Скільки енергії міститься в кульовій блискавці, FizPortal
Скільки енергії міститься в кульовій блискавці?Оцінити мінімальну кількість енергії в кульовій блискавці можна за тими наслідками, які вона залишає після свого зникнення. Скористаємося повідомленням одного із спостерігачів: «Вона оплавила ділянку батареї діаметром 6 мм, залишивши лунку глибиною 2 мм 2 мм. Отже, блискавка випарувала близько0,45 гзаліза. Для цього потрібна енергія, що дорівнює4 кДж. Природно, що не вся (і напевно, далеко не вся) енергія кульової блискавки була витрачена на випаровування невеликої ділянки батареї, так що отриманий результат можна розглядати лише як оцінку нижньої межі енергії блискавки: ця енергія виявляється не менше кількох кілоджоулів.
Ось ще одне зі спостережень кульової блискавки: «Блискавка діаметром30 смвибухнула біля водопровідного крана. Цей кран був трубою діаметром3 смі висотою80 см. Після вибуху труба виявилася скрученою і була вкрита окалиною, хоч і не розжарилася до червона». Щоб скрутити залізну трубу, треба розігріти її ділянку до досить високої температури. У той же час, як вказує спостерігач, труба не розжарилася до червоного. Тому можна припустити, що блискавка нагріла ділянку труби, скажімо, на600 К. Довжину цієї ділянки вважатимемо приблизно рівною діаметру труби.
Вирішимо у зв'язку з цим наступне завдання. Скільки енергії потрібно для нагрівання наΔT = 600 Кділянки залізної труби завдовжкиl = 5 см? Зовнішній радіус трубиR = 1,5 см, внутрішнійr = 1,2 см, Питома теплоємність залізас = 0,71 Дж/(г•К), густина залізаρ = 7,8 г/см 3.
Рішення. Згідно з умовою завдання, треба нагріти ділянку труби довжиноюl, тобто нагріти масузаліза:m = ρ(πR 2 − πr 2 ). Використовуючи числові значення величин, отримуємоm = 100 г. Звідси знаходимо енергію, що шукається:W = cmΔT = 4,2•10 4 Дж = 42 кДж.
В одному з листів повідомлялося, що кульова блискавка діаметром30 смрозщепила дерев'яну причальну палю діаметром30 см, що стирчить з води, вздовж волокон на довгі тріски. Скористайтеся цим повідомленням для оцінки енергії блискавки.
Розглянемо завдання. Скільки енергії необхідно для того, щоб пара, що утворилася в результаті нагрівання та випаровування води, розірвала дерев'яну палю вздовж волокон? Радіус паліr = 0,15 м; довжина ділянки палі, у межах якої утворюється пара, l = 0,2 м ; межа міцності дерева, що відповідає його розщепленню вздовж волокон,ро = 3•10 6 Па, початкова температура водиT1 = 20 °С, питома теплоємність водис = 4,19 Дж/(г•К), питома теплота пароутворенняλ = 2,26 кДж/г. Коефіцієнт пористості дерева прийняти рівним0,1.
Рішення. Під коефіцієнтом пористостіαрозуміють частку обсягу деревини, що припадає на пори. Розривна паля займає об'єм порV = απr 2 l. У цьому обсязі при температурі кипіння водиT = 380 Кнеобхідно забезпечити тиск водяної пари, що дорівнюєрo, для чого треба нагріти до температури кипіння і випарувати деяку кількість молей води. Позначимо цю кількість молей черезх. Щоб знайти його, скористаємось рівнянням Менделєєва − Клапейрона для ідеального газу:poV = xRT, деR− універсальна газова стала;R = 8,31 Дж/(моль К). З огляду на те, щоV = απr 2 l, отримуємоx = απr 2 lpo/(RT). Використовуючи числові значення величин, знаходимоx = 1,35 моль. Молекулярна вага води дорівнює18; отже, один моль води має масу18 г. Шукану енергіюWрозраховуємо за формулою:W = μx(λ + cΔT)деμ = 18 г/моль,ΔТ = 100 − 20 = 80 К. Підставляючи в останню формулу числові значення, знаходимоW = 63 кДж.
Беручи до уваги результати розглянутих завдань, можна зробити висновок, що енергія, запасена в кульовій блискавці діаметром25 см, знаходиться в межах приблизно100 кДж, Така оцінка видається цілком правдоподібною; вона узгоджується з результатами, одержуваними на основі великої кількості спостережень кульової блискавки. Якщо енергія блискавки100 кДж, та її діаметр25 см, то, отже, щільність енергії виявляється порядку10 Дж/см 3. У загальному випадку (з урахуванням блискавок різних діаметрів) можна вважати, що енергія кульової блискавки набуває значень від кількох кілоджоулів до кількох сотень кілоджоулів, а щільність енергії лежить в межах приблизно від1до10 Дж/см 3.