkaista jopa pelkällä logiikalla.

HannuSinivirta
Sitoutumaton Helsinki

(FMI)

el. vanh. tut.

Teoriat ja mielipiteet ovat omiani, ne eivät edusta instituutteja tai organisaatioita.

Ilmoita asiaton viesti

Kiitos!

Ilmoitus asiattomasta sisällöstä on vastaanotettu