W baloniarstwie mamy do czynienia z gazami, cieczami i ciałami stałymi. Obecnie interesują nas przede wszystkim substancje występujące w różnych stanach skupienia.

Pytanie: Jakie substancje spotykamy w baloniarstwie w co najmniej dwóch różnych stanach skupienia?

Przejście ze stanu stałego do ciekłego nazywamy topnieniem. Aby stopić ciało stałe, takie jak lód, należy dodać ciepło; ciało stałe musi zostać ogrzane. Ciało stałe można ogrzać

* poprzez wystawienie go na działanie promieniowania, np. światła słonecznego. * poprzez bezpośrednie przekazanie ciepła z jednego ośrodka do drugiego. * poprzez konwekcję otaczającego medium, które następnie przekazuje energię do powierzchni ciała stałego poprzez bezpośrednie przewodzenie ciepła. * poprzez wywieranie nacisku na ciało, powodując jego ściśnięcie.

Przejście ze stanu ciekłego do stałego nazywamy zamarzaniem i towarzyszy mu wydzielanie ciepła. Istnieje kilka sposobów schładzania cieczy:

Poprzez bezpośrednie przekazywanie ciepła z jednego ośrodka do drugiego, na przykład gdy woda styka się z zimną powierzchnią lub temperatura otaczającego powietrza spada poniżej temperatury zamarzania wynoszącej 0°C/273K.

Przez promieniowanie. Na przykład w nocy, gdy promieniowanie cieplne emitowane przez medium jest większe niż promieniowanie otrzymywane.

Przez konwekcję otaczającego medium, takiego jak powietrze. Na przykład zimne powietrze może spływać do doliny i obniżać tam temperaturę powietrza, aż w końcu spadnie poniżej temperatury zamarzania wody, 0°C/273K.

Podczas parowania substancja przechodzi ze stanu ciekłego w gazowy, przy czym ciecz nie osiąga temperatury wrzenia. Warunkiem jest jednak, aby gaz lub mieszanina gazów nad cieczą nie była nasycona. W odniesieniu do powietrza oznacza to, że wilgotność względna powietrza jest niższa niż 100%.

Na przykład organizmy żywe nie mogą się ochłodzić poprzez pocenie się, gdy wilgotność powietrza wynosi 100%, ponieważ nie zachodzi wtedy parowanie.

Przykładem substancji innej niż woda, która ulega parowaniu, jest benzyna w zbiorniku dmuchawy. Benzyna nie jest jednak substancją, lecz mieszaniną, a jej części parują szybciej niż inne.

Ciecz paruje, gdy przekroczy temperaturę wrzenia, czyli temperaturę wrzenia.

Uwaga: W języku potocznym mówimy o parze wodnej, gdy faktycznie widzimy skupisko najmniejszych kropelek. Kawa paruje. Para wodna, podobnie jak wszystkie gazy, jest przezroczysta, a zatem niewidoczna.

Podczas pracy naszych balonów odparowujemy propan. Temperatura wrzenia propanu wynosi -42°C/231K przy ciśnieniu 1013 hPa, czyli ciśnieniu normalnym. Wraz ze wzrostem ciśnienia wzrasta również temperatura wrzenia, znamy to z zasady działania szybkowaru.

Dadurch dass das Propan in der Flasche unter Überdruck ist, bleibt es flüssig. Ponieważ butla nie jest całkowicie wypełniona ciekłym propanem, nad ciekłym propanem tworzy się poduszka gazowa. Ciekły propan jest pobierany za pomocą rurki zanurzeniowej i przegrzewany w spiralach palnika, tak że przy wyjściu z dysz palnika ulega gwałtownemu odparowaniu.

Zarówno do odparowania, jak i do wyparowania potrzebna jest energia cieplna. Gdyby ilość propanu potrzebna do działania palnika wyparowała w butli, to butla schłodziłaby się tak bardzo, że zamarzłaby.

Jak już wspomniano, temperatura wrzenia wzrasta wraz ze wzrostem ciśnienia. I odwrotnie, temperatura wrzenia spada wraz ze spadkiem ciśnienia. Jest to zasada działania gaźnika w silniku. W miejscu, gdzie panuje podciśnienie, doprowadzany jest ciekły paliwo, które ulega gazyfikacji. Jak już wiemy, do odparowania – gazyfikacji potrzebna jest energia cieplna. Jest ona pobierana z otoczenia. W gaźniku może to prowadzić do zamarznięcia gaźnika, jeśli w benzynie znajduje się woda. A to może spowodować awarię gaźnika.

Podczas eksploatacji balonu na ogrzane powietrze występują dwa przypadki niepożądanego przekształcania ciekłego propanu w gazowy: W regulatorze ciśnienia, jeśli regulator nie jest zasilany z poduszki gazowej nad ciekłym propanem, gdy butla leży, ale bezpośrednio z ciekłego propanu. Powoduje to oblodzenie regulatora ciśnienia.

A na zaworze regulacyjnym palnika, jeśli nie jest on całkowicie otwarty, a zmniejszony przekrój poprzeczny powoduje spadek ciśnienia, ciekły propan zamienia się w gaz. Może to spowodować zamarznięcie zaworu regulacyjnego. Jeśli propan zawiera wodę, istnieje szczególne ryzyko zamarznięcia zaworu wewnątrz i nieprawidłowego działania. Dlatego zawsze należy całkowicie otwierać i zamykać zawór regulacyjny.

Gazy stosowane jako gazy nośne, wodór i hel, wymagają tak niskich temperatur i tak wysokich ciśnień do skroplenia, że w balonie pozostają zawsze w stanie gazowym. Jednak w rzadkich przypadkach gaz nośny jest dostarczany w postaci płynnej na potrzeby imprez. Jest on transportowany w specjalnie izolowanych pojemnikach w temperaturze -259°C/14K i musi zostać odparowany przed napełnieniem balonów. W tym celu przepływa przez parownik, zwykle parownik zimny, który pobiera energię cieplną z otaczającego powietrza. Biorąc pod uwagę ilość wodoru lub helu potrzebną do napełnienia balonów w krótkim czasie, zimny gazogenerator ma tendencję do zamarzania, a jego wydajność spada, ponieważ lód ma działanie izolacyjne.

Woda skrapla się, gdy tylko zostanie przekroczone nasycenie 100%. W atmosferze punkt rosy, czyli punkt, w którym panuje 100% wilgotności względnej, osiąga się poprzez ochłodzenie. Wilgotność względna to stosunek bezwzględnej ilości pary wodnej zawartej w powietrzu do maksymalnej możliwej ilości pary wodnej, która mogłaby być zawarta w powietrzu. I ta ilość zależy od temperatury.

Ochłodzenie w atmosferze następuje

* adiabatycznie, w którym powietrze unosi się, rozszerza, a tym samym zmniejsza się ciśnienie. * na powierzchniach, które ochładzają się poprzez promieniowanie, a tym samym ochładzają powietrze w bezpośrednim kontakcie z nimi poprzez bezpośrednie przewodzenie ciepła. Powierzchnią tą może być również powłoka balonu. * poprzez mieszanie się z chłodniejszym powietrzem. * poprzez adwekcję, gdy powietrze przepływa nad chłodniejszą powierzchnią.

Kondensat występuje zazwyczaj w postaci mikrokropelek, które następnie prowadzą do tworzenia się chmur, oraz w postaci rosy na powierzchniach. Podczas kondensacji uwalnia się ciepło, które przeciwdziała ochłodzeniu, ale nie może mu całkowicie zapobiec. W przypadku chłodzenia adiabatycznego oznacza to, że jest ono zmniejszone o ilość ciepła dostarczonego przez kondensację. Chłodzenie spowodowane adiabatycznym spadkiem temperatury wynosi około 1°C/1K na 100 m, a wilgotny adiabatyczny spadek temperatury wynosi około 0,6°C/0,6K na 100 m. Wilgotny gradient adiabatyczny występuje w obszarze, w którym zachodzi kondensacja. Wynika to z faktu, że adiabatyczna zmiana temperatury zależy od zmiany ciśnienia, a zmiana ciśnienia nie jest liniowa w stosunku do wysokości w atmosferze, lecz maleje wraz ze wzrostem wysokości.

Sublimacja: Istnieje również bezpośrednie przejście ze stanu gazowego do stałego. Najbardziej znanymi przykładami tego zjawiska są tworzenie się szronu – oblodzenie powierzchni samolotów jest często związane z tworzeniem się szronu – oraz kwiaty lodu na oknach.

Odwrotny proces zachodzi, gdy kryształki lodu nie topią się najpierw, ale przechodzą bezpośrednio w stan gazowy. Przykładami tego zjawiska są liofilizacja lub suszenie prania na mrozie.

Proces ten nazywany jest sublimacją w obu kierunkach.

Pytanie 2: Jakie zmiany stanu skupienia zaobserwowałeś samodzielnie? W jaki sposób?

Pytanie 3: Podczas których zmian stanu skupienia cieczy lub ciała stałego wydziela się ciepło?

Pytanie 4: Czy podczas zmian stanu skupienia cieczy lub ciała stałego konieczne jest dostarczenie energii cieplnej?

Answer form about aggregate states