TEPLO Náměty na pokusy na Malé Hraštici 2008 (1. verze, L. Dvořák, 3. 5. 2008)
1. Jak co „drží teplo“ Zkuste změřit: • Tepelnou kapacitu nejrůznějších věcí (matiček, kovové lžičky, kamenů, dřeva, buřtu, …) • Měrnou tepelnou kapacitu různých látek (kovů, písku, platu, lihu, … - když známe měrnou tepelnou kapacitu vody) • Tepelnou kapacitu vody (když ji neznáme!) • Tepelnou kapacitu vzduchu (to je „výzva“!) • Udělejte si různé kalorimetry (z polystyrénových kelímků, PET lahví atd. – čím je dobré kalorimetr izolovat?). • Zkoumejte, jak těleso chladne (je na to také nějaký Newtonův zákon – říká, že těleso chladne úměrně rozdílu teplot mezi ním a okolím; prý se tím dá také měřit tepelná kapacita: vyzkoušejte!) • Zkuste udělat co nejlepší „akumulátor tepla“ (Pozn.: Já vím, že se nemá říkat, že „v tělese je teplo“, že jde o vnitřní energii… Co myslíte, bylo by rozumné tu energii akumulovat třeba na zvednutí nějakého závaží a pak ji zase zpětně měnit v teplo?)
2. Jak co vede teplo • Jakýmkoli způsobem demonstrujte různou tepelnou vodivost různých materiálů. • Vymyslete a vyzkoušejte, jak (nějak jednoduše) změřit velikost tepelného toku (třeba kovovou tyčinkou). • Je tepelný tok opravdu úměrný velikosti rozdílu teplot? (Ukažte to pokusem.) • Zkuste měřit tepelnou vodivost různých materiálů (požijte třeba měděný drát, železný hřebík, kousek dřeva, plastové fólie, krajíc chleba, destičku z polystyrénu, …) • Zkuste řadit tepelné odpory do série a paralelně. Skládají se jako normální odpory? • Jaké je rozložení teplot na destičce, kterou v jednom místě zahříváte a jinde (třeba na okraji) chladíte? 3. Jak teplo proudí • Udělejte si jednoduchého „hádka“, který se otáčí nad plamenem svíčky nebo nad teplými kamny či plotýnkou vařiče. Nebo jednoduchou vrtulku, třeba v „komíně“ z plastové láhve apod. Nemohla by se otáčet jen díky teplu z vaší ruky? • Jak rychle stoupá vzduch v komíně? Jakým tlakem nasává vzduch? (Zkuste komínek vyrobit a vzduch zahřívat různými zdroji. • Jak proudí voda v ešusu nebo ve skleničce, je-li zahřívána na jednom místě? (Jaká je její rychlost atd.?) • Zkuste zahříváním kapaliny zdola vyvolat proudění, které má (při pohledu shora) charakter šestiúhelníkových buněk. (Myslím, že se tomu říká Bénardova nestabilita.) • Zkuste udělat model topné soustavy, kdy teplá voda (v hadičce apod.) stoupá, ochladí se a v druhé větvi klesá. 4. Jak předávat teplo zářením • Co se jak zahřeje na slunci? (Černý papír, bílý papír, natřené dřevo, plech, látka, …) • Jak rychle se například černý plech zahřívá, když na něj svítí slunce? Jak se zahřeje nádobka s vodou? 1
• Zkuste udělat jednoduchý model slunečního kolektoru. • Jak se zahřívá plech (papír atd.) když na něj sálá zahřáté těleso (jiný plech, žárovka apod.)? Můžete něco zahřát sáláním vaší ruky? (Nebo čela apod.) • Nešlo by udělat nějaký jednoduchý „indikátor sálání“ (např. tenký začerněný plíšek s citlivým teploměrem, izolovaný ze všech stran kromě jedné…) • Měřte teplotu předmětů bezdotykovým (infračerveným) teploměrem. Ukazuje u stejně teplých předmětů stejnou teplotu? Můžeme z pokusů soudit na různou emisivitu různých povrchů? (Porovnejte např. začerněný a vyleštěný plech.) • Porovnejte rychlost chladnutí nádobky s vodou, má-li lesklý a černý povrch? Jak je tou pro povrchy jiných barev? • Zkuste odstínit infračervené záření: plechem, tenkou odraznou fólií, atd. Čím toto záření prochází a neprochází? (Sklo, tmavé sklo, různé fólie, voda, voda s modrou skalicí, …) Co ho odráží a co ho pohlcuje? • Zkuste odrážet infračervené záření různým povrchy (Alobal apod.) – například na ten infračervený teploměr. • Soustřeďte sluneční záření parabolickým zrcadlem nebo čočkou. Je schopné něco zapálit? (Sirku, tmavý papír,…) • Zkuste zrcadlem (nebo čočkou) soustředit tepelné záření např. z teplometu nebo z jiných zdrojů (ev. ze světlometu – žárovka v ohnisku zrcadla). Zahřeje se předmět v ohnisku? (Nešlo by podobný pokus udělat jen s válcovým parabolickým zrcadlem? To by šlo jednoduše udělat z Alobalu nebo fólie na květiny či z kusu plechu. Jako zdroj by mohl sloužit třeba rozžhavený drát.)
• Zkuste do jednoho ohniska dát něco velmi studeného a měřit teplotu něčeho v druhém ohnisku. Měla by poklesnout. (Prý se tomu říká Pitetův pokus.) Nesvědčí to o existenci „paprsků chladu“? • Infračervenou LED je vidět zářit digitálním fotoaparátem. Jak fotoaparát zobrazí rozpálená kamna? Jak na infračervenou LED reaguje bezdotykový teploměr? Lze zářením infračervené LED něco zahřát? 5. Neproklouzne ani joule! (tepelné izolace) • Jak dobře uchovává teplo termoska? (Změřte, jak rychle chladne její obsah.) A jak uchovává chlad? • Jakou nejlepší „skoroadiabatickou“ izolaci dokážete udělat jednoduchými prostředky? (Polystyrén, molitan, bublinkové fólie apod.) • Jak izoluje váš svetr, tričko, bunda, spacák, peřina, prošívaná deka, šála, rukavice, ponožky, … ? Jak se izolační schopnost mění, když dané materiály stlačíte, když navlhnou atd. ? 6. Co vše se mění s teplotou (a jak) • • • • • • •
Demonstrujte délkovou roztažnost látek (co nejjednoduššími pomůckami, ale přesvědčive). Změřte koeficient délkové roztažnosti různých materiálů (měď, železo, hliník, plast…). Jak se s teplotou mění výška tónu (frekvence) struny na kytaře? Jak se s teplotou mění napětí gumového vlákna? Jak se s teplotou mění hustota látek (kapalin, plynů)? Demonstrujte a změřte. Jak se s teplotou mění odpor vodičů? (Měděný drát, vlákno žárovky, uhlíkový rezistor.) Jak se mění odpor polovodičů? Proměřte závislost odporu termistoru na teplotě. (Odpovídá teoretickému vztahu?) • Jak se s teplotou mění proud polovodičovou diodou a tranzistorem? Jak na změnu teploty reagují LED? • Změřte závislost rychlosti zvuku na teplotě. • Jak se s teplotou mění kapacita keramických kondenzátorů? 2
• Závisí na teplotě například napětí ploché baterie? (To je jedna z (mnoha) věcí, kterou fakt nevím.) A co maximální proud, který může baterie dodat? • Pro chemicky zaměřené jedince: Jak se s teplotou mění rozpustnost kuchyňské soli ve vodě (ev. dalších látek)? 7. Teploměry všeho druhu Zkuste vyrobit (alespoň ověřit princip, ale dle možnosti i zkalibrovat) teploměry: • • • • • • •
Kapalinové Plynové Bimetalové Využívající závislosti odporu na teplotě Využívající termočlánků Polovodičové (s termistory ev. s využitím PN přechodu diody) … libovolné další, pokud vás ještě napadne nějaký princip (pyrometr na Hraštici asi neuděláme…) • Zkuste vyrobit teploměry: a) co nejcitlivější, b) co nejrychleji reagující 8. Teplota, objem a tlak … • Ověřte jednoduchými prostředky Boylův-Mariottův zákon (pV=konst. při T=konst.) • Ověřte jednoduše, že objem je (při p=konst.) úměrný teplotě; ověřte, jak je tomu se závislostí p(T) při konstantním objemu. • Demonstrujte vzrůst teploty při adiabatickém stlačení. • Změřte κ=cp/cV pro vzduch 9. Nehasit, hořím! (plamen jako zdroj tepla) • Sestrojte si jednoduchý lihový kahan (dle návodu Z.Poláka) • Jak velké teplo dává svíčka? (Změřte alespoň orientačně teplený výkon a teplotu plamene svíčky.) Jak velké teplo dává lihový kahan? A co plynový zapalovač a plynový kahan? Co propanbutanový sporák? • Změřte (orientačně) spalné teplo lihu, případně spalná tepla jiných látek. • Může „bouchnout“ např. mouka rozprášená ve vzduchu? • Jaké jsou zápalné teploty různých látek? 10. Co vše ještě hřeje (další zdroje tepla) • • • •
Jak moc hřeje rezistor? (Odpovídá tepelný výkon teoretickým vzorcům?) Jaká je účinnost plotýnkového vařiče? Jaká je účinnost varné konvice? Jaký tepelný výkon dává páječka? (Zkuste pistolovou páječkou uvařit trochu vody.)
11. Teplo a práce (aneb kalorie a jouly) • Demonstrujte přeměnu mechanické práce na teplo. (Tření provázku o tyčinku, lana o kůl, dlaní o sebe /o kolik se zahřejí?/, vrtání tupým vrtákem, atd.) • Zkuste rozdělat oheň třením dřev. • Změřte „mechanický ekvivalent tepla“, tedy vztah mezi kcal a kJ. (Zdeněk Polák má krásný pokus, kdy přesypává hrst broků v zavřené trubici a měří, jak se zahřejí…)
• Vztah mezi prací a teplem lze též demonstrovat/proměřit pokusem, kdy rezistorem něco zahříváme (viz předchozí bod).
3
12. Teplo a elektřina (a magnetismus) • Vyrobte „elektrickou energii“ Peltierovým článkem. Jak závisí napětí a proud na rozdílu teplot? • Demonstrujte, že Peltierův článek, do něhož přivádíme proud, na jednom konci hřeje a na druhém chladí. • Jaké napětí a proud dá termočlánek? • Jak „topí“ tranzistor (ev. Zenerova dioda)? Demonstrujte, že výkonový tranzistor musíte chladit. Ukažte, že malý chladič nestačí… • Zkuste zahřát kus plíšku vířivými proudy. • Zkuste zahřát kus feromagnetika hysterezními ztrátami • Ukažte, že při zahřátí na Curiovu teplotu přestává být např. železný hřebík feromagnetický. 13. My máme parní stroj … (tepelné stroje) • Postavte Heronovu baňku. (Pozor na ucpání trysek a možné roztržení nádobky!) • Vařte vodu v nějaké uzavřené krabičce; páru vyveďte ven tryskou, ať roztočí „turbínku“ (kolečko s lopatkami). (Pozor na ucpání trysky a možné roztržení nádobky!) • Zkuste postavit jednoduchý „atmosférický stroj“ (předchůdce parních strojů). • Postavte si raketu na lihové páry. • Postavte si nějakou jinou pomůcku, kde se využije exploze lihových par. (V krabičce od filmu, v poklopené krabici, atd.) V rozmezí jakých koncentrací směs „bouchá“? • Zkuste postavit „Solární Heronovu fontánu“ (Slunce zahřívá vzduch v nádobce, ten tlačí na vodu, ta stříká tryskou.) 14. … a my zas chladničku (aneb jak chladit a jak věci chladnou) • Prozkoumejte chlazení Peltierovým článkem. (Co můžete zchladit, o kolik,…) • O kolik dokážete zchladit vzduch adiabatickým rozpínáním? • Zkuste vyrobit krystalky suchého ledu rozpínáním oxidu uhličitého ze sifonové bombičky. (Jeden z krásných pokusů Zdeňka Poláka.) • Jak se změní teplota vody při rozpouštění soli? • Vyzkoušejte různé mrazicí směsi (alespoň led a sůl). Na jakou teplotu dokáží ochladit? Jak velké teplo odeberou chlazené látce? • Jak moc se ochladí voda vypařováním? (Dříve se prý takto udržovalo čerstvé máslo.) • Jak moc chladí mokré tričko? Jak to záleží na rychlosti okolního vzduchu? (Ev. jak na jeho vlhkosti?) • Jak rychle chladne čaj nebo káva v hrnku? 15. Tavení, tání a tuhnutí •
Při jaké teplotě taje vosk? (Tedy, v jakém rozmezí teplot?) Jaké teplo spotřebuje k tomu, aby roztál? (Tedy, jaké je jeho měrné skupenské teplo tání?) • Prozkoumejte teploty tání různých látek (led, máslo, vosk, kalafuna, cín, olovo…). Případně zkuste změřit jejich měrné skupenské teplo tání. • Na jakou teplotu se zahřeje „ohřívací sáček“. Jaké teplo dodá? 16. Vypařování, var a kondenzace • Změřte měrné skupenské teplo vypařování (varu) vody. • Při jaké teplotě se vaří líh? (Pozor na požár!)
4
• Zkuste demonstrovat var vody při sníženém tlaku. (Kolem praktického provedení bývají spory ohledně toho, kdy jsou objevující se bublinky jen plynem, který byl ve vodě rozpuštěn, a kdy jde skutečně o var. Zkuste vodu předem převařit.)
• Zkuste změřit přesnou teploty vařící se vody v den, kdy bude výjimečně vysoký nebo výjimečně nízký atmosférický tlak. (To druhé nejlépe vysoko na horách.) • Bude nad hrncem s vařící se vodou vidět pára, když budeme nad hladinu foukat fénem nebo horkovzdušnou pistolí? 17. Měříme základní konstanty •
Zkuste změřit hodnotu univerzální plynové konstanty R. (Ze stavové rovnice, bude na to asi třeba zvážit vzduch…)
• Proud polovodičovou diodou by měl být dán teoretickým vztahem
⎛ ⎛ eU ⎞ ⎞ I = I 0 ⎜⎜ exp⎜ − ⎟ − 1⎟⎟ ⎝ kT ⎠ ⎠ ⎝
, kde
I0 také závisí na teplotě T. Nicméně z hodnot I, U a jejich malých změn by mělo jít určit poměr elementárního náboje a Bolzmannovy konstanty. (To by mě zajímalo, zda to půjde, ještě jsem to, jako většinu ostatních věcí, nikdy nezkoušel…)
18. Teplo, Země a počasí • Zkuste měřit teplotu v půdě (různě hluboko). Jak se mění v průběhu dne a noci? • Zkuste změřit teplotu rosného bodu. • Samozřejmě lze také měřit teplotu vzduchu v průběhu dne, třeba i v různých místech. •
(Jedna „speciálně hraštická“ úloha: U zadní chatky je prý vždy o něco chladněji. Je to pravda?) Zkuste „dostat vodu z půdy“. (Metoda, snad prý vhodná i pro poušť: Dolík přikrytý plachtou, doprostřed se plachta zatíží kamenem, pod tento snížený střed se postaví nádobka. Ve dne se dolík pod plachtou zahřeje, voda se ze země odpaří, v noci zkondenzuje na plachtě a steče do nádobky.)
19. Teplo a člověk • Jakou teplotu máme na různých místech těla? • Je pod černými šaty Tuaregů na slunci opravdu lépe, než třeba pod bílým oblečením? (Viz Halliday-Resnick.)
• Kolik tepla člověk vydává? • Jak citlivě vnímáme rozdíly teploty? 20. Všeliké věci další … • • • • •
Postavte balón na horký vzduch. Postavte „motorek“ využívající zahřátí hřebíčků (špendlíků) nad Curiovu teplotu. Prozkoumejte, jak na změnu teploty reagují kapalné krystaly. Postavte si tepelný ampérmetr. Prozkoumejte pokus, kdy do láhve vložíme zapálený papír a na hrdlo oloupané vajíčko. Proč přesně je vajíčko vtlačeno do láhve? • Hrozně zajímavé by asi byly nějaké pokusy z termoakustiky… (Ale o ní skoro prakticky nic nevím, byť jsem našel nějaké články…)
• Jak moc „topí“ notebook? • Atd. …
5
