Teplocitlivé fólie ve fyzikálních experimentech
Zdeněk Bochníček
Přírodovědecká fakulta MU, Brno
Teplocitlivé fólie, TCF (teplotní nálepky)
jednoduchý teploměr
barva závisí na teplotě
jsou dostupné také ve větších rozměrech
30 x 30 cm2, cena cca 30 EUR
http://www.omegaeng.cz/ppt/pptsc.asp?ref=LCS_LABELS&Nav=temf01
Vlastnosti
• malý teplotní rozsah (několik °C)
• relativně vysoká citlivost
• malá tepelná kapacita
• rychlá odezva
• názorné zobrazení rozložení teploty v 2D
Lze využít v řadě (demonstračních)
fyzikálních experimentů
• jako teploměr v termice
• v jiných oblastech fyziky v případě, že danou
fyzikální veličinu převedeme na teplotu
Tepelná vodivost 1 – Tepelný stopař
Položte ruku na desku stolu (laminovanou
dřevotřísku)
Čekejte několik sekund, než se deska ohřeje.
Namísto otisku ruky položte TCF.
Vyzkoušejte totéž s různými materiály podložky (kov, pěnový polystyrén).
Nefunguje to.
Proč?
Tepelná vodivost 2
Vodivost kovů – elektrický ohřev
Vodivost kovů – ohřev teplou vodou
Časový vývoj rozložení teploty – elektrický ohřev.
měď
nerez
Časový vývoj
rozložení teploty –
teplovodní ohřev.
ocel
měď
Fyzikální pozadí
V nestacionárním případě rozdělení teploty není dáno tepelnou vodivostí λ,
ale veličinou zvanou teplotní vodivost
λ
ρc
kde ρ je hustota a c měrná tepelná kapacita.
Toto vychází z rovnice vedení tepla
kde teplotní vodivost
je vlastně difúzní koeficient
Difúzní délka
∂t ( x,τ ) λ ∂ 2t ( x,τ )
=
,
2
∂τ
ρ c ∂x
λ
=D
ρc
∂t ( x,τ )
∂ 2 t ( x, τ )
=D
,
2
∂τ
∂x
Λ = Dτ
materiál
λ
c
ρ
Wm-1K-1
Jkg-1K-1
kgm-3
měď
386
383
8940
1,1·10-4
105
železo
80
450
7860
0,23·10-4
48,0
ocel (1% uhlíku)
43
450
8000
0,12·10-4
34,6
nerez
16
450
8000
0.044·10-4
21,0
hliník
237
896
2700
0,98·10-4
99
λ
ρc
Λ
m2s-1
(lib. jed.)
Tepelná (a tedy teplotní) vodivost silně závisí na příměsích v materiálu.
Teplotní změny při adiabatických dějích
• Uzavřete natěsno láhev.
• Nastavte teplotu na dolní okraj
teplotního rozsahu fólie (např. politím
láhve studenou či teplou vodou).
• Zmáčkněte láhev maximální možnou
silou.
• TCF změnou barvy detekuje ohřev
vzduchu způsobený adiabatickou kompresí.
Aerodynamika – levitující míček.
Obvyklé vysvětlení je chybné!
http://www.physics.org/interact/ph
ysics-to-go/bernoulli-balls//
V tomto případě nelze použít Bernoulliova rovnice!
Vzduch získal energii z dmychadla,
zákon zachování mechanické
energie (Bernoulliova rovnice)
neplatí!
Tlak plynu je v obou oblastech
stejný!
Jev lze vysvětlit pomocí třetího Newtonova zákona.
Proud vzduchu je odkloněn.
Tedy na vzduch musí
působit dostředivá síla,
akce.
Podle třetího Newtonova zákona
musí existovat reakce – síla,
kterou vzduch působí na míček.
Reakce kompenzuje gravitační
sílu a vtlačuje míček zpět do
středu proudícího vzduchu.
K odklonění proudu vzduchu dojde vždy, když je
míček v proudu vzduchu umístěn asymetricky,
nebo když je proud vzduchu skloněn.
Jak byste vysvětlili tento jev?
Je tlak v proudu vody menší?
Experimentální uspořádání
horkovzdušná
pistole
teplocitlivá fólie
obraz proudu
teplého vzduchu
tryska
dmychadlo
Proud vzduchu bez míčku.
Proud vzduchu několik sekund
po odstranění míčku.
Proud vzduchu s míčkem
Zobrazeni infračerveného záření pomocí teplocitlivých fólií..
Je možné použít klasickou skleněnou optiku pro zobrazeni v IR?
Optické vlastnosti křemene (převzato z Schott advanced optics)
www.schott.com/advanced_optics
Většina skel je dobře propustná do vlnové délky 2,5 µm.
Omezená propustnost skel v IR přináší značné problémy.
Záření dokonale černého tělesa pro vybrané teploty.
Šedá oblast vymezuje propustnost skla.
Intenzita záření černého tělesa (vlevo) a intenzita prošlá sklem (vpravo).
Aby TCF detekovaly IR záření, musí se dostatečně ohřát.
Toho lze dosáhnout dvěma způsoby:
• vyfiltrovat IR záření z velmi horkého zdroje (žárovka).
• zobrazovat objekt, který má teplotu na samé hranici
viditelnosti (500°C).
Zobrazení IR oblasti elektromagnetického spektra
Spektrum halogenové žárovky kde IR část je zviditelněna pomocí TCF (a) a (b). Stejné
spektrum pozorované videokamerou v mód IR nočního vidění (c). Viditelná část obr. (c) je
zde prezentována barevně pro snazší srovnání s obr. (a). Původní IR obraz z kamery byl
černobílý.
K tomuto experiment je nutný velmi výkonný zdroj světla (zde byla
použita 500W lineární halogenová žárovka).
Zobrazení IR záření s využitím IR filtru
µ
6
-1
(mm ) 10
5
10
4
10
electron absorption
absorption edge
3
10
lattice oscilations
2
10
1
10
0
10
10
-1
10
-2
10
-3
0,1
1
10
λ (µm)
Absorpce elektromagnetického záření v křemíku.
funguje, lesklý povrch
Transmitance
200
120
400
600
800
1 000
120
100
100
80
80
60
60
40
40
20
20
0
200
0
400
600
800
wavelength (nm)
Propustnost filtru z lihového fixu.
1 000
nefunguje, matný
povrch
Zobrazení vlákna žárovky.
Zobrazení horkého objektu.
Download

null