W dniu 1 marca 2014 r. w ramach współpracy Stowarzyszenia Rodzin i Przyjaciół Osób Niepełnosprawnych „Dar Serca” ze Szkołą Podstawową im. K. Pułaskiego w Rędzinach – Osiedlu w jej gościnnych progach odbyło się pierwsze spotkanie z cyklu warsztatów z naukowcem dla uczestników projektu pn. „Fizyka i chemia – to interesujące” finansowanego ze środków programu „Równać Szanse” Polsko-Amerykańskiej Fundacji Wolności administrowanej przez Polską Fundację Dzieci i Młodzieży.
W fascynujący świat fizyki i chemii wprowadził wszystkich obecnych Pan Dr inż. Marcin Jarosik z Instytutu Fizyki Politechniki Częstochowskiej, który przeprowadził kilka doświadczeń z wykorzystaniem ciekłego azotu. Azot stanowi 78% powietrza, którym oddychamy. Na potrzeby eksperymentu został on wcześniej ochłodzony do temperatury –196 °C w wyniku czego stał się bezbarwną i bezzapachową cieczą.
Przed rozpoczęciem doświadczeń prowadzący poinformował uczestników spotkania o zasadach bezpieczeństwa obowiązujących podczas wykorzystywania ciekłego azotu z uwagi na jego bardzo niską temperaturę. Na przykładzie kwiatków i kawałka gumy udowodnił nam, że po chwilowym zanurzeniu w ciekłym azocie stały się jednocześnie twarde i kruche. W trakcie naszego spotkania przeprowadziliśmy m.in. następujące doświadczenia, we wszystkich wykorzystując ciekły azot.
W jednym z doświadczeń podczas wlewania ciekłego azotu do szklanej zlewki mogliśmy zaobserwować jak wrze w kontakcie ze ściankami naczynia. Jest to związane z tym, że otoczenie (czyli powietrze) ma temperaturę ok. 20 °C, więc o ponad 200 °C cieplejsze od ciekłego azotu, dlatego dochodziło do wrzenia. Szron, który mogliśmy zobaczyć na zewnętrznej powierzchni naczynia powstał ze składników powietrza – pary wodnej i dwutlenku węgla. Temperatura zamarzania wody to 0 °C, a dwutlenku węgla –78 °C. Ścianki naczynia są znacznie zimniejsze, więc para wodna zawarta w powietrzu ulega skropleniu na powierzchni szkła,
a następnie natychmiast zamarza, natomiast dwutlenek węgla przechodzi bezpośrednio ze stanu gazowego w stan stały, tworząc szron na powierzchni zlewki.
W kolejnym doświadczeniu badaliśmy zjawisko Leidenfrosta poprzez wylanie niewielkiej ilości ciekłego azotu na podłogę i obserwowaliśmy jak krople azotu, które poruszają się prawie bez oporów, ponieważ podłoga ma temperaturę otoczenia, czyli ok. 20 °C. Kropla azotu
w kontakcie z podłogą zaczyna gwałtownie wrzeć (parować), jednak nie odparowuje cała, tylko ten fragment, który bezpośrednio dotyka ciepłego podłoża. Parowanie (czyli wyrzut ogrzanej masy) jest szybsze niż przekaz ciepła do pozostałej części kropli – ta ogrzana część zanim przekaże ciepło do pozostałej części kropli zdąża uciec. Para powstała w procesie wrzenia dodatkowo utrudnia przepływ ciepła do reszty kropli, jednocześnie zmniejszając kontakt kropli
z podłożem. Stąd pojawia się brak oporu i krople mogą się łatwo poruszać.
Z pomocą prowadzącego zajęcia mierzyliśmy obniżenie oporu elektrycznego w metalach w niskiej temperaturze. Po podłączeniu miernika oporu do cewki wykonanej z miedzi
i zanurzeniu tej cewki w ciekłym azocie, miernik wykazywał spadek oporu elektrycznego. Wyjaśnienie tego zjawiska jest następujące: prąd elektryczny to uporządkowany ruch elektronów. Jeżeli elektrony w metalu poruszają się wszystkie w jednym kierunku, mówimy, że płynie prąd elektryczny. W metalu istnieje sieć krystaliczna, czyli atomy umieszczone w określonych miejscach. Atomy te nie mogą się poruszać, ale mogą drgać. Im wyższa temperatura metalu, tym atomy drgają silniej. Jeśli obniżamy temperaturę atomy drgają coraz słabiej. Elektrony płynące w metalu mogą się „zderzać” z atomami i wtedy ich przepływ jest utrudniony. Zjawisko to nazywamy oporem elektrycznym. Jeżeli obniżymy temperaturę metalu, to atomy drgają słabiej i elektronom łatwiej jest pomiędzy nimi przepływać – opór elektryczny spada.
Równie interesującym eksperymentem było: skroplenie tlenu z powietrza. Wlewając ciekły azot do metalowego pojemnika obserwowaliśmy jak ze ścianek zaczyna kapać tlen. Prowadzący, aby pokazać, że to tlen podstawił żarzący przedmiot, który rozpalił się pod wpływem tlenu. Ciekły azot wewnątrz pojemnika ochładza jego ścianki do –196 °C. Tlen skrapla się w temperaturze nieco wyższej, czyli –182 °C. Tlen w postaci gazowej (powietrze w ok. 20% składa się z tlenu) w kontakcie z zimnymi ściankami naczynia skrapla się i spływa w dół po ściankach w postaci cieczy. Łatwo udowodnić, że to nie zbiornik jest dziurawy, tylko jest to tlen. Jeśli nie ma tlenu, nie będzie ognia. Podstawienie żarzącej się waty pod kapiące kropelki tlenu powoduje, że wata dość gwałtownie się rozpala, dlatego, że w jeden określony punkt dostarczyliśmy dość dużą porcję tlenu w postaci kropli.
Zakończenie warsztatów z pracownikiem naukowym uczciliśmy „wystrzałem z działa azotowego”, wlewając ciekły azot do plastikowej rury i zatykając korkiem. Po chwili korek wystrzelił. Ta salwa była możliwa gdyż, jeżeli azot jest w stanie ciekłym, jego atomy poruszają się dość wolno i są blisko siebie. Jeżeli podgrzewamy azot jego atomy poruszają się coraz szybciej i coraz bardziej oddalają się od siebie. Powoduje to wzrost objętości gazu. Jeżeli zamkniemy ciekły azot w rurze, to w kontakcie z ciepłymi ściankami zacznie wrzeć i parować. Jednak nie może on swobodnie zmniejszać objętości, bo ogranicza go rura. Wtedy podczas parowania znacznie wzrasta ciśnienie. Gdy ciśnienie jest już wystarczająco duże, korek zostaje wypchnięty i strzela jak z szampana. Azot w stanie ciekłym zajmuje ok. 800 razy mniej miejsca niż w stanie gazowym (w czasie parowania jego objętość rośnie ok. 800 razy) stąd tak duży wzrost ciśnienia w zamkniętej rurze.
Nawet najdokładniejszy słowny opis nie odda w pełni zdumienia bezpośrednich obserwatorów wynikającego z tego jak ekscytujące są zjawiska z dziedziny fizyki i chemii, jeśli zostaną zaprezentowane w odpowiedni sposób. Niektóre po prostu trzeba zobaczyć i uczestnicy naszego spotkania mieli taką możliwość. Osoby z ich otoczenia z pewnością nie od razu uwierzą w to, że ugotowane jajko może, choć przez chwilę świecić na fioletowo, a taki efekt uzyskamy zanurzając je w ciekłym azocie i ogrzewając lampą ultrafioletową.
W części organizacyjnej uczestnicy spotkania mieli możliwość przedstawienia
w anonimowy sposób swoich pierwszych uwag nt. zakończonych przed chwilą warsztatów.
Należy wspomnieć, że całe przedsięwzięcie nie doszłoby do skutku gdyby nie zaangażowanie, czas, energia i pomysły kilku osób: przede wszystkim pana Arkadiusza Prudło, pani Joanny Kmiecik, pani Edyty Gajda, pani Doroty Radeckiej, pana Piotra Dymickiego oraz pana Wojciecha Piotrowskiego.
