Teplo
Slová teplo a teplota používame často na vyjadrenie našich pocitov.
V auguste nám „je teplo“, lebo teplota vzduchu je vyššia ako v januári,
kedy nám „je zima“.
Bežne ich používame, ale podobne ako iné slová z bežného života, majú aj teplo, teplota v prírodných vedách svoj presne stanovený obsah. Hovoríme im preto odborné výrazy – pojmy. Pravidelne sa
s odbornými výrazmi stretávate na vyučovaní fyziky a opakujete si ich
v úlohách pod názvom Úloha – dôležité slová.
V predchádzajúcom tematickom celku sme často merali teplotu
a nameranú hodnotu zapisovali číslom a jednotkou teploty – stupňom
Celzia [°C]. Teplota je fyzikálna veličina, ktorá vyjadruje stav pevného, kvapalného alebo plynného telesa.
Keď ľudia viac vedia, vnikajú do podstaty javov, menia sa aj definície
pojmov. Príkladom takéhoto vývoja sú aj zmeny v chápaní tepla.
V tomto tematickom celku sa oboznámite jednak s historickým, ale
aj súčasným pohľadom na teplo.
Fyzikálnu veličinu teplo v hovorovej reči vnímame ako subjektívny pocit, ktorý súvisí s okolitou teplotou
a výmenou tepla s okolím.
60Teplo
5.1 Predstavy o teple
5. Výmena tepla
V úvodnom pokuse z kapitoly Čo sa budeme učiť (s. 4 – 5) sme pozorovali priebeh dejov v aparatúre, ktorú zohrievame alebo ochladzujeme. Aparatúra je modelom predchodcu teplomera. Zostrojil ju Galileo
Galilei a nazval termoskopom. Nedokázal ním presne určiť teplotu,
pretože termoskop nemal stupnicu, na ktorej by sa teplota dala odčítať. Mohol zistiť len zmenu teploty, napríklad, či je dnes vyššia alebo
nižšia teplota, ako bola včera.
Pokus spočíva v tom, že ruky priložené na banku zohrievajú jej steny,
pretože sú teplejšie a od stien sa zahrieva vzduch v banke. ­Vzduch pri
zahrievaní zväčšuje svoj objem a tlačí na hladinu vody v rúrke. Stĺpec
vody v rúrke klesá.
Pri ochladzovaní banky studenou mokrou vreckovkou jej teplota, ako aj teplota vzduchu v nej, klesá. Objem vzduchu sa zmenšuje
a stĺpec farebnej kvapaliny stúpa hore.
Opis vychádza z pozorovaní pri pokuse a čiastočne vysvetľuje prebiehajúce deje – môžeme pozorovať prejavy výmeny tepla.
Zvedavý pozorovateľ si môže klásť mnoho ďalších otázok, napríklad,
prečo sa objem vzduchu zvyšovaním teploty zväčšuje? Dokedy sa bude
objem vzduchu zväčšovať? O koľko sa zvýši/zníži teplota vzduchu v banke pri výmene tepla, t. j. koľko tepla odovzdajú ruky banke so vzduchom?
Podobné otázky si kládli aj vedci zaoberajúci sa tepelnými javmi.
Obr. 44 Aparatúra na pokus
s výmenou tepla
5.1 Predstavy o teple
Fyzici, ktorí sa v histórii zaoberali skúmaním a meraním tepelných
javov, spočiatku nerozlišovali pojmy teplo a teplota. Neustále si však
kládli otázku – čo vlastne meria teplomer?
Francúz Guillaume Amontons (1663 – 1705), ktorý sa zaoberal
meraním teploty a zostrojil jeden druh teplomera, tvrdil, že teplomer
neudáva množstvo tepla, ale stupeň zohriatia telesa. Teplomer udáva
akýsi okamžitý „vnútorný“ stav telesa. Tento názor dnes považujeme za
správny, hoci vtedy ho odborný svet neprijal.
Na otázku: „Čo je to teplo?“ sa odpoveď v minulých storočiach postupne vyvíjala.
Až do devätnásteho storočia sa vedecký svet pridŕžal názoru, že teplo je látka, ktorá sa môže prelievať z jedného telesa na iné telesá a je pri
tom taká jemná, že ju nemožno odvážiť. Nevážiteľnú látku (fluidum)
nazývali kalorikum. Prisudzovali jej schopnosť prenikať všetkými
druhmi látok a udržiavať sa v medzerách medzi časticami, z ktorých sa
látky skladajú. Podľa tejto teórie – teórie kalorika – si ľudia vysvetľovali
teplo. Z tohto obdobia sa dodnes zachovala jednotka tepla – kalória.
Dnes vieme, že takéto fluidum neexistuje, a preto aj fyzikálna podstata
tepla musí byť úplne iná.
Benjamin T. Rumford si pravdepodobne ako prvý uvedomil, že teó­
ria kalorika nesprávne vysvetľuje teplo. Na obrázku 45 je znázornený
v mníchovskej továrni na výrobu zbraní pri vŕtaní delovej hlavne. Zbrojári mali skúsenosť, že pri trení vrtáka o obrábaný kov sa delová hlaveň
zohrieva. Vkladali teda delovú hlaveň do vodného kúpeľa, ktorým ju Obr. 45 Gróf Rumford v mníchovskej
ochladzovali.
zbrojovke
Teplo61
5. Výmena tepla
Rumford vyslovil názor, že teplo vzniká pohybom vrtáka, ktorý rozkmitáva častice kovu, a teda teplo nie je fluidum prelievané z telesa na
teleso. Aby to dokázal, opakoval experiment s vŕtaním delovej hlavne
niekoľkokrát tak, že sa vždy znova rozžeravila červenou žiarou a voda,
ktorá ju mala chladiť, zovrela. Tento výsledok bol po viacnásobnom
opakovaní stále rovnaký. Ak by v dôsledku vŕtania unikalo z delovej
hlavne fluidum kalorikum, musela by sa jeho zásoba napokon vyčerpať. Keďže sa tak nestalo ani po niekoľkých týždňoch, Rumford usúdil,
že teplo je pohyb a nie látka. Experimentmi dokázal, že zohrievaním sa
hmotnosť telesa nemení.
Neskôr sa Rumfordovými myšlienkami o teple zaoberal Humphry
Davy. V roku 1799 predviedol experiment, pri ktorom trel o seba dva
kusy ľadu s teplotou pod bodom mrazu. Zistil, že aj v ľade, ktorý zrejme
nemohol obsahovať tepelné „fluidum kalorikum“, sa teplo vyvíja a ľad
sa topí. Tým značne prispel k potvrdeniu Rumfordovej domnienky, že
„teplo je druh pohybu“.
Gróf Benjamin Thomson Rumford
(1753 – 1814)
Rumfordove a Davyho pokusy boli presvedčivé a zaujímavé, ale
nedala sa na nich ešte vybudovať teória, podľa ktorej je teplo pohyb
častíc látky. Preto ani počas devätnásteho storočia fyzici ešte neopustili
teóriu kalorika (tepelného fluida).
Úloha 1
Po prečítaní predchádzajúceho textu rieš nasledujúce úlohy a odpovedz na otázky.
Postup:
a) V
ypíš si z textov slová, prípadne vety, ktorým nerozumieš a požiadaj vyučujúceho o ich vysvetlenie.
b) Prečítaj si otázky a tiež sa spýtaj, ak im nerozumieš.
Odpovedz:
1. Ako sa chápalo teplo v teórii kalorika?
2. Akým spôsobom, pokusom Rumford vyvrátil teóriu kalorika?
3. Ako charakterizovali teplo Rumford a Davy? V čom sa zhodli?
Odborníci, vedci sa zaoberajú dejmi, ako je tepelná výmena – odovzdávanie (ochladzovanie) a prijímanie tepla telesom (zohrievanie).
Skúmajú tiež premeny skupenstva, ako aj vnútornú, časticovú stavbu
látok pri tepelných dejoch. Tieto deje, ako aj zákony a pojmy, ktoré s nimi súvisia, vysvetľuje oblasť fyziky – termodynamika.
V nasledujúcej úlohe sa budeme zamýšľať nad zmenami, ktoré môžu nastať, keď telesá zohrievame či ochladzujeme, keď prijmú alebo
odovzdajú teplo.
Úloha 2
Kovový valec, vzduch v balóne a vodu v banke budeme zohrievať
a následne ochladzovať.
Premysli si odpovede na otázky a) až f ) a na ich základe opíš, aké
zmeny môže spôsobiť zohrievanie či ochladzovanie telies.
62Teplo
5.1 Predstavy o teple
a) Zmenia telesá zohrievaním svoju hmotnosť?
kovový valček vzduch v balóne
voda v banke
b) Zmenia telesá zohrievaním svoj objem?
c) Zmení sa zohrievaním hustota látok, z ktorých sú telesá zložené?
d) Môže kovový valec alebo voda v banke zohrievaním zmeniť skupenstvo?
e) Zmení sa zohrievaním teplota telies?
f) Aké zmeny môžeme pozorovať na jednotlivých telesách, keď ich
ochladíme na teplotu napríklad 0 °C?
Niektoré prejavy, zmeny, ktoré môžeme pozorovať pri zohrievaní či
ochladzovaní telies, sú merateľné, iné pozorujeme okom aj meraním,
ako napríklad zmenu skupenstva látky.
Rumford a Davy zhodne charakterizovali teplo ako „určitý spôsob pohybu častíc“. Zohrievaním či ochladzovaním sa pohyb častíc látok mení.
Pretože pohyb častíc látok závisí od teploty, hovoríme mu tepelný pohyb. Pri rôznych látkach, plynných, kvapalných či pevných, sa tepelný
pohyb prejavuje rôznym spôsobom. Na molekulách vody opíšeme tepelný pohyb v plynoch, kvapalinách a pevných látkach.
PLYNY
Častice plynu voľne poletujú a na­­
rážajú do seba a tiež na steny
ná­­
doby. Keď plyn zohrievame,
častice narážajú prudšie a častejšie. Svojimi prudkejšími a častejšími nárazmi zvyšujú tlak na steny
nádoby.
KVAPALINY
Častice kvapaliny sú blízko pri sebe. Nemajú svoje vopred určené
polohy, ale môžu sa popri sebe
voľne pohybovať. Keď kvapalinu
zohrejeme, pohybujú sa častice
rýchlejšie.
PEVNÉ LÁTKY
V pevných látkach majú častice
svoje miesta, okolo ktorých kmitajú. Častice v kryštalických látkach,
ako napríklad soľ či diamant, sú
usporiadané do pravidelných mriežok. Častice v amorfných látkach
nie sú síce usporiadané pravidelne,
ale v látke majú stále polohy, okolo ktorých kmitajú. Keď pevnú látku
zohrejeme, začnú častice viac kmitať okolo svojich stálych polôh.
Obr. 46 Porovnanie vzdialeností a usporiadania molekúl v plyne, kvapaline
a pevnej látke
Pohybom častíc látok sa dnes vysvetľujú merateľné aj pozorovateľné zmeny pri zohrievaní či ochladzovaní telies.
Teplo63
5. Výmena tepla
Rieš úlohy
1. Z
isti si informácie a urob záznam o ich zdroji: Na akom princípe zostrojil Guillaume Amontons svoj teplomer
a zisti zaujímavosti z jeho života.
2. V
ráť sa k úvodnému pokusu (obr. 44). Vysvetli na základe tepelného
pohybu častíc vzduchu, prečo farebný vodný stĺpec pri zohrievaní
banky klesal a pri ochladzovaní banky stúpal.
3. Urob si pokus: vrecko čaju v horúcej a studenej vode.
Pomôcky:
2 sklené poháre, 2 vrecká rovnakého čaju, studená a horúca voda
Postup:
a) N
alej do jedného pohára studenú vodu a do druhého rovnaké
množstvo horúcej vody.
b) V
recká nechaj ponorené vo vode rovnaký čas – 5 minút.
Odpovedz:
1. Opíš výsledok pokusu s rôzne teplou vodou a vreckom čaju.
2. Ako vysvetlíš rozdiely v pokuse?
Domáca príprava na vyučovanie
Na uskutočnenie pokusov budeš potrebovať pomôcku, ktorá funguje ako termoska, v učebnici ju budeme nazývať „jednoduchý kalorimeter“. Ak doň naleješ horúci čaj, dlhšie v ňom zostane horúci.
Zmrzlina sa v ňom udrží dlho studená, nebude sa rozpúšťať. Takéto zariadenie sa dá zhotoviť z jednoduchých vecí.
Pomôcky:
škatuľa od nápoja s objemom 1 l, škatuľa od nápoja s objemom
250 ml, kúsky polystyrénu
malá
škatuľka
od džúsu
kúsky
polystyrénu
otvor na
teplomer
vrchná
časť
kalorimetra
spodná
časť
kalorimetra
Postup:
nastrihnuté
okraje
a) P
restrihni veľkú škatuľu od nápoja na polovicu a do vrchnej časti
urob otvor na teplomer.
b) M
alú škatuľu odstrihni tak, aby siahala do polovice výšky veľkej
škatule.
c) Malú škatuľu vlož do veľkej a utesni ju kúskami polystyrénu.
d) Nastrihni okraje vrchnej časti škatule tak, aby sa dala nasadiť na
spodnú časť.
64Teplo
5.2 Šírenie tepla. Kalorimeter
Ak vložíme do horúcej polievky kovovú, drevenú alebo plastovú lyžicu a po chvíli ich chytíme rukou, pocítime, že sa nezohriali na rovnakú
teplotu. Pri zohrievaní sa rôzne látky správajú rôzne.
Aby sme sa nespoliehali len na skúsenosť, overíme si ju pokusom.
Pri pokusoch budeme často používať zariadenie, ktoré sa nazýva kalorimeter. Kalorimeter je tepelne izolovaná nádoba, ktorá sa používa pri
meraniach a pokusoch s výmenou tepla. Na rôzne účely existujú rôzne
druhy kalorimetrov. Pre naše merania postačí kalorimeter zhotovený
z jednoduchých pomôcok podľa domácej prípravy.
Laboratórny kalorimeter
Obr. 47 Kalorimeter zhotovený z jednoduchých pomôcok
Pokus
Zisti pokusom, ako vedú teplo rozličné látky.
Pracuj v skupine.
Pomôcky:
malá kovová lyžička, malá lyžička z plastu, drevená špajdľa s dĺžkou
13 cm, oceľový klinec približne 13 cm dlhý, pásik polystyrénu 13 cm
dlhý, kalorimeter, horúca voda
Postup:
a) Nalej do kalorimetra horúcu vodu a ponor do nej predmety uvedené v pomôckach. Časť z nich vyčnieva z vody.
b) Nechaj predmety vo vode aspoň 3 minúty.
c) Postupne chytaj predmety vyčnievajúce z vody a porovnaj ich
teplotu dotykom.
Ktoré predmety sa zohriali viac? Urob si zápis do zošita.
Teplo65
5. Výmena tepla
d) Vyber každý predmet z vody a chyť ho najprv na konci, ktorý bol
ponorený vo vode. Potom ho chyť na opačnom konci, ktorý z vody vyčnieval. Poznač si predmety s najväčším rozdielom medzi
teplotami.
Odpovedz:
1. Vedú teplo skúmané látky rovnako?
2. Ako by sa dalo tvoje tvrdenie dokázať presnejšie?
3. Rozdeľ látky, s ktorými si pracoval, na dobré vodiče tepla a zlé vodiče tepla. Napíš si do zošita:
Dobrými vodičmi tepla sú napríklad látky: ...
Zlými vodičmi tepla sú napríklad látky: ...
4. Kde sa v živote využívajú látky, ktoré dobre vedú teplo?
5. Kde sa v živote využívajú látky, ktoré zle vedú teplo?
Obr. 48 J ednoduchý kalorimeter
(môžeme ho nahradiť
termoskou) s vloženými
predmetmi z rôznych látok
Z horúcej vody sa teplo šírilo na predmety tak, že boli s vodou v priamom kontakte. Tento spôsob šírenia tepla nazývame vedenie tepla.
Niektoré látky, predovšetkým kovy (meď, oceľ), sú dobrými vodičmi tepla. Odborne sa nazývajú tepelné vodiče. Dôkazom toho bola
v našom pokuse kovová lyžička. Po vložení do teplej vody sme mohli
pozorovať, že koniec lyžičky vyčnievajúci z vody sa zakrátko zohrial. Čo
sa deje v látkach pri vedení tepla?
chladné
teplé
horúce
Obr. 49 Častice kovu si odovzdávajú kmitavý pohyb
Častice vody sa neustále neusporiadane pohybujú a pri zvyšovaní
teploty sa pohybujú rýchlejšie. Pri nárazoch na povrch telesa, napríklad
kovovej lyžičky ponorenej vo vode, odovzdávajú časť svojho pohybu
kmitajúcim časticiam kovu, z ktorého je lyžička vyrobená. Častice kovu
kmitajúce na tých miestach, ktoré majú vyššiu teplotu, postupne odovzdávajú časť svojej energie časticiam, ktoré kmitajú v miestach s nižšou teplotou. Tak prebieha vedenie tepla v pevných látkach.
Látky ako drevo, sklo alebo plasty sú zlými vodičmi tepla. Odborne sa nazývajú tepelné izolanty. Predmety z uvedených látok
môžeme nechať v horúcej vode dlhší čas, a keď ich chytíme na konci
vyčnievajúcom z vody, nepopália nás. Príkladom je drevená vareška,
ktorou miešame horúce jedlo a nepopáli nás. Postupné odovzdávanie
kmitavého pohybu prebieha v tepelných izolantoch veľmi pomaly.
Voda a vzduch sa tiež označujú za zlé vodiče tepla. Dôkazom toho,
že voda je zlým vodičom tepla, je aj pokus znázornený na obrázku 50.
66Teplo
5.2 Šírenie tepla. Kalorimeter
Ak skúmavku držíme nad kahanom tak, že sa voda v nej zohrieva pri
hladine, začne v zohrievanej časti vrieť. Na dne skúmavky však voda
zostáva oveľa chladnejšia.
O tom, že aj vzduch je zlým vodičom tepla, sa môžeme presvedčiť v zime. Ak sa oblečieme tak, že máme na sebe viacero vrstiev odevu, medzi
ktorými je vzduch, je nám teplejšie. Teplo, ktoré sa produkuje v našom tele,
neuniká cez vrstvy vzduchu do okolia tak ľahko, ako keď máme oblečenú
len jednu vrstvu.
Iný spôsob šírenia tepla je prúdenie vzduchu, ktorý sa zohrieva od teplej pece či radiátora. Teplý vzduch má menšiu hustotu ako studený v­ zduch.
Zohriaty vzduch preto stúpa smerom hore a na jeho miesto sa dostáva Obr. 50 Pokus na dôkaz zlého
vedenia tepla vo vode
studený vzduch. Postupne sa prúdením vzduch v miestnosti zohrieva.
Obr. 52 Prúdenie vody v radiátoroch
Obr. 51 Šírenie tepla prúdením
Prúdením sa šíri teplo v tekutinách, teda v kvapalinách a plynoch. zateplená
Príkladom pre kvapaliny je prúdenie vody z kotla ústredného kúrenia polovica
do radiátorov. Pri samovoľnom prúdení sa využíva skutočnosť, že teplá domu
voda má menšiu hustotu. Zohriata voda z kotla umiestneného na prízemí (pozri obr. 52) preto stúpa nahor. Horúca voda prechádza radiátormi
nezateplená
v miestnostiach, postupne odovzdáva teplo a pri tom sa ochladzuje.
polovica domu
Ochladením sa jej hustota zväčší, a preto ochladená voda zostupuje
spätným potrubím a vracia sa do kotla.
Vykurovanie samovoľným prúdením vody sa spravidla využíva len
v menších domoch. Pri dopravovaní teplej vody do väčšieho počtu radiátorov a na vyššie poschodia sa používajú čerpadlá.
Vykurovanie bytov, ktoré sme práve opísali, je veľmi náročné na energiu. Aby sme zohriali vodu v kotloch, musíme spáliť veľké množstvo
fosílnych palív – uhlia, vykurovacieho oleja alebo plynu. Tieto palivá sú
v prírode čoraz vzácnejšie a príde čas, keď sa ich zdroje vyčerpajú. Preto sa
technici na celom svete usilujú, aby sa palivá potrebné na vykurovanie využívali čo najhospodárnejšie. Pri doprave horúcej vody a aj v samotných
bytoch časť tepla uniká stenami domu bez úžitku do jeho okolia.
Aby sa tomu aspoň sčasti zabránilo, prívodné potrubie a steny domov
sa tepelne izolujú, obkladajú sa látkami, ktoré majú zlú tepelnú vodivosť. Obr. 53 Straty tepla pri vykurovaní
Postupne sa mení aj technika vykurovania bytov. V niektorých domoch sa
potrubia a vyhrievacie telesá montujú do podlahy.
Aby sa ušetrili fosílne palivá, uvažuje sa stále viac o možnostiach
únik tepla
veľký
využiť iné zdroje tepla. Prirodzene sa núka najväčší zdroj tepla, ktorý malý máme stále k dispozícii – Slnko.
Teplo67
5. Výmena tepla
Všetko teplo zo Slnka sa k nám dostáva žiarením.
Medzi Slnkom a Zemou je obrovský priestor bez prítomnosti látky,
ktorá by mohla prenášať teplo vedením či prúdením. Slnečné žiarenie
dopadajúce na našu Zem je zložené z troch druhov (ultrafialové, viditeľné svetlo a infračervené). Skúmanie svetla bude obsahom vyučovania fyziky na budúci školský rok, ale s ultrafialovým a infračerveným
žiarením sa stretnete až na strednej škole.
Zaoberali sme sa spôsobmi šírenia tepla z telesa teplejšieho na
chladnejšie (teplo sa neprenáša z chladnejšieho telesa na teplejšie).
Teplo sa môže šíriť vedením (zohriatie kovovej lyžičky ponorenej
v horúcej vode), prúdením (horúci radiátor zohrieva vzduch obiehajúci v miestnosti) a žiarením (Zem zachytáva časť slnečného žiarenia).
Rieš úlohy
1. N
a obrázkoch A a B sú znázornené prierezy termosky a jednoduchého kalorimetra tak, aby sme videli, z čoho sú zhotovené. Na obrázku A je termoska, ktorá sa používa v domácnosti. Na obrázku B
je kalorimeter, ktorý si môžeme zhotoviť z jednoduchých pomôcok.
zátka
postriebrené dvojité steny
termosky, medzi ktorými
nie je vzduch
ochranný obal termosky
A Termoska v domácnosti
vrchná časť kalorimetra – zátka
postriebrená vnútorná stena
vonkajšia stena – obal
polystyrén ako izolácia
B Jednoduchý kalorimeter
Odpovedz:
1. Ktoré časti jednoduchého kalorimetra zodpovedajú častiam termosky v domácnosti? Napíš do zošita porovnanie termosky a jednoduchého kalorimetra.
2. Prečo obidve zariadenia udržia kvapaliny dlhšiu dobu horúce alebo studené?
3. Aký vplyv na vedenie tepla má vyčerpanie vzduchu z prostredia
a aký izolácia polystyrénom?
68Teplo
5.2 Šírenie tepla. Kalorimeter
4. Č
o by sa stalo, keby sme v termoskách nahradili vyčerpaný ­vzduch
alebo polystyrén materiálom z kovu?
2. Na obrázkoch sú znázornené spôsoby šírenia tepla. Pomenuj ich.
3. Urob si pomôcku: zostroj papierového hada
Pomôcky:
ceruzka, papierový štvorec (13 x 13 cm), nožnice, niť (20 cm), zdroj
tepla (radiátor, varič)
Postup:
a) Nakresli na papier špirálu a vystrihni ju.
b) Urob uzol na niti a prevleč ju stredom špirály.
c) Špirálu zaves nad tepelný zdroj.
Odpovedz:
Ako si vysvetľuješ roztočenie špirály?
4. U
rob si pokus: testovanie jednoduchého kalorimetra.
Navrhni a zrealizuj pokus, v ktorom by si dokázal, že jednoduchý
kalorimeter zabraňuje výmene tepla.
Postup:
a) navrhni si pokus,
b) zvoľ si pomôcky,
c) sformuluj predpoklad (hypotézu), ako pokus dopadne,
d) navrhni spôsob vyhodnotenia pokusu.
Vieš, že...
... tradičný príbytok Eskimákov (iglu) je postavený zo snehových alebo
ľa­do­vých kvádrov. Steny iglu sú zvnútra obložené kožušinami, ktoré sú zlými vodičmi tepla a chránia sneh pred roztopením. Teplota vnútri môže dosahovať až +16 °C, hoci vonku môže byť teplota hlboko pod nulou.
Teplo69
5.3 Výmena tepla medzi horúcou
a studenou vodou
Na obrázku si chlapec zohrieva chrbát o murovanú teplú pec. V rozprávkach ste sa mohli dočítať o prípecku (tak sa nazýva časť murovanej
pece), na ktorom v zime spávali deti. Prípadne sa na ňom povaľoval
lenivý Jano, lebo tam bolo teplo.
Obr. 54 Chlapec si zohrieva chrbát o pec.
Rôzne formy odovzdávania tepla
Vždy, keď nám je zima, snažíme sa dostať do blízkosti radiátora
alebo tepelného zdroja, aby sme sa zohriali. Na zohriatie je vhodná aj
teplá sprcha. Teplý radiátor alebo horúca sprcha nám odovzdajú teplo.
Naše telo je chladnejšie ako radiátor, pec či horúca voda, a preto telo
od nich prijme teplo. Hovoríme, že dochádza k výmene tepla medzi
teplejším a chladnejším telesom.
Budeme skúmať výmenu tepla medzi horúcou a studenou vodou.
Cieľom pokusu je zistiť, čo všetko ovplyvňuje výslednú teplotu pri zmiešavaní horúcej a studenej vody. Tento experiment sme nevybrali náhodou, aj v minulosti rovnako postupovali fyzici, keď pátrali po odpovedi na
otázku: „Čo je to teplo?“ Podobné pokusy a merania začiatkom 18. storočia uskutočnil G. D. Fahrenheit – autor jednej z teplotných stupníc.
Pokus
Pracuj vo dvojici
Odhadni a potom zisti, aká bude výsledná teplota pri zmiešavaní
so spolužiakom. horúcej a studenej vody. Experiment vykonáme v dvoch častiach: Naj-
skôr skúmaj výslednú teplotu pri zmiešavaní rovnakých a neskôr rôznych množstiev horúcej a studenej vody.
POZNÁMKA:
Pri meraní hmotnosti vody
využívame skutočnosť, že jeden
gram vody má objem jeden mililiter.
Preto pri meraní nepotrebujeme
váhy, ale stačí nám odmerný valec.
Pomôcky:
odmerný valec, teplomer, jednoduchý kalorimeter, varná kanvica
Postup:
a) Dobre si preštuduj tabuľku a dbaj na pokyny vyučujúceho. Dôležité je vykonanie odhadov pred meraním v predposlednom stĺpci
tabuľky.
70Teplo
5.3 Výmena tepla medzi horúcou a studenou vodou
b) Prvé tri merania urob podľa pokynov v tabuľke. Studená voda
môže mať teplotu vody z vodovodu.
c) V meraní č. 4 a 5 si sám urči množstvo a teplotu horúcej vody. Ber
však do úvahy, koľko vody sa do jednoduchého kalorimetra zmestí.
Tabuľka: Meranie teploty pri zmiešavaní horúcej a studenej vody
číslo
merania
1.
2.
3.
4.
5.
horúca voda
studená voda
výsledná teplota
zmiešanej horúcej
a studenej vody
hmotnosť začiatočná hmotnosť začiatočná odhad meranie
[g]
teplota [°C]
[g]
teplota [°C] [°C]
[°C]
50
pribl. 70
50
50
60
50
50
50
50
50
50
d) Pri každom meraní postupuj tak, že najskôr dáš do kalorimetra
studenú vodu a až potom naleješ horúcu vodu (obr. 55). Spodnú časť kalorimetra zakry vrchnou časťou a chvíľu počkaj, kým sa
teplota ustáli.
e) Pred odmeraním výslednej teploty odhadni, aká asi bude. Svoj
odhad napíš do 6. stĺpca tabuľky.
f) Odmeraj výslednú teplotu vody a zapíš ju do tabuľky.
POZNÁMKA:
Za výslednú teplotu
považujeme najvyššiu nameranú
teplotu.
1. Nalej studenú vodu
do kalorimetra.
2. Nalej teplú vodu
do kalorimetra.
3. Vrchnú časť škatule nasuň na spodnú časť a vlož do otvoru teplomer.
Obr. 55 Postup pri zmiešavaní vody a meraní teploty
Teplo71
5. Výmena tepla
Odpovedz:
1. S voj odhad výslednej teploty porovnaj so skutočne nameranou
teplotou. Sú tvoje odhady a namerané hodnoty približne rovnaké?
V ktorom meraní sa tvoj odhad a skutočne nameraná hodnota najviac zhodujú? V ktorom meraní si sa najviac pomýlil?
2. Ako si odhady robil? Opíš postup.
3. Od čoho závisí výsledná teplota pri zmiešavaní horúcej a studenej
vody?
4. Aké chyby merania ovplyvnili nameranú výslednú teplotu?
Keď zmiešavame rovnaké kvapaliny s rovnakými hmotnosťami,
ale s rôznymi začiatočnými teplotami, ich výsledná teplota sa dá odhadnúť. Mala by sa rovnať aritmetickému priemeru – polovici súčtu ich
začiatočných teplôt.
Príklad:
Ak je začiatočná teplota horúcej vody 80 °C a teplota studenej 20 °C,
tak ich výsledná teplota by mala byť 50 °C.
Odmeraná hodnota výslednej teploty je v praxi o niečo nižšia ako
vypočítaná.
Časť tepla sa totiž spotrebovala na zohriatie nádoby a časť tepla
unikla do okolitého vzduchu. Hovoríme o stratách tepla.
Z hľadiska výmeny tepla platí, že studená voda sa pridaním horúcej
vody zohreje, prijme teplo. Horúca voda sa pridaním studenej vody
ochladí, odovzdá teplo.
Teplo môže odovzdať vždy len teplejšie teleso chladnejšiemu
telesu.
5.4 Výmena tepla medzi
kovmi a vodou
Ak vyberieme z chladničky fľašu s minerálkou a necháme ju na stole,
jej teplota stúpa najskôr rýchle, potom pomalšie, až sa nakoniec vyrovná s teplotou v miestnosti. Odborne sa hovorí, že fľaša s minerálkou
a miestnosť sú v tepelnej rovnováhe. Podobne bude chladnúť horúci
čaj, kým sa jeho teplota vyrovná s teplotou v miestnosti.
Zmena teploty fľaše s minerálkou a teploty čaju je spôsobená výmenou tepla medzi týmito telesami a ich okolím. Výmena tepla, ako bolo
uvedené na strane 70, sa vysvetľuje časticovým zložením látok a pohybom častíc.
Výmena tepla nastáva vtedy, keď telesá (napríklad minerálka
z chladničky, horúci čaj) majú inú teplotu ako ich okolie.
V prírode dochádza k výmene tepla neustále. Niekedy je výmena
tepla pre nás nevýhodná (obr. 53), a preto sa jej snažíme zabrániť zatepľovaním.
Zatepľovať znamená pokryť steny budovy zlým vodičom tepla, ktorý zabráni výmene tepla medzi stenami budovy a vonkajším ovzduším.
72Teplo
5.4 Výmena tepla medzi kovmi a vodou
S prirodzeným „zatepľovaním“ sa stretávame aj v prírode. Mnohé
zvieratá majú tepelnú izoláciu v podobe peria alebo srsti. Iné živočíchy
majú zasa veľmi zaujímavo vyriešený cievny systém, aby sa pri zmenách vonkajšej teploty ich telesná teplota príliš rýchlo neznižovala alebo nezvyšovala (pozri Vieš že... na strane 76).
Pri nasledujúcom experimente a meraní bližšie preskúmame výmenu tepla medzi horúcimi kovmi a vodou izbovej teploty v kalorimetri.
Cieľom pokusu je zistiť, ako sa pri výmene tepla správajú rôzne látky –
napríklad kovy a voda. Opäť použijeme vlastnoručne zhotovený jednoduchý kalorimeter. V kalorimetri budeme skúmať výmenu tepla medzi
kovovým valčekom a vodou.
Najprv kovový valček odvážime a potom do kalorimetra nalejeme
vodu izbovej teploty s rovnakou hmotnosťou, akú má valček. Kovový
valček vložíme do vody vo varnej kanvici a zohrejeme na vyššiu teplotu
(napr. 70 °C). Zaznamenáme začiatočné teploty vody (tv ) a kovu (tk).
Po vložení horúceho valčeka s teplotou tk do kalorimetra sa voda
zohreje na výslednú teplotu (t).
Zmenu teploty vody zo začiatočnej teploty (tv) na výslednú teplotu (t) budeme označovať znakom ∆tv.
∆tv = t – tv
Zmenu teploty kovu zo začiatočnej teploty (tk) na výslednú teplotu (t) budeme označovať znakom ∆tk.
∆tk = tk – t
Znak ∆ je písmeno gréckej abecedy – delta. Zmenu teploty ∆t budeme vyjadrovať tak, aby pre ∆t vyšla kladná hodnota.
Príklad:
Ak je začiatočná teplota vody tv = 22 °C a po vložení teplého kovu sa
zohreje na t = 25 °C, potom rozdiel teplôt ∆tv = t – tv = 25 °C – 22 °C = 3 °C. Tepelná izolácia
(Od výslednej teploty, ktorá má vyššiu hodnotu, sme odpočítali začiatočnú teplotu vody.)
Ak je začiatočná teplota kovu tk = 60 °C a po jeho vložení do vody sa dosiahne výsledná teplota t = 25 °C, potom rozdiel teplôt
∆tk = tk – t = 60 °C – 25 °C = 35 °C. (Od začiatočnej teploty kovu, ktorá má
vyššiu hodnotu, sme odpočítali výslednú teplotu.)
Pokus
Vykonaj tri experimenty a merania s troma kovovými valčekmi (ma- Pracuj v skupine.
lými predmetmi) z rôznych kovov (mosadze, hliníka, železa). Valček
(predmet) zohrej na teplotu približne 60 °C a vlož do kalorimetra s vodou izbovej teploty. Voda má mať rovnakú hmotnosť, akú má valček.
a) Aká bude výsledná teplota kovu a vody v kalorimetri po dosiahPOZNÁMKA:
nutí tepelnej rovnováhy?
Namiesto mosadzného
b) Je zmena teploty kovu (∆tk) rovnaká ako zmena teploty vody (∆tv)?
Pomôcky:
3 kovové valčeky (z mosadze, hliníka, železa), varná kanvica, stojan,
jednoduchý kalorimeter, teplomer, váhy, odmerný valec, niť, hodinky
valčeka (telieska) možno použiť
medený a namiesto železného
oceľový predmet. Uvedené dvojice
materiálov sú zameniteľné.
Teplo73
5. Výmena tepla
Postup:
a) Priprav si a preštuduj tabuľku.
Tabuľka: Záznam hodnôt pri výmene tepla medzi kovmi a vodou
číslo
merania
1.
2.
Obr. 56 P
omôcky na realizáciu
pokusu
3.
látka
hmotnosť
[g]
začiatočné
teploty
tk, tv [°C]
výsledná teplota t [°C]
predpoklad
skutočnosť
∆t
[°C]
kov 1
voda
kov 2
voda
kov 3
voda
b) O
dváž kovový valček 1 a pomocou odmerného valca odmeraj objem vody s rovnakou hmotnosťou. Vodu nalej do kalorimetra. Zapíš hodnoty hmotností do tabuľky.
c) V
alček uviaž na niť a vlož do horúcej vody (napríklad s teplotou
60 °C) vo varnej kanvici. Udržuj rovnakú teplotu v kanvici najmenej 5 minút.
d) Odmeraj teplotu vody v kalorimetri a zapíš ju do tabuľky ako začiatočnú teplotu vody (tv ).
Začiatočná teplota kovu (tk) sa rovná teplote horúcej vody vo
varnej kanvici.
(Predpokladáme, že po piatich minútach bude mať valček rovnakú teplotu ako horúca voda.)
e) Urob predpoklad o výslednej teplote v kalorimetri po dosiahnutí
tepelnej rovnováhy.
f) H
orúci kovový valček vyber z kanvice a čo najrýchlejšie ho vlož do
kalorimetra s vodou. Kalorimeter uzavri a meraj teplotu každých
30 s. Výsledná teplota t po dosiahnutí tepelnej rovnováhy je najvyššia teplota vody, ktorú si zaznamenal.
g) Zmenu teploty ∆tk kovového valčeka vypočítaj ako rozdiel jeho
začiatočnej teploty tk a výslednej teploty t, ∆tk = tk – t.
h) Z
menu teploty ∆tv vody vypočítaj ako rozdiel jej výslednej teploty
t a začiatočnej teploty tv , ∆tv = t – tv.
i) Z
apíš hodnoty tepelných zmien skúmaných kovov a vody všetkých pracovných skupín v triede do tabuľky.
Tabuľka: Záznam hodnôt tepelných zmien všetkých skupín
3tk [°C]
látka
3tv [°C]
POZNÁMKA:
Pri kreslení grafu môžeš
využiť počítač s programom
TeploKovy01.cma (C6lite).
Dostupné na
www.fyzikus.fmph.uniba.sk
skupina č. 1
∆t [°C]
skupina č. 2 skupina č. 3
skupina č. 4
kov 1: železo
voda
kov 2: mosadz
voda
kov 3: hliník
voda
j) Z hodnôt v tabuľke zostroj graf.
Odpovedz:
1. Z
hodovali sa tvoje predpoklady o výslednej teplote so skutočnosťou?
2. K
torý predpoklad bol najbližšie k odmeranej výslednej teplote?
74Teplo
5.4 Výmena tepla medzi kovmi a vodou
3. D
obre si prezri rozdiely teplôt pre vodu a kovy. Porovnaj ich. Dá sa
z číselných hodnôt rozdielov teplôt urobiť nejaký záver?
4. A
k ste v skupinách správne merali, pre každý kov možno zostrojiť
vlastnú čiaru grafu. Ako si vysvetľuješ túto skutočnosť?
5. Aké nepresnosti, chyby merania a straty tepla treba brať do úvahy?
Zo skúsenosti vieme, že ak v letných mesiacoch dáme predmety
z rôznych materiálov (s rovnakou počiatočnou teplotou a hmotnosťou)
na slnko na rovnako dlhú dobu (čas), nedosiahnu rovnakú teplotu. Dreveného zábradlia sa môžeme za veľmi teplého slnečného dňa chytiť,
ale oceľový predmet môže byť veľmi horúci.
V predchádzajúcom pokuse boli tri rôzne kovové valčeky zohriate
na vyššiu teplotu, odovzdávali teplo vode s teplotou približne 20 °C
a s hmotnosťou, ktorá sa rovnala hmotnosti valčeka. Porovnajte hodnoty nameraných rozdielov teplôt kovových valčekov (∆tk) a vody (∆tv).
Zistíte, že pri tepelnej výmene sa teplota kovových valčekov menila omnoho viac ako teplota vody rovnakej hmotnosti, ktorou sme ich
ochladzovali. Kým teplota vody sa zmenila len o niekoľko stupňov Celziovej stupnice, kovy rovnakej hmotnosti zmenili svoju teplotu o desiatky stupňov. Rôzne látky sa teda pri výmene tepla správajú rôzne.
Pri presnom meraní a vynesení hodnôt do grafu (získaných štyrmi
skupinami, ktoré v triede merali) sa ukázalo, že hodnoty rozdielov teplôt pre valčeky z toho istého materiálu ležia na jednej priamke grafu
nakresleného v súradnicovej sústave s osami ∆tv (vodorovná os) a ∆tk
(zvislá os).
Skúste teraz graficky znázorniť výsledky vášho merania teplotných
zmien ∆tv a ∆tk pre všetky tri kovy do jedného obrázka a porovnať ich.
Treba zostrojiť tri čiary grafu, každú pre jeden meraný kov. Ak ste
merali s dostatočnou presnosťou, mali by ste dostať grafy podobné,
aké sme dostali my v našom laboratóriu.
2,0
3tk [°C]
1,8
POZNÁMKA:
Použi program
TeploKovy02.cma
zostavený v C6lite
Dostupné na
www.fyzikus.fmph.uniba.sk
3tk2 meď
3tk1 železo
3tk3 hliník
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
Graf závislosti rozdielov teplôt kovov a vody pri tepelnej výmene
0,45
0,50
3tv [°C]
Z výsledkov meraní a ich spracovania do grafu môžeme vyvodiť záver,
že každý kov sa správa pri odovzdávaní tepla vode inak. Prejavuje sa to
rozdielom teplôt pri tepelnej výmene. Z grafu na obrázku môžeme „vyčítať“: Ak kov s určitou hmotnosťou ochladíme vodou ­rovnakej hmotnosti
Teplo75
5. Výmena tepla
tak, aby teplota kovu klesla o 1 °C, teplota vody vystúpi vždy o menšiu
hodnotu ako jeden stupeň. Napríklad, ak vodou ochladíme medený
valček tak, že jeho teplota klesne o jeden stupeň, voda rovnakej hmotnosti zvýši svoju teplotu len o necelú jednu desatinu stupňa. Podstatne
lepšie je na tom hliník – pri ochladení hliníka o jeden stupeň voda rovnakej hmotnosti zvýši svoju teplotu o vyše dve desatiny stupňa.
Golfským prúdom tečie teplá
morská voda Atlantického
oceánu z južných oblastí Severnej
Ameriky k západnému pobrežiu
Európy. Golfský prúd tým zohrieva
podnebie západnej Európy,
ktoré je teplejšie ako na rovnakej
zemepisnej šírke v Amerike.
Jav, ktorý sme práve skúmali, súvisí s nerovnakou schopnosťou látok prijímať a pri ochladzovaní odovzdávať teplo. Túto vlastnosť majú
látky v nerovnakej miere. Zo skúsenosti vieme, že kovové predmety sa
pomerne rýchlo zohrejú, napríklad, ak na ne dopadajú slnečné lúče,
ale aj veľmi rýchlo ochladnú, ak ich odložíme do tieňa. Naopak je to
s vodou – dlho ju treba zohrievať, ale potom len pomaly chladne. Táto
vlastnosť vody je nám niekedy nepríjemná, ak sa ponáhľame a máme
na stole horúci čaj – v prírode má ale veľký význam. Voda vo vodných
nádržiach alebo aj v moriach prijíma od Slnka teplo a len pomaly ho
stráca, a preto sa aj pomaly ochladzuje. Moria a oceány takto ovplyvňujú klímu vo svojom okolí. Prímorské počasie je spravidla príjemnejšie
ako vnútrozemské a nestretávame sa pri ňom s takými rýchlymi zmenami teploty a veľkými teplotnými rozdielmi medzi zimou a letom ako
vo vnútrozemí.
Rieš úlohy
Vieš, že...
... vtáci, ktorí sa neustále pohybu­
jú v studenej vode alebo na ľade,
majú v nohách zvláštny krvný
obeh, ktorý znižuje stratu tepla? Krvné vlásočnice prebiehajú
tesne vedľa seba, takže teplá krv
smerujúca do nôh ohrieva studenú krv, ktorá prúdi do tela. Tento
protiprúdny systém výmeny tepla
je podobný systému, ktorý sa
používa pri niektorých strojoch.
1. Z
uzka mala dva hrnčeky s rovnakým množstvom kakaa. V jednom
hrnčeku bolo kakao z chladničky a jeho teplota bola 5 °C. V druhom
bolo kakao príliš teplé. Keď Zuzka kakao z oboch hrnčekov zliala
dohromady, teplota nápoja bola okolo 30 °C, čo jej vyhovovalo.
a) Približne akú teplotu malo príliš teplé kakao?
b) Prečo sa v úlohe nehovorí o presnej výslednej teplote kakaa?
2. Športové kone, ale aj tie, ktoré slúžia
v záprahu na prácu, sa musia podkúvať.
Kováč podkovu zohreje v ohni a potom
tvaruje údermi tak, aby tesne dosadla
na konské kopyto. Po skončení práce
namočí podkovu do vody. Voda sa zohreje len o niekoľko stupňov Celzia, ale
podkova sa ochladí až o niekoľko stoviek stupňov. Ako si vysvetľuješ túto skutočnosť?
3. Pri meraní telesnej teploty sa dnes najčastejšie používajú digitálne
teplomery, ktoré odmerajú telesnú teplotu približne za 90 sekúnd.
Klasický ortuťový teplomer, ktorý sa už dnes neodporúča používať,
musel byť v kontakte s telom 8 – 10 minút, aby sa jeho teplota ustálila na rovnakej teplote, ako je teplota tela.
a) Vysvetli, prečo bol potrebný pri ortuťovom teplomere taký dlhý
čas na odmeranie teploty.
b) Vysvetli, čo sa deje s časticami kvapalinovej náplne ortuťového
teplomera pri meraní teploty.
76Teplo
5.4 Výmena tepla medzi kovmi a vodou
Úloha – dôležité slová
1. Vysvetli dôležité slová uvedené v pravom stĺpci.
2. K slovám v ľavom stĺpci priraď slová z pravého tak, aby významovo
patrili k sebe.
 teplota
 teplo
 teória kalorika
 kalorimeter
 tepelný pohyb častíc látky
 šírenie tepla vedením
 výmena tepla
 začiatočná teplota
 šírenie tepla žiarením
 tepelné vodiče
 výsledná teplota
 rozdiel teplôt
 šírenie tepla prúdením
 tepelné izolanty
 tepelná rovnováha
Teplo77
Projekt 2
Pracuj v skupine.
Návrh a realizácia experimentu na dôkaz
jedného zo spôsobov šírenia tepla
V učebnici je niekoľko námetov na jednoduché experimenty, ktoré
dokazujú šírenie tepla vedením, prúdením a žiarením. Ďalšie sa dajú
nájsť v knihách a na internete. Dôležité je, aby experiment bol ľahko
rea­lizovateľný, jeho vykonanie nebolo nebezpečné a aby ste ho dokázali vysvetliť spolužiakom.
Súčasťou projektu by mala byť obrazová dokumentácia. To znamená, že pokus treba vyfotografovať alebo aj zaznamenať na videu.
Obrázky alebo videozáznam by mali byť súčasťou správy, ktorú bude
riešiteľský tím prezentovať v triede.
Téma projektu
Navrhnúť a predviesť pred triedou experiment, ktorý by dokazoval
jeden zo spôsobov šírenia tepla. Vysvetliť vybraný spôsob šírenia tepla.
Postup a podmienky
1. Vytvor si tím spolupracovníkov z dvoch až troch spolužiakov.
2. Vyhľadaj si informácie a navrhni experiment. V experimente by si
nemal pracovať s ohňom a práca by nemala byť ani inak nebezpečná.
3. P
rekonzultuj svoj návrh s vyučujúcim.
Termín: 1 týždeň od zadania projektu.
4. Rozdeľte si prácu v tíme, priprav experiment a jeho prezentáciu
pred triedou. Termín: 2 týždne od zadania projektu.
Spôsob vyhodnotenia
Vyhodnotenie projektov sa môže uskutočniť formou súťaže. Súťaž
musí mať svoje pravidlá. Napríklad:
– pred súťažou si vyžrebujte čísla projektov,
– každý žiak bude mať tabuľku s kritériami na hodnotenie a maximálnym počtom možných bodov,
– nikto nehodnotí vlastný projekt,
– poradie v súťaži bude vyhodnotené sčítaním bodov, ktoré žiaci
pridelia jednotlivým projektom.
78Teplo
Čo sme sa naučili
Učíme sa odborné pojmy, napríklad: teplo, teplota, hustota...
Zohrievaním banky, výmenou tepla medzi rukami a bankou so vzduchom sa mení:
– objem vzduchu,
– teplota vzduchu,
– hustota vzduchu,
– pohyb častíc.
Zohrievaním či ochladzovaním možno meniť aj skupenstvo látok.
Staršia predstava o teple je teória kalorika. Odtiaľ pochádza jednotka
tepla – kalória.
Gróf Benjamin G. Rumford – teplo súvisí s akýmsi pohybom častíc látky.
Tepelný pohyb častíc sa prejavuje inak v plynných, inak v kvapalných či
pevných látkach.
plyny kvapaliny pevné látky
Kalorimeter – tepelne izolovaná nádoba.
Laboratórny kalorimeter
Kalorimeter zhotovený z jednoduchých
­pomôcok
Teplo79
Čo sme sa naučili
Vedenie tepla – častice látky si odovzdávajú pohyb
Tepelné izolanty – drevo, sklo, plasty (napríklad polystyrén)
chladné Tepelné vodiče – meď, oceľ, železo
Zlé tepelné vodiče – vzduch, voda
teplé
Šírenie tepla
horúce
vedením prúdením žiarením
Výmena tepla medzi horúcou a studenou vodou
Výsledná teplota pri zmiešavaní rovnakých hmotností teplej a studenej vody závisí od ich začiatočných teplôt.
Rozdiel teplôt (t1 - t), prípadne (t - t2), označujeme ∆t (delta t).
Výmena tepla medzi kovmi a vodou
Kovy, ako sú železo, meď, hliník, boli zohrievané na začiatočnú teplotu
okolo 80 °C. Voda mala začiatočnú teplotu 22 °C.
Tabuľka: Teplotné zmeny po výmene tepla
POZNÁMKA:
Spracuj hodnoty z tabuľky
na počítači v programe C6lite
Dostupné na
www.fyzikus.fmph.uniba.sk
pokus č.
1.
2.
3.
80Teplo
teleso z látky
∆t [°C]
valček zo železa
50,0
voda
5,0
valček z medi
48,0
voda
4,7
valček z hliníka
43,0
voda
9,0
Kovové valčeky sa ochladili
o desiatky stupňov Celzia,
zatiaľ čo voda sa zohriala
len o niekoľko stupňov
Celzia.
Rôzne látky sa pri výmene
tepla správajú rôzne.
Test 3 – vyskúšaj sa
Výmena tepla
1. D
eti si nastrihali pásiky papiera a pripevnili ich na dva špagáty. Špagáty natiahli v rôznych výškach do otvoreného okna tak, ako je to
na obr. A a B. V miestnosti bola vyššia teplota ako vonku. Vysvetli,
prečo sa lístky pohybujú inak v hornej a inak v spodnej časti okna.
A
B
2. A
k jeden koniec skúmavky so vzduchom zohrievame nad ohňom,
do druhého konca môžeme zasunúť prst bez toho, aby sme sa popálili.
a) Vysvetli, prečo to môžeme urobiť.
b) Aká je tvoja predstava o pohybe častíc vzduchu počas zohrievania?
Napíš vysvetlenia, prípadne svoju predstavu nakresli do zošita.
3. Jeden koniec dlhej oceľovej tyče je krátky čas horúci a druhý studený. Šípky na obrázku svojou dĺžkou znázorňujú rýchlosť pohybu
častíc. Uváž, ktorý z koncov je horúci a ktorý studený.
4. V
eľmi často sa pri chladení strojových súčiastok používa voda. Vysvetli, prečo je voda dobrým chladičom.
Teplo81
Test 3
5. U
rob predpoklad výslednej teploty pri zlievaní rovnakých objemov
horúceho a studeného čaju.
horúci čaj
studený čaj
výsledná teplota čaju po zmiešaní
objem [ml]
teplota [°C]
objem [ml]
teplota [°C]
100
70
100
22
200
60
200
20
150
50
150
20
odhad [°C]
a) Hodnoty výslednej teploty napíš do tabuľky v zošite.
b) Predpokladajme, že tvoja úvaha a urobené odhady výslednej
teploty boli správne. Domnievaš sa, že po uskutočnení meraní
by sa odhadnutá výsledná teplota a nameraná hodnota úplne
zhodovali?
5. Dve tyče, jedna z medi a druhá zo skla, majú jeden koniec v plameni
ohňa a druhý upevnený na stojane. Pozdĺž tyčí sú parafínom upevnené klinčeky. Zohrievaním sa parafín roztopí a klinčeky postupne
odpadnú. Z ktorej tyče odpadnú všetky klinčeky skôr? Svoju odpoveď vysvetli.
6. V
miestnosti sa kúri radiátorom a na troch miestach v nej boli namerané teploty: 20 °C, 22 °C a 19 °C. Na ktoré miesto by si doplnil tieto
namerané teploty? (Obrázok si prekresli do zošita.)
°C
°C
°C
82Teplo
5.5 Ako meriame teplo
Vo veľkom počte domácností sa vykuruje diaľkovým kúrením. Z teplární prúdi do radiátorov teplá voda. Vykurovanie nie je zadarmo, musíme zaň platiť, hovoríme, že platíme za teplo. Aby platby za teplo boli
pre spotrebiteľov spravodlivé, treba do domácností namontovať merače tepla. Vieme teplo odmerať priamo, tak ako napríklad teplotu teplomerom alebo dĺžku dĺžkovým meradlom?
Nevieme, ale množstvo prijatého alebo odovzdaného tepla telesom
sa dá vypočítať. Merače teplo priamo nemerajú. Využívajú veličiny,
s ktorými teplo súvisí. Musíme teda preskúmať s ktorými fyzikálnymi
Digitálny merač tepla
veličinami teplo súvisí. Budeme vychádzať z pokusov so zlievaním horúcej a studenej vody a výmenou tepla medzi kovmi a vodou.
Teplo je fyzikálna veličina a ako každá fyzikálna veličina (napríklad
dĺžka, objem, hmotnosť, hustota či teplota) má svoju značku. Teplo má
značku Q .
Pokusom, v ktorom sme zlievali horúcu vodu s vodou izbovej teploty a obe mali rovnakú hmotnosť, sme prišli k záveru: čím má horúca
voda vyššiu začiatočnú teplotu, tým vyššia bude výsledná teplota po
výmene tepla. Inak povedané, rozdiel teplôt (∆t) pre vodu izbovej teploty bol vyšší.
Obr. 57 Pomôcky na pokus s výmenou tepla medzi horúcou a studenou vodou
Keď sme menili hmotnosť aj teplotu horúcej vody, obe veličiny sa na
hodnote výslednej teploty vody po zmiešaní prejavili. Pokusy s výmenou tepla sú poznačené chybami merania ešte viac ako iné merania.
Dopúšťame sa chýb pri samotných meraniach, ale tiež v dôsledku úniku tepla do okolia. Preto pri úvahách o teple využijeme takzvané „myšlienkové experimenty“. V mysli si premietneme, ako by pokus mohol
vyzerať a na základe skúsenosti a úvahy prídeme ku vzťahu na výpočet
tepla.
Teplo83
5. Výmena tepla
Budeme uvažovať nad niekoľkými situáciami:
1. Na dva rovnaké variče, ktoré dodávajú vode každú sekundu rovnaké
množstvo tepla, dáme rôzne množstvo vody. V nádobe 2 má voda
dvojnásobný objem ako v nádobe 1. Voda v oboch nádobách má dosiahnuť teplotu 50 °C a ich začiatočná teplota je tiež rovnaká: 20 °C. Ktorému objemu vody je potrebné dodať väčšie množstvo tepla?
Ktorý objem vody treba zohrievať dlhšie?
50 °C
50 °C
2
1
Zapíšeme všetky hodnoty, ktoré poznáme.
voda v nádobe 1 voda v nádobe 2
V2 = 2 l
objem vody V1 = 1 l m2 = 2 kg
hmotnosť vody m1 = 1 kg tz = 20 °C
začiatočná teplota tz = 20 °C výsledná teplota t = 50 °C t = 50 °C
rozdiel teplôt ∆t = 30 °C ∆t = 30 °C
Odpoveď na otázku, ktorému objemu vody je potrebné dodať väčšie množstvo tepla, je jednoduchá. Vode s dvojnásobným objemom
(hmotnosťou) je potrebné dodať dvojnásobné množstvo tepla.
dodané teplo 2Q1
Q1 Pri rovnakom zvýšení teploty prijme voda teplo,
ktoré je priamo úmerné jej hmotnosti.
Toto tvrdenie môžeme zovšeobecniť aj pre všetky telesá – teplo prijaté telesom je priamo úmerné jeho hmotnosti.
Q~m
2. N
a dva rovnaké variče dáme rovnaké množstvá vody. Voda v oboch
nádobách má dosiahnuť teplotu 50 °C, ale ich začiatočné teploty sú
rôzne. V nádobe 1 má voda 20 °C a v druhej nádobe 35 °C. Ktorej vode je potrebné dodať väčšie množstvo tepla? Ktorý objem
vody treba zohrievať dlhšie?
35 °C
20 °C
1
84Teplo
2
5.5 Ako meriame teplo
Napíšeme všetky hodnoty, ktoré poznáme.
voda v nádobe 1 voda v nádobe 2
V2 = 1 l
objem vody V1 = 1 l m2 = 1 kg
hmotnosť vody m1 = 1 kg tz = 35 °C
začiatočná teplota tz = 20 °C výsledná teplota t = 50 °C t = 50 °C
rozdiel teplôt ∆t = 30 °C ∆t = 15 °C
Odpoveď na otázku: „Vode s ktorou teplotou je potrebné dodať väčšie množstvo tepla?“ je jednoduchá. „Vode s polovičným rozdielom
teplôt je potrebné dodať polovičné množstvo tepla.“
dodané teplo Q1
2
Q1 Pri rovnakej hmotnosti prijme voda teplo,
ktoré je priamo úmerné rozdielu teplôt ∆t.
Toto tvrdenie môžeme zovšeobecniť aj pre všetky telesá – teplo
prijaté telesom je priamo úmerné rozdielu jeho teplôt (začiatočnej
a konečnej).
Q ~ ∆t
Experimentmi sme prišli k záveru, že teplo prijaté telesom závisí od
jeho hmotnosti (m) a od rozdielu teplôt ∆t (t – tz). V úlohe s vodou sme
hovorili o objeme vody. Pri vode môžeme hmotnosť a objem zameniť,
číselne sa nepomýlime, pretože 1 l (1 dm3) má hmotnosť 1 kg. Všeobecne platí, že pri výpočte prijatého alebo odovzdaného tepla plynnými,
kvapalnými či pevnými telesami berieme do úvahy ich hmotnosť.
Dôležitým krokom pri zavádzaní fyzikálnej veličiny je rozhodnutie
o jej jednotke. O staršej jednotke tepla sa hovorilo v úvode tematického celku a bola ňou kalória (cal). Kalória bola definovaná ako teplo, ktorým sa 1 g vody zohreje o 1 °C. Neskôr J. P. Joule (džaul), anglický fyzik,
študoval javy súvisiace s teplom a energiou. Prišiel na myšlienku dať
fyzikálnym veličinám súvisiacim s energiou spoločnú jednotku, ktorú
neskôr pomenovali podľa neho joule (J). Teda jednotkou tepla je joule
(džaul), značka J.
Vzhľadom na staršiu jednotku tepla kalóriu platí: 1 cal = 4,18 J, zaokrúhlene 4,2 J. Zohriatím 1 g vody o 1 °C prijme voda teplo 4,2 J. Vo fyzike sa častejšie vyjadruje hmotnosť v kilogramoch. Potom na zohriatie
1 kg vody o 1 °C prijme voda teplo 4 200 J.
V pokuse s výmenou tepla medzi kovmi a vodou sme mohli pozorovať, že pri výmene tepla je dôležité, z akých látok sú telesá zložené.
Vieme dokázať, že 1 kg každej látky potrebuje prijať na zohriatie o 1 °C
Obr. 58 James Prescott Joule
iné množstvo tepla.
(1818 – 1889), anglický fyzik,
po ktorom je pomenovaná
jednotka tepla.
Teplo85
5. Výmena tepla
Rieš úlohy
1. R
ozhodni podľa údajov na obrázku, v ktorom prípade prijala voda
najväčšie množstvo tepla, aby sa zohriala na 80 °C? Svoju odpoveď
vysvetli.
30 °C
22 °C
1
10 °C
2
3
2. Voda s hmotnosťou 5 kg sa zohriala o 10 °C. Koľko tepla prijala voda?
(Nezabudni, že 1 kg vody treba na zvýšenie teploty o 1 °C dodať teplo
4 200 J.)
3. Z
isti si informácie a urob záznam o ich zdroji.
Ktorými oblasťami fyziky sa zaoberal J. P. Joule?
Vieš, že...
... hnijúce rastliny produkujú teplo? Niektoré živočíchy toto teplo
využívajú, ako napríklad vták – austrálsky tabon – prikrýva svoje
vajíčka teplou vrstvou zahnívajúcich rastlín – kompostom. Tento
kompost pokryje ešte pieskom. Keď sa vajíčka príliš zahrejú, vták
piesok odhrabe a nechá teplo uniknúť do okolia.
(Gates, P.: Věda a příroda. Bratislava: Mladé letá, 1995, s. 18)
5.6 Látka a teplo. Výpočet tepla
Piesok a ležadlo na pláži sa slnečným
žiarením zohrejú na rôznu teplotu.
Zo skúsenosti vieme, že ak by sme v letných mesiacoch na krátky čas
vystavili na slnko predmety z rôznych materiálov, ale s rovnakou začiatočnou teplotou a hmotnosťou, nedosiahnu rovnakú teplotu. Táto skutočnosť je spojená s vlastnosťou látok, ktorú nazývame tepelná ­kapacita.
Telesám z rôznych látok (s rovnakou hmotnosťou) potrebujeme dodať
rôzne množstvá tepla, aby sa zohriali o 1 °C.
Slovo kapacita sa bežne používa v spojení napríklad s dopravnými
prostriedkami. Autobus má kapacitu 50 cestujúcich. Kinosála má kapacitu 150 ľudí. Uvedené kapacity udávajú, koľko ľudí môžu prijať. Tepelná
kapacita telesa udáva, koľko tepla má teleso prijať, aby sa zohrialo o 1 °C.
V pokuse s výmenou tepla medzi horúcimi valčekmi a vodou izbovej teploty (strany 73 až 75) sa dalo z nameraných hodnôt zistiť, že po
tepelnej výmene bol veľký rozdiel v zmene teploty vody a valčekov
z mosadze, železa a hliníka.
86Teplo
5.6 Látka a teplo. Výpočet tepla
Pri presnom meraní možno zistiť rozdiel pri výmene tepla aj medzi
samotnými kovmi. V nasledujúcej úlohe využijeme hodnoty namerané
pri výmene tepla z opísaného pokusu, aby sme sa presvedčili o rozdieloch medzi kovmi.
Úloha
V troch pokusoch odovzdávali v kalorimetri tri kovové valčeky, zohriate na teplotu okolo 80 °C, teplo vode s izbovou teplotou (okolo
22 °C). Hmotnosť valčekov bola rovnaká ako hmotnosť vody v kalorimetri. Z nameraných hodnôt teplotných zmien kovových valčekov
a vody vypočítaj pri každom pokuse, aká tepelná zmena pripadá na
to, aby sa voda zohriala o 1 °C. Vypočítané hodnoty napíš do zošita vo
forme tabuľky.
Tabuľka: Teplotné zmeny kovových valčekov a vody po výmene tepla
pokus č.
1.
2.
teleso z látky
∆t [°C]
valček zo železa
50
voda
5,0
valček z mosadze
48
voda
4,7
valček z hliníka
43
voda
9,0
3.
mosadz
železo
hliník
Odpovedz:
1. P
orovnaj tepelné zmeny kovov v tabuľke. Pri ktorom z kovov si vy- Tabuľka: Vplyv zmien teploty kovov
počítal najväčší tepelný rozdiel pripadajúci na zmenu teploty vody na zmenu teploty vody o 1 °C
o 1 °C?
zmena teploty kovu
2. Ako si vysvetľuješ skutočnosť, že tepelné zmeny kovov dosahujú po
látka
pripadajúca na zmenu
výmene tepla s vodou vyššie hodnoty ako voda?
teploty vody o 1 °C
Telesá z rozličných látok potrebujú dodať rôzne množstvo tepla, aby
kov 1
sa zvýšila ich teplota o 1 °C. Meraniami v laboratóriu sa zistili hodnoty
kov 2
tepla, ktoré treba dodať telesám z chemicky čistých látok s hmotnoskov 3
ťou 1 kg, aby sa ich teplota zvýšila o 1 °C. Tieto hodnoty sú uvedené
v MFCH tabuľkách. Na obrázku 59 sú ako príklad uvedené hodnoty tep- (Tabuľku prepíš do zošita.)
la pre lieh, vodu a kovy, s ktorými sme pracovali.
1 kg
1 kg
lieh
voda
4 180 J
2 470 J
1 kg o 1 °C
1 kg o 1 °C
Obr. 59 Hmotnostné tepelné kapacity vybraných látok
1 kg
hliník
896 J
1 kg o 1 °C
1 kg
železo
452 J
1 kg o 1 °C
1 kg
1 kg
mosadz
394 J
1 kg o 1 °C
meď
383 J
1 kg o 1 °C
Teplo87
5. Výmena tepla
hmotnostná tepelná
látka
kapacita v
J
kg . °C
hliník
896
meď
383
olej
striebro
2 000
234
voda
4 180
vzduch
1 000
železo
452
Teplo, ktoré je potrebné dodať telesu s hmotnosťou 1 kg, aby sa
zvýšila jeho teplota o 1 °C, nazývame hmotnostná tepelná kapacita.
Značka pre hmotnostnú tepelnú kapacitu je malé písmeno c.
Hmotnostná tepelná kapacita (c) sa vzťahuje na látku, materiál, z ktorého je predmet vyrobený.
Keď porovnáme hmotnostné tepelné kapacity kovov a vody, vidíme,
že kovy majú hodnoty niekoľkonásobne menšie ako voda. Látka, ktorá má
malú hmotnostnú tepelnú kapacitu, sa ľahko ohreje, ale aj ľahko vychladne.
Látka, ktorá má veľkú hmotnostnú tepelnú kapacitu, ako napríklad
voda, spotrebuje väčšie množstvo tepla na ohriatie, a keď chladne, veľa
tepla uvoľňuje.
Opäť sa vrátime k charakteristike (definícii) fyzikálnej veličiny teplo
a zhrnieme všetky zistené faktory, ktoré majú vplyv na hodnotu telesom prijatého (odovzdaného) tepla.
Telesom odovzdané (prijaté) teplo súvisí s hmotnostnou tepelnou
kapacitou, s jeho hmotnosťou a rozdielom teplôt po výmene tepla:
Q ~ c, m, ∆t
Pre výpočet tepla môžeme zapísať vzťah:
Q = c . m . ∆t
Pri výpočtoch musíme používať správne jednotky fyzikálnych veličín.
Jednotka tepla je J (joule).
kJ
Jednotka hmotnostnej tepelnej kapacity jeJ/kgJ.. °C alebo kJ/kg. .°C
kg °C
kg °C
Jednotka sa dá odvodiť zo vzťahu Q = c . m . ∆t
=> c =
Jednotka hmotnosti (m) je kg.
Jednotka rozdielu teplôt (∆t) je °C.
Q
m . ∆t
Úloha
Koľko tepla musí prijať kus železa s hmotnosťou 10 kg, ak sa má zohriať z teploty 20 °C na teplotu 1 020 °C?
Postup:
a) Napíš si vzťah na výpočet tepla do zošita.
b) Vypíš si pod seba všetky známe aj neznáme hodnoty fyzikálnych
veličín.
c) Vypočítaj prijaté teplo a napíš odpoveď celou vetou.
Žeravé železo pripravené na priemyselné spracovanie
Teplo je fyzikálna veličina a má značku Q.
Telesom prijaté alebo odovzdané teplo vypočítame:
Q = c . m . ∆t
Jednotky tepla sú:
1 J (joule) 1 kJ = 1 000 J
1 MJ = 1 000 kJ = 1 000 000 J M (mega) znamená milión
1 GJ = 1 000 MJ = 1 000 000 000 J G (giga) znamená miliarda
88Teplo
5.6 Látka a teplo. Výpočet tepla
Pomôcka na zapamätanie
1 000 000 000
1 000 000
J
1 000
0,001
kJ
1 000
0,001
MJ
1 000
0,001
GJ
0,000 001
0,000 000 001
Rieš úlohy
1. V
ysvetli, prečo oceány a moria zmierňujú teploty pobrežných krajín
v zime a v lete a ako to súvisí s hmotnostnou tepelnou kapacitou
vody.
2. Voda pritekajúca do radiátorov ústredného kúrenia má teplotu okolo 60 °C. Koľko tepla odovzdalo 10 kg vody na vyhriatie izby, ak sa
teplota vody odtekajúca z radiátora znížila na 40 °C?
3. Po vyprážaní hranolčekov zostalo vo fritovacom hrnci 1,5 kg oleja
s teplotou 120 °C (coleja pozri v tabuľke na s. 88). Koľko tepla sa z oleja uvoľnilo, kým vychladol na izbovú teplotu (okolo 20 °C)?
4. V
ráť sa k pokusom s výmenou tepla medzi kovmi a vodou na strane
73 až 75.
a) D
o zošita vytvor tabuľku podľa vzoru a doplň ju údajmi z tabuľky
na strane 74: názvy kovov, hmotnosť kovov a vody (premeň ich
na kilogramy) a hodnoty rozdielov teplôt.
b) D
oplň hmotnostné tepelné kapacity kovov a vody.
c) Vypočítaj pre každý kov odovzdané teplo a koľko tepla prijala
voda. Napíš hodnoty do posledného stĺpca tabuľky.
Tabuľka: Záznam hodnôt pri výmene tepla medzi kovmi a vodou
číslo
látka
merania
1.
2.
3.
hmotnostná tepelná
hmotnosť
J
kapacita
[kg]
kg . °C
∆t
[°C]
teplo
[J]
kov 1
voda
kov 2
voda
kov 3
voda
Qv [J]
0
Qk [J]
d) Z
ostroj graf z hodnôt tepla odovzdaného kovmi (Qk) a tepla prijatého vodou (Qv).
e) V
ypočítaj podiel hmotnostnej tepelnej kapacity vody a každého
kovu. Podiely porovnaj s výsledkami v tabuľke (s. 87 na okraji).
Odpovedz:
1. Sú veľké rozdiely medzi vypočítanými hodnotami tepla odovzdaného kovmi a tepla prijatého vodou?
2. Ak by nedochádzalo k stratám tepla do okolia, aký vzťah by mal
byť medzi odovzdaným a prijatým teplom v kalorimetri?
3. Možno podľa priebehu čiary grafu predpokladať vzťah medzi
odovzdaným a prijatým teplom pri tepelnej výmene?
Teplo89
5. Výmena tepla
4. Ako si vysvetľuješ, že podiely vo vytvorenej tabuľke sú približne rovnaké ako podiely hmotnostných tepelných kapacít vody a kovov?
5. V tabuľke sú uvedené údaje zo zúčtovania nákladov na vykurovanie. Vypíš z nej údaje uvedené v gigajouloch (GJ) a premeň ich na
jouly (J).
Údaje o rozpočítavaní množstva tepla na vykurovanie pre konečného spotrebiteľa – I. obdobie
základná zložka
podiel nákladov
za objekt
6 818,815 €
spotrebná zložka
15 910,569 €
indikované údaje
spolu
4 255,690 m2
900,429 GJ
náklad na údaj
1,602 282 €/m2
17,669 991 8 €/GJ
indikované údaje
za byt
66,470 m2
podiel bytu
na spotrebe
106,50 €
12,995 GJ
229,61 €
spolu v € vrátane DPH
336,11€
5.7 Teplo a premeny skupenstva
V prvom tematickom celku Teplota. Skúmanie premien skupenstva
látok sme robili pokusy a skúmali, kedy, za akých podmienok, dochádza k premenám skupenstva látok a ako možno uskutočniť merania
pri prebiehajúcich premenách. Veľa nám o tom prezradili čiary grafov,
ktoré boli zostrojené z nameraných hodnôt teploty v pravidelných časových intervaloch. Vráťme sa k premenám skupenstva a zamyslime sa
nad vzťahom medzi premenou skupenstva, teplom a časticovou
stavbou látok.
Vyparovanie a var
Vyparovanie
Vyparovanie prebieha pri každej teplote. Častice kvapaliny sú v ustavičnom pohybe. Niektoré z častíc na povrchu kvapaliny majú takú
rýchlosť, že sa oddelia od ostatných častíc a vzdialia sa. Pri vyparovaní
odoberá kvapalina teplo zo svojho okolia. V dôsledku prijatého tepla
sa častice pohybujú rýchlejšie. Vyparovanie prebieha iba na povrchu.
Pri vare sa kvapalina mení na paru aj vo svojom vnútri, čo sa prejavuje
formou veľkých bublín, ktoré unikajú z kvapaliny.
Premenu skupenstva pri vare možno znázorniť takto:
var
kvapalina para
Teplo sa spotrebúva na intenzívnu premenu kvapaliny na plyn.
Var
Pri meraní teploty vody v pravidelných časových intervaloch sme
pozorovali, že sa teplota pri vare nemenila. Dodávané teplo vode sa
spotrebovalo na premenu skupenstva, na intenzívnejší pohyb častíc,
na ich oddeľovanie z kvapaliny, napríklad vody.
Na čiare grafu je var znázornený vodorovnou čiarou, pretože teplota
kvapaliny nestúpala.
Teplo, ktoré dodáme kvapaline na premenu skupenstva na plyn, sa
nazýva skupenské teplo varu. Aby sme mohli porovnávať skupenské
teplá varu kvapalín, boli zisťované hmotnostné skupenské teplá varu.
90Teplo
5.7 Teplo a premeny skupenstva
Je to teplo, ktoré potrebujeme dodať kvapaline s hmotnosťou 1 kg pri
teplote varu (a danom tlaku), aby sa všetka voda premenila na paru s tou
istou teplotou. V MFCH tabuľkách môžeme zistiť, že hodnota hmotnostného skupenského tepla varu vody je 2 260 kJ/kg.
Graf závislosti teploty od času pri vare vody
teplota [°C]
teplota nestúpa
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
čas [min]
Kondenzácia
Keď dýchneme na studené sklo, vzniknú na ňom kvapky rosy. Pri
kondenzácii sú častice pary blízko pri sebe, narážajú na seba a vytvoria
kvapku. Ak sa vzduch nasýtený vodnou parou náhle a veľmi prudko
ochladí, mení sa vodná para na kryštáliky ľadu – inovať.
Premenu skupenstva pri kondenzácii možno znázorniť takto:
kondenzácia
para
kvapalina
Nasýtená para odovzdá svojmu okoliu teplo a premení sa na kvapalinu.
Kondenzáciu možno využiť na oddeľovanie zložiek kvapalných
zmesí, ak pary pri teplote varu každej zložky náhle ochladíme. Oddeľovanie sa robí v špeciálnych kondenzačných aparatúrach a využíva sa
aj v priemysle.
Na grafe je znázornené oddeľovanie liehu od vody.
Graf závislosti teploty od času pri vare zmesi liehu a vody
teplota [°C]
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Kondenzácia vodných pár
na studenom skle
Prudkým ochladzovaním
pár liehu – kondenzáciou,
sa oddeľuje lieh od vody.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
čas [min]
Teplo91
5. Výmena tepla
Topenie a tuhnutie
Častice pevnej látky majú svoje stále polohy, okolo ktorých kmitajú.
Na roztopenie pevnej látky, uvoľnenie častíc z ich stálych polôh, musíme dodať teplo. Pri topení sa teplo spotrebuje na premenu skupenstva, teplota nestúpa.
Pri tuhnutí sa častice vracajú do svojich stálych polôh. Uvoľňuje sa
pri tom teplo, hoci teplota látky neklesá. Dobrým príkladom je topenie
a tuhnutie tiosíranu sodného.
Premenu skupenstva pri topení a tuhnutí vody možno znázorniť
takto:
topenie pevná látka tuhnutie kvapalina Teplo sa spotrebuje na
premenu skupenstva.
pevná látka
Teplo sa uvoľňuje,
látka tuhne.
Tiosíran sodný je vhodná chemická látka na skúmanie topenia
a tuhnutia, pretože sa topí a tuhne pri teplote 48 °C. Túto teplotu možno v laboratóriu ľahko dosiahnuť. Zohrievaním tejto látky až po teplotu
okolo 66 °C a následným ochladzovaním až po izbovú teplotu získame
hodnoty, z ktorých možno zostrojiť graf.
Graf závislosti teploty od času pri topení a tuhnutí tiosíranu sodného
teplota [°C]
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
topenie
tuhnutie
pevná
látka
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
čas [min]
Teplo, ktoré dodáme pevnej látke na premenu skupenstva na kvapalinu, sa nazýva skupenské teplo topenia. Pre rôzne pevné látky bolo zisťované hmotnostné skupenské teplo topenia. Je to teplo, ktoré
potrebujeme dodať pevnej látke s hmotnosťou 1 kg pri teplote topenia
(a danom tlaku), aby sa premenila na kvapalinu s tou istou teplotou.
V MFCH tabuľkách môžeme zistiť, že hodnota hmotnostného skupenského tepla topenia ľadu je 332 kJ/kg.
92Teplo
5.7 Teplo a premeny skupenstva
Rieš úlohy
1. Vysvetli, prečo pociťujeme na mokrých rukách chlad.
2. O
píš a porovnaj nasledujúce dvojice premien skupenstva. Uveď,
v čom sa dvojice zhodujú a aké sú medzi nimi rozdiely:
– vyparovanie a var,
– topenie a tuhnutie,
– kondenzácia a vyparovanie.
POZNÁMKA:
3. Urob si pokus: rýchla premena vody na ľad
Pracuj len v prítomnosti
Pomôcky:
vyučujúceho
alebo inej dospelej
sklenená nádoba, bután – plyn do zapaľovačov, voda
osoby.
Postup:
a) Nalej do sklenenej nádoby na dno trochu vody.
b) Prudko vypusti plyn do vody tak, ako je to znázornené na obrázku.
Odpovedz:
ko si vysvetľuješ, že sa voda, do ktorej sme vypustili plyn, prudko
A
ochladila, prípadne až zamrzla?
Teplo93
Download

5. Výmena tepla