نشاط عملي يوّضح كيفية صنع فواراً مائياً

2011 تجارب علمية الحرارة والطاقة

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

كيفية صنع فواراً مائياً فواراً مائياً علوم الأرض والجيولوجيا

الأهداف

1- صنع نموذج عملي لنبع فوّار.

2- ملاحظة كيف يؤثر الضغط في درجة حرارة غليان الماء.

3- اكتشاف المزيد حول العلاقة بين الحرارة والضغط

 

الأدوات التي تحتاجها

1- وعاء ماء بلاستيكي مقاوم للحرارة

2- أنبوب مقاوم للحرارة بطول 15 بوصة (40 سم)

 

3- معجونة سباكة

4- سدادة مطاطية أحادية الثقب أو سدادة من الفلين بحجم فتحة الدورق (إناء زجاجي مدرّج يستعمل في المختبرات)

 

5- مسند ثلاثي القوائم

6- لوح تسخين

 

7- قارورة إيرلينمير أو دورق تسخين (أو زجاجة مقاومة للحرارة لها عنق ضيق)

8- إبريق وماء

 

خطوات العمل

1- اطلب من أحد الكبار أن يصنع ثقباً في أسفل الوعاء البلاستيكي. ينبغي أن يكون الثقب واسعاً بما يكفي لإدخال الأنبوب البلاستيكي.

2- أدخل الأنبوب البلاستيكي في ثقب الوعاء البلاستيكي. ينبغي أن يظهر الأنبوب لسنتيمترات قليلة داخل الوعاء بشرط ألا يكون أعلى من حافة الوعاء. استعمل المعجون لإحكام السد حول الثقب داخل الوعاء.

3- أدخل الطرف الثاني من الأنبوب في سدادة الفلين أو السدادة المطاطية.

4- ضع المنصب على لوح التسخين. املأ الدورق بالماء حتى نصفه وضعه على لوح التسخين من دون تشغيل هذا المسخّن. ضع الطرف الآخر من السدادة في الدورق بحيث يستقر الوعاء على المنصب.

5- صب الماء البارد في الوعاء البلاستيكي إلى أن يغمر الماء الطرف العلوي من الأنبوب بمقدار بوصة واحدة (2.5 سم) على الأقل.

6- اطلب من أحد الكبار أن يشغّل لوح التسخين، ثم تراجع إلى الخلف.

 

ينبغي لك استخدام ساعة إيقاف كي تحسب الزمن الذي يستغرقه ثوران النبع الفوّار وطول الفترة الزمنية بين تلك الاندفاعات.

وستكتشف أن النبع الفوّار الذي صنعته بنفسك له دورة زمنية محددة. جرب بطرائق متعددة أن نغيّر الدورة الزمنية لاندفاعات النبع الفوّار.

يمكنك أن تبدأ بوضع الماء في الوعاء البلاستيكي عند درجات حرارة مختلفة. جرب الماء المثلج والماء الحار. كيف يؤثر ذلك في دورة النبع الفوّار؟

 

إذا أسندت عصا القياس أو مسطرة مترية خلف الحامل ثلاثي القوائم، تستطيع أيضاً قياس ارتفاع اندفاع الماء. ما الظروف التي تؤدي إلى حصول أعلى الاندفاعات؟

تذكر أن تدع الأواني تبرد بين التجارب التي تقوم بها، واطلب مساعدة أحد الكبار بصورة دائمة للإشراف عليك.

 

تحليل

لابدّ أنك لاحظت أن النبع الفوّار يمر بدورات زمنية محددة. ولابد أنك لاحظت أيضاً أن الدورات تنقسم إلى ثلاثة أقسام رئيسة: التسخين والثوران وإعادة الامتلاء.

يتوقف مقدار الزمن المستغرق لحصول الثوران على أمرين اثنين، وهما: كمية الطاقة الحرارية وطول الأنبوب البلاستيكي، وكلما كان الأنبوب أكثر طولاً زاد الضغط على الماء في قاع الأنبوب.

وكلما زاد الضغط تطلب الأمر مزيداً من الحرارة لغليان الماء، وبالتالي استغرق ثوران النبع الفوّار زمناً أطول.

 

يتمدد البخار خلال ثوران النبع لأكثر من 1500 مرة عن حجمه الأصلي، فيدفع الماء خارج النبع. وعندما يبدأ السائل بالتدفق في أعلى الأنبوب مع الغليان يكون الضغط في أسفل الأنبوب والدورق أقل. ويقلل الضغط المنخفض من درجة غليان الماء، ما يؤدي إلى تحويل السائل إلى بخار بصورة سريعة.

وعندما تخف شدة الاندفاعات تتدفق كمية قليلة من الماء في الوعاء العلوي إلى داخل الدورق. ويعيد الماء البارد تحويل البخار في الأنبوب إلى ماء، ويصبح الضغط داخل الدورق والأنبوب أقل شدة، وبالتالي يدفع ضغط الهواء المزيد من الماء من الوعاء البلاستيكي نحو الأنبوب ومن ثم إلى داخل الدورق.

وفي النهاية سيقوم اللوح الحار بتسخين الماء البارد المتجمع داخل الدورق فتبدأ الدورة بكل مراحلها من جديد.

 

وبعد عدة اندفاعات فورانية يسخن الماء داخل الوعاء البلاستيكي، لكن الفرق في درجة الحرارة بين الماء في الدورق والماء داخل الوعاء البلاستيكي لن يكون كافياً لبدء الدورة مرة أخرى، فتتوقف الاندفاعات.

يتاثر ارتفاع النبع الفوّار بطول الأنبوب في الترتيبات التي أعددتها، وينعكس ذلك بدوره على الضغط، كما يتأثر بكمية الماء الموجودة داخل الدورق (ويؤثر ذلك بدوره أيضاً في الضغط) وبدرجة حرارة الماء في الوعاء. وكلما كان الماء داخل الوعاء أكثر برودة طالت دورة اندفاع الماء.

وكلما كان الأنبوب أكثر طولاً زاد انخفاض الضغط داخل الدورق، وبالتالي يصبح ثوران النبع أكبر وأكثر روعة.

 

أين ينبغي أن أضع النبع الفوّار الذي صنعته؟

يجب وضع النبع الفوّار بعيداً عن أي أجهزة كهربائية في حالة التشغيل. اطلب من أحد الكبار التأكد من أن الوصلة الكهربائية الخاصة بلوح التسخين غير متشققة أو بحاجة إلى عزل.

ويجب وضع لوح التسخين على سطح أملس ومستوٍ. ضع جريدة أو غطاء طاولة قديم فوق السطح كي يمتص أي كميات طافحة من الماء.

 

نصائح للسلامة

احرص أن يكون أحد الكبار إلى جانبك بصورة دائمة للإشراف على النشاط الذي تقوم به. سيكون الماء المتدفق من النبع الفوّار حاراً، لذا ينبغي لك أن تقف على مسافة آمنة من الماء المتدفق.

انتظر إلى أن يتوقف الماء عن الاندفاع قبل أن تغلق لوح التسخين. ولا تنسَ أن تنتظر إلى أن يبرد الماء قبل التنظيف.

 

مدينة الينابيع الفوّارة

تضم محمية "يلوستون" الوطنية في ولاية وايومينغ الأمريكية 400 نبع فوار من بين 700 من الينابيع المماثلة المنتشرة في مناطق مختلفة من العالم.

ويُعد نبع "ستيم بوت" الفوّار في "يلوستون" في الوقت الحاضر أطول نبع فوّار في العالم، إذ يمكن أن يصل علو اندفاعات تلك الينابيع الفوّارة إلى أكثر من 350 قدماً (100 متر)، وهي ينابيع لا يمكن التنبؤ بأوقات ثورانها!

 

نشاط الينابيع الفوّارة حول العالم

تضم ينابيع محمية "يلوستون" الوطنية في ولاية وايومينغ الجزء الأعظم من الينابيع الفوّارة المنتشرة في العالم، حيث تشكل تلك المحمية أضخم حقل من هذه الينابيع في العالم كله.

ويقع نبع "ستيم بوت" الفوّار – وهو أعلى نبع فوّار في العالم في الوقت الحاضر – في الجزء الغربي من "يلوستون".

وفي نيوزلندا وأيسلندا دفع نقص الوقود في هاتين الدولتين السكان إلى استغلال ماء الينابيع الفوّارة الساخنة واستخدامها كمصدر للطاقة.

 

إن أكبر الينابيع الفوّارة على الإطلاق هو نبع "ويمانغو" في نيوزلندا، حيث وصل ارتفاعها ذات مرة إلى 1.640 قدماً (500 متر)، لكن أحد انهيارات التربة أدى إلى تدمير هذا النبع الهائل.

وفي عام 1941 تم اكتشاف وادي الفوّارات النائي الذي يقع في شبه جزيرة "كامتشاتكا" بسيبيريا. وتتميز حركة الينابيع الفوّارة في تلك المنطقة بنشاطها الشديد، كما أن معظمها يندفع بزوايا!

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]