Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15
Pokusy s teplem aneb co se stane s rĤznými plasty po zahĜátí VÁCLAVA KOPECKÁ KDF MFF UK v Praze, ZŠ a MŠ Praha - Nebušice PĜíspČvek popisuje nČkolik pokusĤ s bČžnČ dostupnými plastovými nádobami, které demonstrují odlišné tepelné vlastnosti rĤzných plastĤ.
Úvod DennČ používáme plastové výrobky. Nápoje zakoupíme v PET láhvích, nápojové automaty nám vydají oblíbenou kávu þi þaj v polystyrénovém nebo polypropylenovém kelímku, mléþné výrobky zakoupíme napĜíklad v obalech oznaþených písmeny PP, PVC þi HDPE (význam znaþek a další základní údaje shrnuje tabulka 2). Asi každému z nás se zdeformovala (zmenšila) PET láhev, když jsme do ní nalili pĜíliš teplou vodu. A jak je to s dalšími plastovými nádobami? Co se stane, pokud do nich nalijeme vroucí vodu nebo horký olej? Na tyto otázky pomohou odpovČdČt následující pokusy.
Úþinky vaĜící vody na rĤzné plasty Úkol ZjistČte, jak se zmČní plastové kelímky, když do nich nalijete právČ uvaĜenou vodu z varné konvice. PomĤcky Varná konvice, voda, kelímky a láhve od rĤzných potravin, odmČrný válec, teplu odolná vČtší nádoba (napĜ. hrnec nebo pekáþ), hadr, teplomČr. Postup Urþete, z jakého plastu jsou nádoby vyrobeny (nejþastČji lze oznaþení plastu nalézt na dnČ) a jaký mají objem. Oba údaje si zapište do tabulky. Nádoby položte na hadr v hrnci þi pekáþi. Ve varné konvici uvaĜte vodu a nalijte ji do kelímkĤ. Pomocí teplomČru mĤžete urþit teplotu vody. Po chvíli nČkteré kelímky zaþnou mČnit tvar a objem, voda z nich mĤže vytékat do pekáþe. Nechte vodu vychladnout a vylijte ji z kelímkĤ. OpČt zmČĜte objem použitých nádob a údaje si zapište do tabulky. Výsledky porovnejte. Výsledky Jak je vidČt z tabulky 1, pro pokus jsme použili nejrĤznČjší kelímky a láhve z HDPE, PP, PS. PET a PVC. V tabulce jsou uvedeny objemy kelímkĤ pĜed tím, než jsme do
103
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15 nich nalili vaĜící vodu (pĤvodní objem), a po nalití vaĜící vodu (koneþný objem). Relativní zmČna objemu je pomČr zmČny objemu a pĤvodního objemu. Tabulka ukazuje, že nádoby z HDPE a PP prakticky nezmČnily svĤj objem (viz obr. 1). Kelímky z PS jsou zdeformované a relativní zmČna jejich objemu je do 10% objemu pĤvodního (viz obr. 2). PET láhve výraznČ zmenšily svĤj objem (relativní zmČna jejich objemu je pĜes 30%), ale pĜi zmenšování si pĜibližnČ zachovávají pĤvodní tvar (viz obr. 3). Kelímek od Termixu vyrobený z PVC se prakticky vyrovnal na placku (viz obr. 4).
HDPE (Dobrá máma)
PP (jogurt Albert)
PS (kelímek na kávu)
PS (jogurt Activia)
PS (prĤhledný kelímek)
pĤvodní objem (ml)
120
213
184
230
160
230
541 123
koneþný objem (ml)
120
208
182
216
150
212
351 0
relativní zmČna objemu 0,00
0,02
0,01
0,06
0,06
0,08
0,35 1,00
Nádoba
Obr. 1 Kelímky z HDPE a PP
PET láhev (PodČbradka)
HDPE (Actimel)
PVC (Termix)
Tabulka 1: ZmČna objemu kelímkĤ po naplnČní vaĜící vodou
Obr. 2 Kelímky z PS
Obr. 3 PET láhve pĜed a po
Obr. 4 Kelímek z PVC
104
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15
Co udČlá rĤznČ teplý olej s kelímky z PS a PP? Úkol ZjistČte, co se stane s rĤznými kelímky, když je vložíte do rĤznČ horkého oleje. PomĤcky VaĜiþ, hrnec, Ĝepkový olej, sady cca 10 kelímkĤ z PS (napĜ. kelímky na kávu z automatu) a PP (napĜ. kelímky od jogurtĤ Albert, Florian nebo Selského jogurtu), teplomČr s rozsahem alespoĖ do 300°C, talíĜ, kleštČ nebo pinzeta, hadr, lihový popisovaþ. Postup V hrnci na vaĜiþi ohĜívejte dostateþné množství oleje, aby se do nČj mohl ponoĜit kelímek (podle tvaru hrnce asi 1l). Ve stejných teplotních intervalech (napĜ. po 10°C) vkládejte do oleje kelímky. Zdeformované kelímky z oleje vyndejte pinzetou a oznaþte je pĜíslušnou teplotou. Porovnejte výsledné tvary kelímkĤ. Výsledky Výsledky pokusĤ záleží na materiálech, ze kterých jsou kelímky vyrobeny. Kelímky na kávu vyrobené z PS se zaþínají deformovat již pĜi použití právČ uvaĜené vody ve varné konvici (asi pĜi 94°C). PĜi použití oleje o teplotČ 110°C se z kelímku stává mistiþka. PĜi použití oleje o vyšších teplotách se mistiþka zmenšuje. PĜi teplotČ kolem 150°C se kelímek mČní na rovnou destiþku, jak ukazuje obr. 5. Pokud použijete olej o teplotČ 160°C, plast se zaþíná „trhat“ (viz obr. 6). Kelímky vyrobené z PP svĤj tvar nemČní až do teploty 150°C. PĜi použití oleje o vyšší teplotČ kelímek zaþíná mČnit své vlastnosti. PĜi teplotČ 180°C se kelímek v oleji zmČní v placku. Na rozdíl od PS ale PP nezachovává tvar a po vyndání z oleje se pokroutí. PĜi teplotČ 190°C a vyšších se odtrhává dno od zbytku kelímku (viz obr. 7) Z pokusu je vidČt, že pokud chceme pracovat s vaĜící vodou, je dobré použít kelímky z PP, které mČní tvar pĜi mnohem vyšších teplotách než PS.
Obr. 5 Kelímky na kávu po ponoĜení do rĤznČ teplého oleje.
105
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15
Obr. 6 Kelímek z PS v oleji 160°C
Obr. 7 Kelímek z PP v oleji 190°C
Poznámky Pracujete s vaĜící vodou (cca 98°C) a horkým olejem (i ke 300°C), pozor na bezpeþnost. Pokus lze promítat pomocí kamery. Pozor na pĜítomnost vody na kelímcích a dalších pomĤckách, které budete ponoĜovat do horkého oleje. PĜi mČĜení teploty oleje doporuþuji vkládat teplomČr do pĜipravené nádobky s olejem. Pokusy s PS jsou inspirovány [1] a [2]. VysvČtlení Plasty dČlíme do rĤzných skupin, napĜíklad podle tzv. nadmolekulární struktury na amorfní a krystalické (semikrystalické). U amorfních plastĤ zaujímají jednotlivé makromolekuly náhodné pozice. Mezi amorfní polymery patĜí napĜíklad PS (polystyrén) nebo PVC (polyvinylchlorid). Krystalické (semikrystalické) plasty v sobČ obsahují 40 – 90% uspoĜádaných oblastí (nikdy nebudou dosahovat 100% uspoĜádanosti). Do této skupiny patĜí napĜíklad PP (polypropylén) nebo HDPE (vysokohustotní polyetylen). Plasty charakterizuje teplota zeskelnatČní, která je u semikrystalických látek velice nízká, na rozdíl od amorfních látek. PĜi této teplotČ dochází k porušení mezimolekulárních sil a jednotlivé segmenty se vĤþi sobČ mohou natáþet, materiál se snadno deformuje. Tato viskoelastická deformace je þásteþnČ vratná. Dále urþujeme ještČ teplotu tání, pĜi které se pevný plast mČní na kapalinu. Tento proces se nedČje pĜi jedné konkrétní teplotČ, ale dochází k nČmu v urþitém teplotním intervalu. Jako teplotu tání oznaþujeme stĜední teplotu tohoto intervalu. [3]
106
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15 V pĜípadČ PVC a PS je velikost pokojové teploty pod teplotou zeskelnatČní. Pokud plastovou nádobu naplníme vaĜící vodou, pĜekroþíme teplotu zeskelnatČní. Kelímek se zaþne deformovat až do tvaru, který mČl pĜed vytvarováním, tedy do placky. U ostatních plastĤ jsme pĜi pokojové teplotČ vysoko nad teplotou zeskelnatČní. Pokud budeme kelímek ještČ více zahĜívat (naplníme ho ještČ teplejší kapalinou), mĤžeme dosáhnou teploty tání. Kelímek se nevrátí do tvaru, z kterého byl vytvoĜen, ale zaþne se roztékat. V tabulce 2 jsou uvedeny základní údaje [3], [4], [5] o materiálech použitých kelímkĤ. Tabulka 2: Základní údaje o materiálech použitých kelímkĤ Zkratka
Název
Oznaþení pro Struktura recyklaci
Teplota zeskelnatČní (Teplota tání)
PVC
Polyvinylchlorid
3
Amorfní
87°C
PS
Polystyrén
6
Amorfní
95°C
PET
Polyetylentereftalát
1
Semikrystalické (260°C)
PP
Polypropylen
5
HDPE
Vysokohustotní (li- 2 neární) polyetylen
Semikrystalické -15°C (170°C) Semikrystalické -120°C (130°C)
Tento výstup vznikl v rámci projektu Specifického vysokoškolského výzkumu 2010-261 310.
Literatura [1] Holubová R.: Vybrané pokusy s polymery, http://fyzweb.cz (22. 5. 2008) [2] Chajda R.: Fyzika na dvoĜe. Computer Press, a.s., Brno 2008 [3] http://www.ksp.tul.cz/cz/kpt/obsah/vyuka/skripta_tkp/sekce_plasty/01.htm [4] http://en.wikipedia.org/wiki/Polyethylene_terephthalate [5] http://www.obalycesko.cz/Htm/Normy01.asp
107
