Hoření svíčky varianta 1. Teorie: Hoření je proces, při kterém dochází k uvolňování energie. Je to exotermický oxidační děj. Téměř vždy dochází k uvolňování světelné a tepelné energie. V průběhu hoření vznikají oxidy. Důsledkem hoření je tedy změna koncentrace některých plynů v ovzduší. Vaším úkolem bude zjistit, jak se mění v průběhu hoření koncentrace kyslíku a oxidu uhličitého. Zároveň se seznámíte s programem e-ProLab a naučíte se ho používat.
1. Úkol: a) Připojte a nakalibrujte čidlo teploty. b) Ověřte spolehlivost a přesnost své kalibrace.
a) Připojte a nakalibrujte čidlo teploty.
Pomůcky: led, voda o pokojové teplotě, vařič (popřípadě spirála, rychlovarná konvice), kádinka, teploměr, senzor teploty Postup: Teploměr zapojíme do vstupu Vin0 (Obrázek 3.1). Spustíme program e-ProLab a zvolíme modul Editor senzorů (Obrázek 3.2). Otevře se okno, které vidíte na obrázku 3.3.
Obrázek 3.1 Vstup Vin0 1
Obrázek 3.2 Základní nabídka modulů programu e-ProLab
Obrázek 3.3 Modul Editor senzorů Po zvolení položky Vložit nový (viz položka 2. na obrázku 3.4, dál už jen 2/3.4) se vám v kolonce Seznam senzorů objeví položka nový senzor (1/3.4). 2
Pro vytvoření nového čidla vyplníte potřebné údaje v následujících kolonkách (viz. číslování na obrázku 3.4): Ad 6) Zde si název nový senzor nahradíte vlastním pojmenováním čidla, v našem případě to bude teploměr. Ad 7) V této kolonce zadáme označení veličiny, kterou bude nové čidlo měřit. Jelikož se pro teplotu používá označení t, použijeme ho i v tomto případě. Ad 8) Slouží pro zadání jednotky měřené veličiny. Pro naše měření použijeme Celsiovu stupnici a tedy do kolonky vložíme °C. Ad 9) Každý senzor má určitý rozsah, ve kterém je schopen měřit danou veličinu, pro jejíž měření je určen. Tato vlastnost je charakteristická pro každé čidlo, a proto je důležité při každé kalibraci minimální a maximální možné hodnoty zapsat do těchto kolonek. Tuto informaci naleznete v manuálu k vybranému senzoru. Vyhledejte tyto hodnoty pro používaný teploměr.
Obrázek 3.4 Přidávání nového senzoru
Dalším krokem bude samotná kalibrace nového senzoru. Zvolte ikonu Kalibrovat a otevře se okno, které je popsáno na obrázku 3.5. Důležitým prvkem tohoto kroku je mít správně nastavený vstup, ve kterém se čidlo nachází (1/3.5). V našem případě se jedná o vstup Vin0 (3.1), do kterého jsme teploměr na začátku zapojili. V kolonce 2/3.5 se zobrazují aktuální hodnoty napětí na vstupu z daného senzoru. Toto napětí se s měnící teplotou bude měnit. Cílem celé kalibrace je proto k těmto hodnotám napětí přiřadit co nejpřesněji hodnoty teplot. Všechny hodnoty na konci uložíme tlačítkem Uložit (3/3.5) a celou 3
kalibraci ukončíme tlačítkem Zavřít (4/3.5). Připravíme si ledovou tříšť v kádince. Postup je takový, že celé kusy ledu zabalíme do libovolné látky a drtíme je údery kladiva. Vyrobenou tříšť přesypeme do kádinky a zasuneme do něj senzor teploty. Zároveň co nejblíže senzoru vsuneme druhý teploměr a čekáme až se hodnoty napětí v okně 2/3.5 a teplota na kontrolním teploměru ustálí.
Obrázek 3.5 Kalibrace čidla V tomto okamžiku odečtěte hodnotu z kontrolního teploměru a zapište do kolonky 1/3.6 a potvrďte stisknutím klávesy Enter na vaší klávesnici. Hodnota se objeví v levém sloupci 2/3.6 a zároveň je hodnota znázorněna v grafu závislosti teploty na napětí 3/3.6. Další hodnotu teploty vložíme tak, že do prázdné kádinky nalijeme vlažnou vodu z kohoutku. Opět ponoříme oba teploměry a čekáme až se hodnoty ustálí. Celý postup opakujeme stejně jako s ledovou tříští. Pro přesnost kalibrace se doporučuje zadat minimálně 3 hodnoty. Vařičem ohříváme vodu v kádince až k bodu varu. Hodnoty teploty lze odečítat v průběhu ohřívání, ale pamatujte na setrvačnost teploměrů. V praxi to znamená, že použijete-li jako kontrolní teploměr rtuťový teploměr může být 4
teplota vody v kádince již vyšší oproti odečítané hodnotě z kontrolního teploměru.
Obrázek 3.6 Zadávání hodnot v průběhu kalibrace čidla
Všechny naměřené hodnoty by měly být zaznamenány v kolonce 2/3.6 a zároveň znázorněny a propojeny v grafu. Všechny změny uložíme tlačítkem Uložit 3/3.5 a kalibraci ukončíme tlačítkem Zavřít 4/3.5. Vzápětí se na monitoru objeví nové okno (obrázek 3.7). Potvrzením tlačítka Yes uložíte kalibraci do seznamů čidel. Nechcete-li kalibraci potvrdit, zmáčknete tlačítko No. V tomto případě zvolte volbu Yes.
Obrázek 3.7 Uložení kalibrace
Nyní jste se opět ocitli v okně Editor senzorů a při odškrtnutí možnosti Display 10/3.4 se zobrazí panel, ve kterém se zobrazují aktuální hodnoty vybraného připojeného čidla. Starší kalibrace lze načíst pomocí tlačítka Otevřít 2/3.4. 5
Celou editaci nového senzoru ukončíte stisknutím tlačítka Zavřít. Zobrazí se další okno, které se zeptá, zdali má být vytvořené čidlo zařazeno do seznamu čidel (obrázek 3.8). Potvrdíte volbu Yes a nyní by měl být senzor plně funkční.
Obrázek 3.8 Uložení nového čidla
b) Ověřte spolehlivost a přesnost své kalibrace. Pomůcky: čidlo teploty, kontrolní teploměry (digitální a rtuťový), vařič (popřípadě spirála, rychlovarná konvice), kádinka s vodou Postup: Do vlažné vody v kádince vložte čidlo teploty a kontrolní teploměry. Sledujte, v jakém pořadí se ustálí teplota na určitých hodnotách a zda-li se tyto hodnoty nějak liší. Stejné měření proveďte minimálně pětkrát pro různé teploty vody. Z pozorování vyvoďte odpovídající závěry.
6
2. Úkol: Nastavte všechny potřebné parametry experimentu potřebné k měření hoření svíčky. Postup:
Obrázek 3.9 Modul HiScope Jestliže ze základní nabídky modulů (3.2) vyberete možnost HiScope, zobrazí se na monitoru v podobě, která je zachycena na obrázku 3.9.
Obrázek 3.10 Ikony na horní liště modulu HiScope
Na horní liště se zobrazí několik ikon, ale pouze část můžete používat ihned. Zbylé ikony se zprovozní postupným nastavováním pokusu. K naší práci použijeme první ikonu zleva (1/3.10). Pracovně ji nazveme Nová čidla, veličiny. Ikona 2/3.10 slouží k otevírání souborů HiScope což znamená, že pomocí ní lze otevřít starší uložená měření. Pomocí třetí ikony zleva 3/3.10 vyberete potřebná čidla k měření. 4/3.10 lze používat až po zvolení čidel a slouží k vymezení proměnných, které chceme měřit. 7
Obrázek 3.11 Tvorba nového měření v modulu HiScope
Pro vytvoření nového měření stiskněte ikonu Nová čidla, veličiny (1/3.10). Otevře se nové okno, které nese název: „Vybrat připojená čidla“. V tomto okně naleznete tyto následující možnosti (3.11): Ad 2) V levém sloupci pod názvem Dostupná čidla je seznam všech senzorů, které jsou nakalibrované a lze je použít. Ad 3) Touto volbou přidáváte označená čidla z levého sloupce do seznamu čidel, které budete používat v následujícím pokusu. Ad 4) Toto tlačítko slouží pro odebrání čidla z pravého sloupce. Ad 5) Levý sloupec nese název Připojená čidla a zobrazuje zvolené senzory. Ad 6) Po zvolení určitého senzoru nastavte číslo vstupu, ve kterém je zapojený. Označení každého vstupu se nachází na samotném měřícím systému. Ad 7) Pro každý senzor je potřeba určit jeho rozsah. Ten je uveden výrobcem v manuálu ke každému senzoru. Jedná se o zadání minimální a maximální hodnoty. Ad 8) U každého senzoru je určeno v jakých jednotkách danou veličinu měří. Ad 9) Tento panel zobrazuje, kterou veličinu dané čidlo měří. Ad 10) Pro potvrzení nastavení stiskněte tlačítko Ano. Pro náš pokus vyberte čidla teploty, koncentrace oxidu uhličitého a kyslíku ve vzduchu. 8
Obrázek 3.12 Vymezení proměnných Nyní již můžete používat ikonu Vymezení proměnné (4/3.10). Otevře se vám nové okno (3.12), ve kterém zvolíte proměnné, které hodláte pomocí zvolených čidel měřit. V levém sloupci (1/ 3.12) uvidíte všechna zvolená čidla. Pomocí tlačítek Vybrat nebo Vybrat vše přesunete označené čidla do levého sloupce (3/3.12). Pro náš pokus vyberte všechna tři připojená čidla. Tímto krokem jste zvolili proměnné pro následující pokus. Vše potvrdíte tlačítkem Ano a vrátíte se do modulu HiScope. Tímto krokem se zobrazily všechny ikony v celém modulu.
Obrázek 3.13 Nově zobrazené ikony
9
Po zmáčknutí ikony s označením t (1/3.13) se otevře nové okno (3.14).
Obrázek 3.14 Nastavení vzorkovacího času a spuštění experimentu V tomto okně lze nastavit následující parametry experimentu: (1/3.14) Vzorkovací perioda – je to čas mezi snímáním čidel. Lze vybrat periodu od 2,5 μs do 60 minut. Záleží, jaký pokus měříme. Chceme-li měřit dynamický a rychle se měnící děj, zvolíme malou vzorkovací periodu, a naopak jedná-li se o děj, v němž změny probíhají pomalu, stačí zvolit vyšší vzorkovací periodu. Mějte však na paměti, že některá čidla mají velkou setrvačnost, a navíc mohou mít omezenou vzorkovací periodu. Například senzor koncentrace oxidu uhličitého ve vzduchu může snímat nejrychleji s periodou min. 1s. Z toho plyne, že i vyšší zvolená vzorkovací perioda by byla zbytečná. (2/3.14) Počet vzorků – udává počet snímání senzorů v průběhu experimentu. Zvolený počet vzorků ovlivňuje především délku experimentu (3/ 3.14). Kombinací vzorkovací periody (1/ 3.14) a počtu vzorků (2/ 3.14) nastavujeme zároveň i délku měření celého experimentu (3/ 3.14). Proto je důležité před nastavením celého pokusu odhadnout jeho délku a podle toho zvolit odpovídající celkový čas trvání. Pod číslem 4. na obrázku 3.14 se nachází panel Spouštění. Ten slouží k naplánování spouštění pokusů. Za normálních okolností a tedy i v našem pokusu použijeme standardní nastavení. U některých dlouhodobých pokusů lze využít spouštění měření pouze při překročení určitých hodnot nebo při jejich poklesu. V tomto kroku použijte jen nastavení počtu vzorků a vzorkovací periody. Předem zkuste odhadnout, 10
jaký čas bude potřebný k naměření našeho pokusu. Dle svého odhadu nastavte i celkový čas trvání měření. Na obrázku 3.15 jsou popsány možnosti nastavení změn parametrů veličin. Popis obrázku 3.15: Ad 1) Ve sloupci Proměnné se nacházejí námi zvolené senzory z předchozího kroku s příslušnými vstupy, ve kterých se nacházejí. Ad 2) Umístění proměnné v tomto panelu potvrzuje její zobrazení v 1. grafu. Stejný postup jak u tohoto panelu (viz. dále) postupujeme i u panelů y(t): 2,3 a 4 Ad 3) Proměnnou lze umístit na vodorovnou osu grafu. Ad 4) Tímto tlačítkem se vybranou proměnnou umísťuje do prvního grafu a na vodorovnou osu.
Obrázek 3.15 Změna parametrů veličin a řazení do grafů
Ad 5) Zároveň lze i upravit rozsah měřené veličiny v daném experimentu, očekáváme-li menší rozsah než je absolutní rozsah senzoru. Ad 6) Tlačítkem Smazat odstraníme proměnnou z daného grafu Ad 7) V případě že chceme do jednoho grafu umístit druhou proměnnou, umístíme ji na svislou osu. Postup je stejný jak u umísťování na osu vodorovnou. 11
Ad 8) Ikonou Ano vše potvrdíme a okno se automaticky uzavře. Měřené veličiny pro pokus Hoření rozmístěte dle vlastního uvážení do grafů tak, že každou veličinu umístěte vždy do jednoho grafu. Tímto nastavením se otevře vámi nadefinovaný panel měření (obrázek 3.16). Na horním panelu přibylo několik nových ikon (obrázek 3.17), které budou potřebné při upravování nastavení měření.
Obrázek 3.16 Časová závislost proměnných
1.
6.
2.
3.
7.
4.
5.
8.
Obrázek 3.17 Nové ikony na horní liště
12
Na obrázku 3.17 jsou označeny tyto nové ikony: Ad 1) Slouží k ukládání výsledných naměřených grafů jako souborů bmp. Usnadňuje tak následnou práci s výsledky. Ad 2) Díky ní lze ihned vytisknout naměřené veličiny v podobě grafů Ad 3) Po volbě této ikony se vám zobrazí okno, které již znáte. Jmenuje se Výběr proměnné (3.15) a slouží k nastavení případných změn v průběhu měření. Ad 4) Zmáčknutím zelené šípky na horním panelu spustíte celé měření. Ad 5) Chcete-li vymazat naměřené veličiny, použijte toto tlačítko. Ad 6) Zaškrtnutím položky Zobrazit hodnoty se na levé straně objeví zásuvný panel, ve kterém jsou zobrazeny zvolené hodnoty z grafů (1/3.16). Ad 7) Zaškrtnete-li položku Spojit čáry, vykreslí se vám spojnice mezi jednotlivými body (3/ 3.16). Ad 8) Touto položkou zobrazíte názvy nebo charakteristiky měřených veličin v grafu (2/ 3.16). Závěrečnými kroky tohoto úkolu bude označit všechny tři zaškrtávací políčka a následné uložení celého pokusu do vybraného souboru. 3. Úkol: Realizujte pokus Hoření svíčky v uzavřené nádobě. Z výsledků určete: a) Čas hoření svíčky. b) Koncentraci kyslíku ve vzduchu, při které zhasne svíčka. c) Popište všechny změny měřených veličin v průběhu měření a vysvětlete je. d) Zamyslete se nad důsledky hoření a projednejte je v diskuzi. Pomůcky: Svíčka, průhledný nehořlavý poklop, čidlo teploty, čidlo koncentrace oxidu uhličitého a kyslíku ve vzduchu.
13
Ilustrační foto:
Postup: Připravte si svíčku a měřidla tak, abyste je mohli bez problémů přikrýt poklopem. Zapalte svíčku. Spusťte měření, které jste si připravili v 1. úkolu a nyní svíčku i s čidly přikryjte poklopem. Jestliže se stane, že nastavení času měření je krátké nebo příliš dlouhé vzhledem k trvání pokusu, potom jeho délku adekvátně upravte.
14
