Termika PROJEKT VĚDA A TECHNIKA NÁS BAVÍ! BYL PODPOŘEN:

Termika PROJEKT VĚDA A TECHNIKA NÁS BAVÍ! BYL PODPOŘEN:

Cílem projektu je prostřednictvím vzdělávacích (vzdělávací programy, materiály) a popularizačních („vědecké“ road-show) nástrojů a přeshraniční motivační soutěže zvýšit zájem žáků a studentů o techniku a vědu a podpořit vzájemnou komunikaci vzdělávacích institucí v této oblasti, tj. posílit vazby mezi jednotlivými stupni škol i dalšími vzdělávacími subjekty v regionu Cíle 3.

PROJEKT

PRACOVNÍ LIST Y

VĚDA A TECHNIKA NÁS BAVÍ!

TERMIKA

FINANCOVÁNO Z PROGRAMU

2

Obsah 3

Teorie 3

Termika - základy

3

Struktura látek, enegrie

4

Termodynamické děje

6

První termodynamický zákon

6

Druhý termodynamický zákon

6

Teplotní roztažnost

6

Stavová rovnice pro ideální plyn

6

Děje probíhající v ideálním plynu:

7

Seznam zkratek

7

Seznam použité literatury

8

Pokus č. 1: Var vody v papíru

8

Pokus č. 2: Regelace ledu

9

Pokus č. 3: Podchlazení vody

10

Pokus č. 4: Vaření vody – energetická náročnost

11

Pokus č. 5: Chlazené nápoje

11

Pokus č. 6: Přenos tepla ve vodě

12

Test 1

14

Test 2

16

Test 3

T e s t 1: 1 a ), 2 d ), 3 b ), 4 d ), 5 c), 6 d ), 7 c), 8 b ), 9 b ), 10 a ), 1 1 a ), 1 2 d ) T e s t 2 : 1 a ), 2 b ), 3 d ), 4 d ), 5 a ), 6 b ), 7 b ), 8 d ), 9 a ), 10 c), 1 1 a ), 1 2 b ) T e s t 3 : 1 c), 2 b ), 3 d ), 4 b ), 5 d ), 6 d )

Foto na obálce: Boiling Water, Scott Akerman, licence CC BY 2.0, www.flickr.com, pozměněno

i záporné hodnoty. Změna teploty je v obou stupnicích stejná – nárůst teploty o 1 °C = nárůst teploty

Teorie

o 1 K. Měření teploty se provádí teploměrem. Termiku lze rozdělit do několika oblastí: Termometrie – zabývá se měřením teploty •

a používanými měřicími metodami Kalorimetrie – zabývá se tepelným obsahem •

látek Kinetická teorie látek – zabývá se vztahem •

mezi molekulární strukturou látky a jejím tepelným chováním. Navazuje na molekulární fyziku a využívá metody pravěpodobnosti a statistiky. •

TERMIKA - ZÁKLADY Termika je odvětví fyziky, které se zabývá vlastnostmi látek a jejich změnami v souvislosti s teplotou. Zabývá se měřením teploty, tepla a tepelnými ději. Teplo (Q ) je část vnitřní energie, která se předává při tepelné výměně – systém ji přijme či odevzdá při styku s jiným systémem o jiné teplotě. Tato energie nemá povahu práce ani chemické práce. Jedná se o dějovou fyzikální veličinu – popisuje termodynamický děj (posloupnost stavů systému). Jednotkou tepla jsou jouly. Teplota (T , t ) je stavová fyzikální veličina, charakterizuje tepelný stav hmoty. Jednotkou teploty jsou kelviny, vedlejší jednotkou jsou stupně Celsia. Termodynamická teplota T patří mezi základní veličiny soustavy SI. Kelvinova stupnice je definována trojným bodem vody 273,16 K (0,01 °C). Jeden kelvin je teplota, která odpovídá 1 / 273,16 termodynamické teploty trojného bodu vody. Trojný bod je definován jako stav za určité teploty a tlaku, kdy se nachází v rovnováze v rovnováze všechna tři skupenství – pevná látka, kapalina a plyn. Termodynamická stupnice nenabývá záporných hodnot. Počátkem stupnice je teplota 0 K (tzv. absolutní nula). Tento stav nemůže nikdy nastat, při teplotě 0 K se zastaví tepelný pohyb částic. Celsiova teplota t vychází z teploty tání ledu za normálního tlaku 1013,25 hPa (0 °C). Teplota 100 °C odpovídá varu vody za normálního tlaku. Narozdíl od termodynamické stupnice má Celsiova stupnice

Termokinetika – zabývá se šířením tepla pro-

•

středím Termodynamika – zabývá se zákony přeměny energie (tepelné na ostatní druhy)

STRUKTURA LÁTEK, ENEGRIE Látky všech skupenství jsou tvořeny částicemi – atomy, molekulami a ionty. Struktura látek není tedy spojitá, ale diskrétní. Tyto částice se neustále pohybují. Je-li těleso v klidu, potom v daném okamžiku žádný směr pohybu nepřevládá. Je-li těleso v pohybu, převládá pohyb ve směru pohybu celého tělesa. Neustálý pohyb částic je pohyb tepelný. Jeho důkazem je například Brownův pohyb (drobné částice jako například zrnka pylu nasypané do vody se pohybují, tento pohyb je viditelný pod mikroskopem; pohyb je způsoben nárazy molekul vody do částic; intenzita pohybu se zvyšuje s teplotou, při absolutní nule by tento pohyb ustal) a difuze (samovolné pronikání částic jedné látky mezi částice látky druhé v případě, že jsou tělesa těchto látek uvedena do vzájemného styku – například rozpouštění cukru ve vodě, šíření vůně). Částice tedy mají kinetickou energii. Mezi částicemi existují přitažlivé a odpudivé síly, jejichž velikost závisí na vzdálenosti mezi částicemi. Při malých vzdálenostech je síla odpudivá, při větších vzdálenostech je přitažlivá. Tato síla vzniká vzájemným působením kladně nabitých jader a záporně nabitých obalů a rovněž díky existenci gravitačních sil.

PROJEKT

PRACOVNÍ LIST Y


TERMIKA


4

Existuje rovnovážná poloha v určité vzdálenosti

bodu získávají částice velkou potenciální energii.

mezi částicemi. V ní je velikost síly, kterou na sebe

U pevných látek tedy výrazně převládá potenciální

částice působí, nulová. Částice se pohybují okolo této

energie nad kinetickou.

rovnovážné polohy. Je-li vzdálenost mezi částicemi

Kapaliny – v porovnání s pevnými látkami

větší, než je vzdálenost rovnovážné polohy, působí na

kmitají částice kapalin více a pohybují se i do jiných

částice přitažlivá síla. Tato síla zpočátku roste, brzy

rovnovážných poloh. Nemohou se ale z těchto poloh

však dosáhne maxima a začne se opět zmenšovat.

výrazně vzdálit. Proto je u kapalin polohová energie

Při větších vzdálenostech jsou od sebe částice nato-

vyšší než energie kinetická.

lik daleko, že na sebe nepůsobí odpudivě. Atom se ve

Plyny – částice v plynech jsou od sebe velmi

svém působení jeví jako neutrální a částice se přita-

vzdálené a pohybují se velkou rychlostí. Nemusíme

hují gravitační silou. Ve vzdálenostech menších, než

se tedy zabývat rovnovážnou polohou. Kinetická

je rovnovážná poloha, působí na částice síla odpu-

energie částic u plynů výrazně převládá nad energií

divá. Tato síla prudce narůstá již při nepatrném při-

polohovou.

blížení. Proto se za normálních podmínek k sobě čás-

TERMODYNAMICKÉ DĚJE

tice mohou přiblížit, ale nikoli se navzájem dotknout. Z důvodů existence výše uvedených sil kmitají

Celková energie tělesa (soustavy) je rovna součtu její

částice okolo rovnovážné polohy. Při přiblížení se

mechanické a vnitřní energie. Tato celková energie

atomy odpuzují, při vzdálení přitahují. Každá částice

soustavy se nemění.

je silově ovlivněna jen částicemi ve svém nejbližším

Tělesa a soustavy se nacházejí v různých stavech

okolí (v kapalinách se jedná o okolí o velikosti při-

– mají různá skupenství, tlak, objem či teplotu. Tyto

bližně trojnásobku poloměru částice).

stavy jsou popisovány stavovými veličinami. Při inte-

Energie, kterou má částice kvůli své poloze vůči sousední, se nazývá potenciální energie. Součet cel-

rakci s okolím (výměna energie, silové působení) dochází k ději či stavové změně.

kové potenciální energie a kinetické energie všech pohybujících se částic se nazývá vnitřní energie tělesa či soustavy. Značí se U

Nedochází-li k výměně energie ani částic, soustava se nazývá izolovaná.

a její jednotkou jsou

Nemění-li se hodnoty stavových veličin, nachází

jouly. Vnitřní energie ovlivňuje vlastnosti a stav látky.

se soustava v tzv. rovnovážném stavu. Do tohoto

Kinetická energie částic je spojena s teplotou

stavu se dostane v případě, že po dostatečně dlouhou

tělesa. Čím vyšší je teplota tělesa, tím vyšší rychlostí

dobu jsou vnější podmínky neměnné. Přechod do

se částice pohybují. Polohová energie ovlivňuje pev-

rovnovážného stavu je samovolný.

nost tělesa. Čím je polohová energie částic vyšší, tím

Každá změna stavu soustavy, tedy děj, při kterém

pevnější těleso je. Vnitřní energii lze měnit dvěma

se mění stavové veličiny, se nazývá termodynamický

způsoby:

děj. V průběhu termodynamického děje dochází ke

a) konáním práce – při konání práce působí na

změně vnitřní energie. Na počátku děje má soustava

soustavu vnější síly a díky jejich působení dochází

vnitřní energii U 1 , při konečném stavu vnitřní energii

ke změně objemu či tlaku soustavy. Tato změna

U

vede ke změně kinetické energie částic.

nit konáním práce nebo tepelnou výměnou. Pokud

b) tepelnou výměnou – změní-li se teplota soustavy, dojde ke změně kinetické energie částic Pevné látky – částice v pevných látkách mají malou kinetickou energii, pohybují se jen málo okolo rovnovážného bodu. Již v malé výchylce od rovnovážného

2

. Jak je výše zmíněno, vnitřní energie se může změ-

práci vykonává těleso, které na soustavu působí, je práce soustavě dodávána a její hodnota je kladná. Vykonává-li práci soustava, je práce ze soustavy odebírána a její hodnota je záporná. Tepelná výměna je předávání vnitřní energie bez konání práce. Vždy platí, že teplejší těleso předává energii tělesu s nižší teplotou. Při tepelné výměně si tělesa či soustavy

PROJEKT

PRACOVNÍ LIST Y


TERMIKA


5

předávají teplo. Přijme-li těleso teplo, je jeho hodnota

Pro tepelnou výměnu mezi tělesy platí kalorimet-

brána jako kladná. V případě odevzdání tepla se tato

rická rovnice. Obě tělesa budou mít na konci tepelné

hodnota počítá jako záporná. Množství předávaného

výměny stejnou výslednou teplotu t , budou v rovno-

tepla je přímo úměrné hmotnosti tělesa a změně jeho

vážném stavu. Těleso 1 teplo přijímá, těleso 2 teplo

teploty (v případě, že se nemění skupenství látky).

odevzdává. Kalorimetrická rovnice má poté (při

Množství tepla, které se musí danému tělesu dodat,

zanedbání ztrát) tvar:

aby se jeho teplota zvětšila o 1 °C (nebo 1 K), se nazývá

Q

tepelná kapacita. Značí se C a jeho jednotkou je J · K-1 (joule na kelvin).

m 1

1 přijaté

= Q

∙ c1 ∙ (t - t1 ) = m

2 odevzdané

2

∙ c2 ∙ (t2 – t )

Složitější situace nastane v případě, že v průběhu tepelné výměny dojde ke změně skupenství. Poté Množství tepla, které musíme dodat tělesu o hmot-

musíme v kalorimetrické rovnici uvažovat i měrné

nosti 1 kg, aby se jeho teplota zvýšila o 1 °C (nebo 1 K),

skupenské teplo (tání, vypařování) L .

se nazývá měrná tepelná kapacita. Značí se c a jednotkou je

j

(joule na kilogram kelvin).

Pro led, který vložíme do teplé vody, platí tato podoba kalorimetrické rovnice

Q Q V následující tabulce jsou uvedeny příklady měrné m

ohřátí ledu na O °C 1

+L

přijaté tání

∙ cledu∙ (0-t1 ) + m

+Q

= Q

odevzdané

ohřátí vody na teplotu t

∙l + m 1 t

=Q

ochlazení teplé vody

∙ cvody∙ (t-0) = m2 ∙cvody∙(t2 -t) 1

tepelné kapacity pro různé materiály. Tepelná výměna může probíhat následujícími způsoby:

měrná tepelná kapacita j

a) vedení (kondukce) – tento způsob přenosu tepla

Látka

(

)

voda

4 180

vzduch (0˚C)

1 003

led

2 090

tepla - částice látky v oblasti s vyšší energií pře-

olej

2 000

dávají část své pohybové energie prostřednictvím

suché dřevo (0˚C)

1 450

vzájemných srážek částicím v oblasti s nižší ener-

železo

450

měď

383

hliník

896

vostí a. Podle této veličiny dělíme látky na tepelné

zlato

129

vodiče (vysoká rychlost vedení tepla a velký sou-

stříbro

235

činitel tepelné vodivosti) a tepelné izolanty (nízká

se uplatňuje převážně v pevných látkách. I u plynů a kapalin sice dochází k přenosu tepla vedením, ale převažují zde jiné způsoby. Princip vedení

gií. Během výměny nedochází k přemisťování částic, ty pouze kmitají okolo rovnovážných poloh. Rychlost vedení tepla je určena teplotní vodi-

rychlost vedení tepla a malý součinitel tepelné Aby se těleso o hmotnosti m

vyrobené z látky o měrné

tepelné kapacitě c ohřálo o teplotu ∆t, musíme mu dodat teplo Q . Platí následující vztah.

vodivosti) b) proudění (konvekce) – tento způsob přenosu tepla se uplatňuje pouze u kapalin a plynů, nedochází k němu u pevných látek. Princip proudění

Q = m ∙ c ∙ ∆t

spočívá v pohybu hmoty o různé teplotě. Tím dochází k vzájemnému pohybu jednotlivých částí, které mají odlišnou teplotu a tedy různou hustotu

PROJEKT

PRACOVNÍ LIST Y


TERMIKA


6

vnitřní energie, což vede k přenosu tepla. U tekutých systémů dochází k samovolnému proudění – teplejší části soupají vzhůru, protože hustota kapalin a plynů s teplotou zpravidla klesá. c) sálání (radiace) – tento způsob přenosu tepla nepotřebuje látkové prostředí, teplo se může pomocí sálání přenášet i vakuem (to v případě vedení a proudění není možné). Přenos tepla sáláním funguje na principu vyzařování energie z povrchu tělesa ve formě elektromagnetického

TEPLOTNÍ ROZTAŽNOST Teplotní roztažnost (nebo také tepelná roztažnost) je jev, při kterém se mění délkové rozměry či objem tělesa v závislost na dodání tepla (zahřátí) či odebrání tepla (ochlazení) tělesu. U většiny látek dochází při zahřívání k rozpínání. Molekuly látek se pohybují rychleji a jejich rovnovážné polohy jsou dále od sebe. Teplotní roztažnost nám udává lineární závislost změny rozměrů tělesa na změně teploty.

záření. Vyzářená energie závisí na několika fakto-

Δx = x0 · γ · Δt

rech – teplotě tělesa, barvě povrchu (nejvíce tepla

V tomto vzorci je x0 výchozí hodnota veličiny x před

vyzařují černé povrchy, nejméně stříbrné lesklé povrchy) a povrchu tělesa.

roztažnosti, který bývá udáván v jednotkách K-1.

PRVNÍ TERMODYNAMICKÝ ZÁKON formulace zákona zachování energie Celková změna vnitřní energie soustavy ΔU se rovná součtu práce W

změnou teploty, γ je teplotní součinitel (koeficient)

vykonané okolními tělesy nebo sou-

Ve fyzice řešíme dva případy – objemovou a délkovou roztažnost.

STAVOVÁ ROVNICE PRO IDEÁLNÍ PLYN

stavou silovým působením a tepla Q přijatého z okol-

Stavová rovnice určuje vztah mezi jednotlivými sta-

ních těles nebo odevzdaného okolním tělesům.

vovými veličinami, které popisují daný termodynamický systém. Stavová rovnice pro ideální plyn

ΔU = W + Q

popisuje vzájemnou závislost stavových veličin při

Tento zákon říká, že celková energie izolované sou-

termodynamických dějích v ideálním plynu.

stavy je časově neměnná. Energie nemůže v izolo-

p · V = n · R · T

vané soustavě vznikat ani zanikat. Může se však měnit druh energie (např. mechanická se přemění na

V této rovnici je p tlak plynu, V objem plynu, n látkové

tepelnou).

množství, R

molární plynová konstanta a T

termo-

dynamická teplota. Výše uvedenou rovnici je možno

DRUHÝ TERMODYNAMICKÝ ZÁKON

Pro jiné podmínky (např. vysoké tlaky) existují další

Není možné sestrojit periodicky pracující tepelný

podoby stavové rovnice, jejich řešení je ale mnohem

stroj, který by jen přijímal teplo od určitého tělesa

složitější. Stavová rovnice ideálního plynu je použi-

(ohřívače) a vykonával stejně velkou práci (tzn. nelze

telná pouze při nízkém tlaku a při vyšší teplotě. Tato

sestrojit perpetuum mobile druhého druhu – termo-

situace odpovídá zředěnému plynu. V tomto případě

dynamické).

lze využít stavovou rovnici ideálního plynu s dosta-

použít jen v poměrně úzkém rozmezí teplot a tlaků.

V jiné formulaci tento zákon zní:

tečnou přesností.

Teplo nemůže při styku dvou těles různých teplot

DĚJE PROBÍHAJÍCÍ V IDEÁLNÍM PLYNU:

samovolně přecházet z tělesa chladnějšího na těleso teplejší.

a) izotermický děj – děj v ideálním plynu za konstantní teploty

PROJEKT

PRACOVNÍ LIST Y


TERMIKA


7

Pro tento děj platí Boyll-Mariottův zákon, který říká, že součin tlaku a objemu je konstantní.

SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY

p · V = k o n s t. b) izochorický děj – děj v ideálním plynu, objem soustavy je konstantní Pro děj platí Charlesův zákon, který říká, že podíl tlaku a teploty je konstantní.

Pokusy z volné ruky. 1. vyd. Praha: Prometheus, 2003, 148 s. ISBN 80-7196-268-6. 2.) Dílny Heuréky 2005: sborník konference proEditor Leoš Dvořák. Praha: Prometheus, 2006,

c) izobarický děj – děj v ideálním plynu při konstatním tlaku Pro tento děj platí Gay-Lussacův zákon, který říká, že podíl objemu a teploty je konstantní.

148 s. ISBN 80-7196-334-8. 3.) KEPKOVÁ, Jaroslava, Josef VESELÝ a Jitka SOUKUPOVÁ. Enviroexperiment - fyzika pro 2. stupeň ZŠ. 1. vyd. V Plzni: Západočeská univerzita, 2012, 75 s. ISBN 978-80-261-0180-2.

= k o n s t.

4.) Fyzikální praktikum – elektronická podpora

d) adiabatický děj je děj, při kterém nedochází, k tepelné výměně s okolím. Soustava nepřijímá ani neodevzdává žádné teplo. Pro adiabatický děj platí Poissonův zákon.

p · V

1.) DROZD, Zdeněk a Jitka BROCKMEYEROVÁ.

jektu Heuréka : [Náchod, 23.-25.9.2005. 1. vyd.

= k o n s t.

κ

X – délka (rozměr tělesa) [m] X0 – počáteční délka tělesa [m]

výuky [cit 15.1.2015] Dostupné z http://home.pf.jcu.cz/~kriz/ 5.) Radek Jandora / Maturitní otázky do fyziky [cit. 15.1.2015] Dostupné z http://radek.jandora.sweb.cz/fyzika.htm

= k o n s t.

6.) Fyzika – priklady.eu – Zbierka úloh z matematiky, fyziky a chémie pro stredné školy [cit.

κ je Poissonova konstanta.

20.1.2015] Dostupné z

SEZNAM ZKRATEK

http://www.priklady.eu/sk/Fyzika.alej 7.) O škole – testy- fyzika [cit. 20.1.2015]

a – teplotní vodivost [m2s-1] c – měrná tepelná kapacita [Jkg-1K-1] C – tepelná kapacita [JK-1] γ – koeficient teplotní roztažnosti [K-1] Δ – rozdíl hodnot fyzikální veličiny κ – Poissonova konstanta [-] l – měrné skupenské teplo [Jkg-1] L – skupenské teplo [J] m – hmotnost [kg] n – látkové množství [mol] p – tlak [Pa] Q – teplo [J] R – molární plynová konstanta [JK-1mol-1] S – entropie [JK-1] T – termodynamická teplota [K] t – teplota [°C] U – vnitřní energie [J] V – objem [m3] W – práce [J]

Dostupné z http://www.oskole.sk/?skola=zakladna-skola&id_cat=35 8.) Techmania – edutorium [cit. 15.1.2015] Dostupné z http://www.techmania.cz/edutorium/

PROJEKT

PRACOVNÍ LIST Y


TERMIKA


8

POKUS Č. 1:

POKUS Č. 2:

Var vody v papíru

Regelace ledu

Pomůcky:

Pomůcky: PET lahev, voda, struna, kbelík, 2 stojany

papírová nádobka (kornout, krabička), lihový kahan, stojan, zápalky

Papírovou nádobku naplníme vodou a uchytíme

Pod pojmem regelace rozumíme střídavé rozmrzání

na stojanu nad lihovým kahanem. Kahan zapálíme

a zamrzání. Tento pokus je vhodné zahájit na začátku

a pozorujeme nádobku s vodou.

vyučovací hodiny, je třeba počítat s delším časo-

Pokud by v papírové nádobce nebyla voda, začala

vým průběhem. Pokud připravujeme led v mrazáku

by nádobka téměř okamžitě hořet. Vzduch je špatný

s teplotou nižší než -15 °C, je vhodné láhev s ledem

tepelný vodič a nestačí na odvod tepla z nádobky.

vyjmout přibližně 20 minut před začátkem hodiny.

Ta se tedy rychle ohřívá a její teplota brzy překročí zápalnou teplotu.

PET lahev o objemu 1,5 l naplníme vodou a dáme do mrazáku. Po zmražení láhev z ledu odstraníme

Voda je přibližně třicetkrát lepší vodič tepla než

(rozstřihneme). Led poté upevníme na dva stojany.

vzduch. Dáme-li do nádobky vodu, bude odebírat

Místo stojanů lze použít dvě židle či dva stoly, které

teplo od nádobky až po určité době dosáhne teploty

budou umístěny blízko sebe. Do kbelíku dáme buď

varu. Teplota varu vody je nižší než zápalná teplota

přibližně 7 litrů vody nebo závaží o hmotnosti 7 kg.

papíru (185 °C). Po dosažení teploty varu se teplota

Kbelík přivážeme na drát nebo kytarovou e strunu

vody dále nezvyšuje, přijaté teplo se spotřebuje na

(nejtenčí) a drát vedeme okolo ledu tak, aby utvořil

vypařování vody. V případě, že dojde k vypaření veš-

smyčku. Kbelík musí být nad podlahou ve větší výšce

keré vody, teplota papíru se rychle zvýší a krabička

než je průměr ledu. Nedoporučuje se dávat kbelík

začne hořet.

do příliš velké výšky, mohla by se vylít voda nebo by

Voda je mnohem lepší tepelný vodič než vzduch,

mohlo dojít k jeho poškození. Po určité době se drát

avšak oproti kovům je její měrná tepelná vodivost

(struna) začne zařezávat do ledu. Tato doba je závislá

výrazně menší. Například měrná tepelná vodivost

na teplotě ledu. Struna postupně projde celým blo-

mědi je přibližně sedmsetkrát vyšší než je tomu u

kem ledu, led však není rozřezán na dva kusy. Drát

vody. Odvod tepla vodou je však podporován jejím

prošel ledem a led zůstal v okolí drátu neporušen.

prouděním.

Pod drátem (strunou) je větší tlak, který způsobuje snížení teploty tání ledu. Podle Clausius-Clapeyronovy rovnice je teplota tání ledu pod drátem přibližně -0,75 °C. Jakmile teplota ledu pod drátem či strunou dosáhne této hodnoty, led pod strunou roztaje, voda nad ní ale při této teplotě opět zmrzne. Drát (struna) je dobrý tepelný vodič, proto dochází k ohřívání ledu pod ním – opět dojde k tání ledu a zmrznutí vody nad drátem.

PROJEKT

PRACOVNÍ LIST Y


TERMIKA


9

POKUS Č. 3:

Podchlazení vody Pomůcky:

láhev se sodovou vodou, mrazák

Kdybychom prováděli pokus venku za teploty

Do mrazáku dáme na několik hodin láhev se sodovou

nižší než je snížená teplota tání pod strunou, struna

vodou. Láhev ovšem nesmí být v mrazáku příliš dlou-

by se do ledu nezařezala.

hou dobu, aby se v ní nevytvořil led. Vodu je takto

Kdybychom místo drátu použili kevlarové vlákno,

možné podchladit až na -7 °C.

celý děj by trval podstatně déle. Nedocházelo by

Co se stane, když tuto láhev z mrazáku vytáhneme

k zahřívání vlákna tepelnou vodivostí a led by tál

a hned otevřeme? Jakou teplotu ukáže teploměr,

teprve tehdy, až by jeho teplota dosáhla hodnoty tep-

který hned po otevření vložíme do lahve?

loty tání za zvýšeného tlaku pod kevlarovým vláknem.

Podchlazení je proces, při kterém je kapalina ochlazena pod bod mrazu a nedojde k jejímu ztuhnutí. Kapalina krystalizuje při teplotě nižší než je bod mrazu. Musí v ní být přítomny krystalizační centra, v jejichž okolí vzniká krystalová struktura. Pokud tato centra v kapalině nejsou, přetrvá kapalné skupenství až do teploty, kdy dojde k tzv. homogenní nukleaci. Voda má teplotu bodu mrazu 0 °C (273,15 K). Při normálním tlaku ji lze podchladit až téměř na teplotu -42 °C (231 K). Kapky podchlazené vody se vyskytují např. v mracích, dojde-li ke kontaktu s křídly letadel, tyto kapičky se přemění okamžitě na led. Velmi podobným jevem je přesycený roztok, který je také možné považovat za podchlazenou kapalinu. Lze jej připravit opatrným ochlazením nasyceného roztoku látky, u které je velká závislost rozpustnosti na teplotě (např. octan sodný, dusičnan vápenatý).

PROJEKT

PRACOVNÍ LIST Y


TERMIKA


10

POKUS Č. 4:

Vaření vody – energetická náročnost Pomůcky:

hrnec, poklička, teploměr, stopky, elektrický vařič, rychlovarná konvice, odměrka, (wattmetr)

Změříme teplotu studené vody, která teče z vodo-

Porovnáme naměřené hodnoty a vyvodíme závěry.

vodního kohoutku. Pomocí odměrky odměříme 1 litr

a) Vařením s pokličkou ušetříme část energie a tedy

vody. V případě, že nemáme k dispozici wattmetr, zjistíme z dokumentace příkon elektrického vařiče, na kterém budeme vodu vařit. Rovněž je nutné vzít

i financí. b) Rychlovarná konvice má výrazně vyšší účinnost (okolo 90%) než vařič (přibližně 50%), rovněž

v potaz, pro jaký stupeň vařiče je příkon uveden (nej-

doba ohřevu je výrazně kratší. Ušetříme další

častěji to bývá pro nejvyšší stupeň, není tomu tak ale vždy). V případě, že máme k dispozici wattmetr, připojíme vařič přes něj. Dále zjistíme příkon rychlovarné konvice. 1) Nalijeme litr studené vody do hrnce, hrnec nezakryjeme pokličkou a uvedeme vodu do varu. Změříme dobu, kterou voda potřebovala k dosažení bodu varu a určíme spotřebu elektrické energie. Rovněž vypočteme množství tepla, které voda přijala (známe množství, počáteční i konečnou teplotu a měrnou tepelnou kapacitu vody). Dále určíme přibližnou účinnost vařiče při ohřevu vody.

energii a navíc i čas. Ohříváme-li vodu v hrnci bez pokličky, dochází k úniku vodní páry do okolí a tím k výraznému odpařování vody z hladiny v hrnci. Tím vznikají velké ztráty vnitřní energie. Použijeme-li pokličku, vzniká mezi pokličkou a hladinou vody sytá pára. Ta neuniká pryč a proto se energie použije na ohřev vody a méně na výrobu páry. Díky tomu se ohřev urychlí. U rychlovarné konvice je topná spirála umístěna pod vodou u dna. Proto se téměř veškerá energie spotřebuje na ohřev vody. V případě vařiče se část energie spotřebuje na ohřev okolního vzduchu, hrnce

2) Výše uvedený pokus opakujeme. Použijeme stejný

a samotného vařiče.

hrnec (měli bychom ho ochladit na teplotu okolí), stejné množství vody o stejné počáteční teplotě. Tentokrát ale zakryjeme hrnec pokličkou. Změříme a vypočteme stejné veličiny, jako v předchozím případě. 3) Nalijeme litr studené vody do rychlovarné konvice a přivedeme ho do varu. Opět změříme čas a vypočteme výše uvedené fyzikální veličiny.

PROJEKT

PRACOVNÍ LIST Y


TERMIKA


11

POKUS Č. 5:

Chlazené nápoje Pomůcky:

2 plastové kelímky, teploměr, váhy, utěrka, kladívko, ledové kostky, nápoj o pokojové teplotě

Proč se ke chlazení nápojů v létě používá led a ne studená voda?

Jestliže na chlazení použijeme led, kromě výše uvedeného tepla odebereme z teplého nápoje ještě

Do dvou kelímků dáme stejné množství mine-

skupenské teplo tání. To je teplo, které přijme led při

rální vody např. 100 g. Do prvního kelímku vložíme

tání. Je-li kostka ledu roztlučena na malé kousky,

kostku ledu nebo v lepším případě ledovou drť (zaba-

zvýší velká povrchová plocha rychlost tání.

líme kostku do utěrky a roztlučeme kladívkem). Do

Konečná teplota se liší s druhem použité kapa-

druhého kelímku dáme studenou vodu o teplotě 0 °C.

liny. Použijeme-li místo limonády alkoholický nápoj,

Váha této studené vody musí být shodná s váhou

ochladí se více, protože má nižší měrnou kapacitu.

ledové kostky v prvním kelímku. Vodu s ledovou drtí mícháme pomalu teploměrem a čekáme, až se led rozpustí. Směs v druhém kelímku rovněž promícháváme a počkáme na ustálení teploty. Porovnáme výsledné teploty obou nápojů. V případě použití ledové drti dojde k výraznému ochlazení nápoje (při 100 g minerálky o teplotě 20 °C a 20 g ledu o teplotě 0 °C bude výsledná teplota přibližně 4,5 °C), v případě použití studené vody nebude pokles teploty příliš velký (použijeme-li 20 g vody o teplotě 0 °C, bude výsledná teplota 17 °C). V případě, že na chlazení použijeme studenou vodu, odebereme teplému nápoji teplo, které je dle kalorimetrické rovnice rovno teplu, které musíme dodat studené vodě, aby se z teploty 0 °C ohřála na výslednou teplotu.

PROJEKT

PRACOVNÍ LIST Y


TERMIKA


12

POKUS Č.6:

Přenos tepla ve vodě Pomůcky:

dva stejné hrnečky, teploměr, kovová lžička

Připravíme si dva shodné hrnečky. Nalijeme do nich stejné množství horké vody o shodné teplotě a do jednoho z hrníčků vložíme lžičku. Po chvíli změříme teplotu vody v obou hrnečcích. Voda v hrnečku se lžičkou bude studenější. I při opakování pokusu dojdeme k závěru, že voda v hrníčku se lžičkou vychladne dříve. Teplo se šíří ve vodě převážně prouděním, vedení se zde příliš neuplatňuje. Z tohoto důvodu trvá vodě dlouhou dobu, než vychladne, pokud ji nemícháme. Voda se ochlazuje tepelnou výměnou se vzduchem u hladiny. Studenější voda klesá ke dnu a na její místo stoupá voda teplejší (toto platí pro případ, že je teplota vody vyšší než 4 °C) . Je-li do hrníčku vložena kovová lžička (dobrý tepelný vodič), uskuteční se její pomocí tepelná výměna mezi vodou u dna a vodou u hladiny. To urychlí ochlazování vody. Rovněž dochází k výměně tepla mezi koncem lžičky, který z vody vyčnívá, a okolním vzduchem. Tento vliv ale není příliš výrazný.

PROJEKT

PRACOVNÍ LIST Y


TERMIKA


13

Na obrázku jsou nakresleny grafy vyjadřující změnu teploty tří těles jako funkci tepla přijatého

Test 1

těmito tělesy. t[°C]

1. Jak vyjádříme teplotu t = 300 °C v kelvinech? a)

T = 573 K

b)

T = 300 K

c)

T = 273 K

d)

T = 27 K

80

1

60

2

40

3

20 2. Jak vyjádříme teplotu T = 300 K v Celsiových stupních? a)

t = 573 °C

b)

t = 300 °C

c)

t = 273 °C

d)

t = 27 °C

0

10

20

30

40

50

Q[kJ]

6. Které z daných tří těles přijalo největší teplo?

3. Rozdíl teplot dvou těles je Δt = 300 °C. Jak vyjádříme tento teplotní rozdíl v kelvinech?

a)

těleso 1

b)

těleso 2

c)

těleso 3

d)

všechna stejné

a)

ΔT = 573 K

b)

ΔT = 300 K

c)

ΔT = 273 K

kapacitu?

d)

ΔT = 27 K

a)

těleso 1

7. Které z daných tří těles má největší tepelnou

b)

těleso 2

4. Kámen o hmotnosti 2 kg spadne volným pádem

c)

těleso 3

z výšky 30 m do písku. O jakou hodnotu vzroste

d)

všechna stejnou

vnitřní energie kamene a písku? a)

30 J

Na obrázku je nakreslen graf vyjadřující změnu

b)

60 J

teploty tělesa o hmotnosti 4 kg jako funkci tepla

c)

300 J

přijatého tělesem.

d)

600 J t[°C]

5. Sněhová koule o hmotnosti 0,2 kg dopadne rychlostí 30 m.s-1 na stěnu domu, kde se zastaví. O jakou hodnotu vzroste vnitřní energie sněhové koule a stěny? a)

6J

b)

30 J

c)

90 J

d)

180 J

40 30 20 10 0

PROJEKT

PRACOVNÍ LIST Y


TERMIKA

10

20

30

40

50 60 Q[kJ]


14

8. Jaké teplo přijme těleso při ohřátí z 20 °C na 40 °C? a)

20 kJ

b)

40 kJ

c)

60 kJ

d)

80 kJ

9. Jakou tepelnou kapacitu má těleso? a)

0,5 kJ · K-1

b)

2 kJ · K-1

c)

10 kJ · K-1

d)

40 kJ · K-1

10. Jakou měrnou tepelnou kapacitu má těleso? a)

0,5

b)

2

c)

8

d)

10

Termodynamická soustava, na kterou působí vnější síly, přijme od okolí teplo 20 kJ. 11. Jakou práci soustava vykoná, vzroste-li její vnitřní energie o 15 kJ? a)

5 kJ

b)

15 kJ

c)

20 kJ

d)

35 kJ

12. Jak se změní vnitřní energie soustavy, vykoná-li práci 25 kJ? a)

vzroste o 25 kJ

b)

vzroste o 5 kJ

c)

zmenší se o 25 kJ

d)

zmenší se o 5 kJ

PROJEKT

PRACOVNÍ LIST Y


TERMIKA


15

Na dalším obrázku jsou čtyři grafy A, B, C, D

Test 2

vyjadřující tlak p jako funkci objemu V .

A

p 1. Při kterém ději zůstává vnitřní energie plynu konstantní? a)

izotermickém

b)

izochorickém

c)

izobarickém

d)

adiabatickém

0 B

p

V

2. Při kterém ději plyn nekoná práci? a)

izotermickém

b)

izochorickém

c)

izobarickém

d)

adiabatickém

0 C

p

3. Při kterém ději koná plyn práci na úkor vnitřní

V

energie? a)

izotermickém

b)

izochorickém

c)

izobarickém

d)

adiabatickém

0

V D

p

Na grafu vyjadřujícím objem V ideálního plynu jako funkci teploty T jsou znázorněny tři děje, při nichž přechází plyn ze stavu 1 do jednoho ze stavů 2,3 a 4.

V

0 2

V

3

4. Který z grafů A, B, C, D odpovídá ději 1-2, tzn. přechodu ideálního plynu ze stavu 1 do stavu 2?

4

1 0

a)

graf A

b)

graf B

c)

graf C

d)

graf D

T

PROJEKT

PRACOVNÍ LIST Y


TERMIKA


16

5. Který z grafů A, B, C, D odpovídá ději 1-3? a)

graf A

b)

graf B

c)

graf C

d)

graf D

p [MPa]

4

graf A

b)

graf B

c)

graf C

d)

graf D

B

3

6. Který z grafů A, B, C, D odpovídá ději 1-4? a)

A

2 1 0

C 2

4

6

8

10

V [1 litr]

Ideální plyn o hmotnosti 0,2 kg má při telotě 27 °C objem 0,4 m3 a tlak 2.105 Pa. Měrná

10. Jakou práci plyn vykoná při ději zobrazeném

tepelná kapacita plynu při stálém objemu je

úsečkou AB?

0,6

a)

0 kJ

b)

18 kJ

c)

24 kJ

d)

32 kJ

.

7. Jaký je objem plynu, zvětší-li se při stálé teplotě jeho tlak na hodnotu 4,105 Pa? a)

0,1 m

b)

0,2 m3

c)

0,8 m

d)

1,6 m

3

11. Jakou práci vykoná plyn při ději zobrazeném úsečkou CA?

3

3

8. Jaký je tlak plynu při objemu 0,1 m a teplotě 3

327 °C?

a)

0 kJ

b)

2 kJ

c)

6 kJ

d)

8 kJ

a)

1,105 Pa

b)

4,105 Pa

c)

8,105 Pa

ABCA?

d)

16,105 Pa

a)

3 kJ

b)

9 kJ

c)

18 kJ

d)

24 kJ

12. Jakou práci vykoná plyn při kruhovém ději

9. Jaké teplo plynu dodáme, zvětší-li se při stálém objemu jeho teplota z 27 °C na 327 °C? a)

36 kJ

b)

60 kJ

c)

69 kJ

d)

180 kJ

Na obrázku je nakreslen graf vratného kruhového děje s ideálním plynem v diagramu p-V. Sled stavů plynu je ABCA.

PROJEKT

PRACOVNÍ LIST Y


TERMIKA


17

Na obrázku je nakreslen fázový diagram určité látky.

Test 3

p

K B

C

Kapalina o hmotnosti 2 kg je zahřívána na teplotu

T

varu a při této teplotě se zcela vypaří. Na obrázku je nakreslen graf vyjadřující změnu teploty jako funkci

A

přijatého tepla. Předpokládejte, že se kapalina vypařuje až během varu.

0 t[°C]

T

3. V jakém skupenství je látka, je-li její stav zobrazen

100

bodem B?

80

a)

pevném

60

b)

kapalném

40

c)

plynném

d)

kapalném i pevném

20 0

200 400

4. V jakém skupenství je látka, je-li její stav zobra-

600 800 Q[kJ]

zen bodem C?

1. Jaké je skupenské teplo varu daného množství

a)

pevném

b)

kapalném

kapaliny?

c)

plynném

a)

200 kJ

d)

kapalném i plynném

b)

400 kJ

c)

600 kJ

5. Jakou změnu představuje přechod kapaliny ze

d)

800 kJ

stavu zobrazeného bodem D do stavu zobrazeného bodem C?

2. Jaké je měrné skupenské teplo varu dané kapaliny?

a)

tání

b)

tuhnutí

a)

80 kJ · K-1

c)

vypařování

b)

300 kJ · K-1

d)

kondenzace

c)

400 kJ · K-1

d)

600 kJ · K-1

6. Jak se změní teplota tání a teplota varu látky při snížení vnějšího tlaku? a)

teplota tání se sníží, teplota varu se zvýší

b)

teplota tání se zvýší, teplota varu se sníží

c)

teplota tání i teplota varu se zvýší

d)

teplota tání i teplota varu se sníží

PROJEKT

PRACOVNÍ LIST Y


TERMIKA


18

Termika PROJEKT VĚDA A TECHNIKA NÁS BAVÍ! BYL PODPOŘEN:

Recommend Documents