60 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 živo-ta, majú aj teplo, teplota v  prírodných vedách svoj presne stanove-ný 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 pev-ného, 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.

Teplo

Fyzikálnu veličinu teplo v hovorovej reči vnímame ako subjektívny pocit, ktorý súvisí s okolitou teplotou a výmenou tepla s okolím.

5.1 Predstavy o teple

Teplo 61

5. Výmena teplaV úvodnom pokuse z kapitoly Čo sa budeme učiť (s. 4 – 5) sme pozo-

rovali priebeh dejov v aparatúre, ktorú zohrievame alebo ochladzuje-me. 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 odčí-tať. 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 teplo-ta, 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 prebie-hajúce 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 ban-ke pri výmene tepla, t. j. koľko tepla odovzdajú ruky banke so vzduchom? Podobné otázky si kládli aj vedci zaoberajúci sa tepelnými javmi.

5.1 Predstavy o tepleFyzici, 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 po-stupne vyvíjala.

Až do devätnásteho storočia sa vedecký svet pridŕžal názoru, že tep-lo 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. Zbro-jári mali skúsenosť, že pri trení vrtáka o obrábaný kov sa delová hlaveň zohrieva. Vkladali teda delovú hlaveň do vodného kúpeľa, ktorým ju ochladzovali.

Obr. 44 Aparatúra na pokus s výmenou tepla

Obr. 45 Gróf Rumford v mníchovskej zbrojovke

5. Výmena tepla

62 Teplo

Rumford vyslovil názor, že teplo vzniká pohybom vrtáka, ktorý roz-kmitáva 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 vyčer-pať. 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“.

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 odpo-

vedz na otázky.

Postup: a) Vypíš si z textov slová, prípadne vety, ktorým nerozumieš a požia-

daj 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 – odo-vzdávanie (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 ni-mi súvisia, vysvetľuje oblasť fyziky – termodynamika.

V nasledujúcej úlohe sa budeme zamýšľať nad zmenami, ktoré mô-žu 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.

Gróf Benjamin Thomson Rumford (1753 – 1814)

5.1 Predstavy o teple

Teplo 63

a) Zmenia telesá zohrievaním svoju hmotnosť?

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 sku-

penstvo? 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 po-hybu častíc“. Zohrievaním či ochladzovaním sa pohyb častíc látok mení. Pretože pohyb častíc látok závisí od teploty, hovoríme mu tepelný po-hyb. Pri rôznych látkach, plynných, kvapalných či pevných, sa tepelný pohyb prejavuje rôznym spôsobom. Na molekulách vody opíšeme te-pelný pohyb v plynoch, kvapalinách a pevných látkach.

Pohybom častíc látok sa dnes vysvetľujú merateľné aj pozorovateľ-né zmeny pri zohrievaní či ochladzovaní telies.

kovový valček vzduch v balóne voda v banke

PLYNYČastice plynu voľne poletujú a na -rážajú do seba a tiež na steny ná doby. Keď plyn zohrievame, častice narážajú prudšie a častej-šie. Svojimi prudkejšími a častejší-mi nárazmi zvyšujú tlak na steny nádoby.

KVAPALINYČastice kvapaliny sú blízko pri se-be. Nemajú svoje vopred určené polohy, ale môžu sa popri sebe voľne pohybovať. Keď kvapalinu zohrejeme, pohybujú sa častice rýchlejšie.

PEVNÉ LÁTKYV  pevných látkach majú častice svoje miesta, okolo ktorých kmita-jú. Častice v  kryštalických látkach, ako napríklad soľ či diamant, sú usporiadané do pravidelných mrie-žok. Častice v  amorfných látkach nie sú síce usporiadané pravidelne, ale v látke majú stále polohy, oko-lo ktorých kmitajú. Keď pevnú látku zohrejeme, začnú častice viac kmi-tať okolo svojich stálych polôh.

Obr. 46 Porovnanie vzdialeností a usporiadania molekúl v plyne, kvapaline a pevnej látke

5. Výmena tepla

64 Teplo

Rieš úlohy 1. Zisti si informácie a urob záznam o ich zdroji:

Na akom princípe zostrojil Guillaume Amontons svoj teplomer a zisti zaujímavosti z jeho života.

2. Vráť 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 vodaPostup: a) Nalej do jedného pohára studenú vodu a do druhého rovnaké

množstvo horúcej vody. b) Vrecká 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 vyučovanieNa uskutočnenie pokusov budeš potrebovať pomôcku, ktorá fun-

guje ako termoska, v učebnici ju budeme nazývať „jednoduchý ka-lorimeter“. Ak doň naleješ horúci čaj, dlhšie v  ňom zostane horúci. Zmrzlina sa v ňom udrží dlho studená, nebude sa rozpúšťať. Takéto za-riadenie sa dá zhotoviť z jednoduchých vecí.

Pomôcky: škatuľa od nápoja s  objemom 1 l, škatuľa od nápoja s  objemom

250 ml, kúsky polystyrénu

Postup: a) Prestrihni veľkú škatuľu od nápoja na polovicu a do vrchnej časti

urob otvor na teplomer.b) Malú 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.

otvor na teplomer

nastrihnuté okraje

kúsky polystyrénu

malá škatuľka

od džúsu

spodná časťkalorimetra

vrchná časť

kalorimetra

Teplo 65

5.2 Šírenie tepla. KalorimeterAk vložíme do horúcej polievky kovovú, drevenú alebo plastovú ly-

žicu 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 kalo-rimeter. 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.

PokusZisti pokusom, ako vedú teplo rozličné látky.

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 uve-

dené 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.

Obr. 47 Kalorimeter zhotovený z jednoduchých pomôcok

Laboratórny kalorimeter

Pracuj v skupine.

5. Výmena tepla

66 Teplo

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 vo-dy 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 vodi-

če 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?

Z horúcej vody sa teplo šírilo na predmety tak, že boli s vodou v pria-mom kontakte. Tento spôsob šírenia tepla nazývame vedenie tepla.

Niektoré látky, predovšetkým kovy (meď, oceľ), sú dobrými vodič-mi 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?

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 odo-vzdávajú časť svojej energie časticiam, ktoré kmitajú v miestach s niž-šou teplotou. Tak prebieha vedenie tepla v pevných látkach.

Látky ako drevo, sklo alebo plasty sú zlými vodičmi tepla. Od-borne 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.

Obr. 48 Jednoduchý kalorimeter (môžeme ho nahradiť termoskou) s vloženými predmetmi z rôznych látok

chladné

teplé

horúce

Obr. 49 Častice kovu si odovzdávajú kmitavý pohyb

5.2 Šírenie tepla. Kalorimeter

Teplo 67

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 zi-me. 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 tep-lej pece či radiátora. Teplý vzduch má menšiu hustotu ako studený vzduch. Zohriaty vzduch preto stúpa smerom hore a na jeho miesto sa dostáva studený vzduch. Postupne sa prúdením vzduch v miestnosti zohrieva.

Prúdením sa šíri teplo v tekutinách, teda v kvapalinách a plynoch. Príkladom pre kvapaliny je prúdenie vody z kotla ústredného kúrenia do radiátorov. Pri samovoľnom prúdení sa využíva skutočnosť, že teplá voda má menšiu hustotu. Zohriata voda z kotla umiestneného na príze-mí (pozri obr. 52) preto stúpa nahor. Horúca voda prechádza radiátormi v miestnostiach, postupne odovzdáva teplo a pri tom sa ochladzuje. 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 ra-diátorov a na vyššie poschodia sa používajú čerpadlá.

Vykurovanie bytov, ktoré sme práve opísali, je veľmi náročné na ener-giu. 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 vy-užívali 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. 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 využiť iné zdroje tepla. Prirodzene sa núka najväčší zdroj tepla, ktorý máme stále k dispozícii – Slnko.

Obr. 50 Pokus na dôkaz zlého vedenia tepla vo vode

Obr. 51 Šírenie tepla prúdenímObr. 52 Prúdenie vody v radiátoroch

Obr. 53 Straty tepla pri vykurovaní

malý únik tepla veľký

zateplená polovica domu

nezateplená polovica domu

5. Výmena tepla

68 Teplo

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, vidi-teľné svetlo a infračervené). Skúmanie svetla bude obsahom vyučova-nia 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 obieha-júci v miestnosti) a žiarením (Zem zachytáva časť slnečného žiarenia).

Rieš úlohy 1. Na obrázkoch A a B sú znázornené prierezy termosky a  jednodu-

chého kalorimetra tak, aby sme videli, z čoho sú zhotovené. Na ob-rázku A je termoska, ktorá sa používa v domácnosti. Na obrázku B je kalorimeter, ktorý si môžeme zhotoviť z jednoduchých pomôcok.

Odpovedz:1. Ktoré časti jednoduchého kalorimetra zodpovedajú častiam ter-

mosky v domácnosti? Napíš do zošita porovnanie termosky a jed-noduchého kalorimetra.

2. Prečo obidve zariadenia udržia kvapaliny dlhšiu dobu horúce ale-bo studené?

3. Aký vplyv na vedenie tepla má vyčerpanie vzduchu z prostredia a aký izolácia polystyrénom?

zátka

ochranný obal termosky

A Termoska v domácnosti

B Jednoduchý kalorimeter

vrchná časť kalorimetra – zátka

postriebrená vnútorná stena

polystyrén ako izolácia

vonkajšia stena – obal

postriebrené dvojité steny termosky, medzi ktorými

nie je vzduch

5.2 Šírenie tepla. Kalorimeter

Teplo 69

4. Čo 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 hadaPomôcky: 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. Urob 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

ľa do vých kvádrov. Steny iglu sú zvnútra obložené kožušinami, ktoré sú zlý-mi vodičmi tepla a chránia sneh pred roztopením. Teplota vnútri môže do-sahovať až +16 °C, hoci vonku môže byť teplota hlboko pod nulou.

70 Teplo

5.3 Výmena tepla medzi horúcou a studenou vodou

Na obrázku si chlapec zohrieva chrbát o murovanú teplú pec. V roz-právkach 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.

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 zmie-šavaní horúcej a studenej vody. Tento experiment sme nevybrali náho-dou, aj v minulosti rovnako postupovali fyzici, keď pátrali po odpovedi na otázku: „Čo je to teplo?“ Podobné pokusy a merania začiatkom 18. storo-čia uskutočnil G. D. Fahrenheit – autor jednej z teplotných stupníc.

PokusOdhadni a  potom zisti, aká bude výsledná teplota pri zmiešavaní

horúcej a studenej vody. Experiment vykonáme v dvoch častiach: Naj-skôr skúmaj výslednú teplotu pri zmiešavaní rovnakých a neskôr rôz-nych množstiev horúcej a studenej vody.

Pomôcky: odmerný valec, teplomer, jednoduchý kalorimeter, varná kanvica

Postup: a) Dobre si preštuduj tabuľku a dbaj na pokyny vyučujúceho. Dôle-

žité je vykonanie odhadov pred meraním v predposlednom stĺpci tabuľky.

Obr. 54 Chlapec si zohrieva chrbát o pec.

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.

Pracuj vo dvojici so spolužiakom.

Rôzne formy odovzdávania tepla

5.3 Výmena tepla medzi horúcou a studenou vodou

Teplo 71

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

horúca voda studená vodavýsledná teplota

zmiešanej horúceja studenej vody

hmotnosť [g]

začiatočná teplota [°C]

hmotnosť [g]

začiatočná teplota [°C]

odhad[°C]

meranie[°C]

1. 50 pribl. 70 502. 50 60 50 3. 50 50 50 4. 50 5. 50

d) Pri každom meraní postupuj tak, že najskôr dáš do kalorimetra studenú vodu a až potom naleješ horúcu vodu (obr. 55). Spod-nú 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.

3. Vrchnú časť škatule nasuň na spodnú časť a vlož do otvoru teplomer.

Obr. 55 Postup pri zmiešavaní vody a meraní teploty

POZNÁMKA: Za výslednú teplotu

považujeme najvyššiu nameranú teplotu.

1. Nalej studenú vodu do kalorimetra.

2. Nalej teplú vodu do kalorimetra.

5. Výmena tepla

72 Teplo

Odpovedz:

1. Svoj 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 naj-viac 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 od-hadnúť. 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 vyrov-ná 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 výme-nou tepla medzi týmito telesami a ich okolím. Výmena tepla, ako bolo uvedené na strane 70, sa vysvetľuje časticovým zložením látok a pohy-bom 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 za-tepľovaním.

Zatepľovať znamená pokryť steny budovy zlým vodičom tepla, kto-rý zabráni výmene tepla medzi stenami budovy a vonkajším ovzdu-ším.

5.4 Výmena tepla medzi kovmi a vodou

Teplo 73

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 zme-nách vonkajšej teploty ich telesná teplota príliš rýchlo neznižovala ale-bo nezvyšovala (pozri Vieš že... na strane 76).

Pri nasledujúcom experimente a meraní bližšie preskúmame výme-nu 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 jedno-duchý 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 teplo-tu (t) budeme označovať znakom ∆tv.

∆tv = t – tv

Zmenu teploty kovu zo začiatočnej teploty (tk) na výslednú teplo-tu (t) budeme označovať znakom ∆tk.

∆tk = tk – t

Znak ∆ je písmeno gréckej abecedy – delta. Zmenu teploty ∆t bude-me 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. (Od výslednej teploty, ktorá má vyššiu hodnotu, sme odpočítali začiatoč-nú teplotu vody.)

Ak je začiatočná teplota kovu tk = 60 °C a  po jeho vložení do vo-dy 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.)

PokusVykonaj tri experimenty a merania s troma kovovými valčekmi (ma-

lými predmetmi) z  rôznych kovov (mosadze, hliníka, železa). Valček (predmet) zohrej na teplotu približne 60 °C a vlož do kalorimetra s vo-dou izbovej teploty. Voda má mať rovnakú hmotnosť, akú má valček.

a) Aká bude výsledná teplota kovu a vody v kalorimetri po dosiah-nutí tepelnej rovnováhy?

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

Pracuj v skupine.

POZNÁMKA: Namiesto mosadzného

valčeka (telieska) možno použiť medený a namiesto železného oceľový predmet. Uvedené dvojice materiálov sú zameniteľné.

Tepelná izolácia

5. Výmena tepla

74 Teplo

Postup: a) Priprav si a preštuduj tabuľku.

Tabuľka: Záznam hodnôt pri výmene tepla medzi kovmi a vodou

číslomerania látka hmotnosť

[g]

začiatočnéteploty

tk, tv [°C]

výsledná teplota t [°C] ∆t[°C]

predpoklad skutočnosť

1.kov 1voda

2.kov 2voda

3.kov 3voda

b) Odváž kovový valček 1 a pomocou odmerného valca odmeraj ob-jem vody s rovnakou hmotnosťou. Vodu nalej do kalorimetra. Za-píš hodnoty hmotností do tabuľky.

c) Valček uviaž na niť a vlož do horúcej vody (napríklad s teplotou 60 °C) vo varnej kanvici. Udržuj rovnakú teplotu v kanvici najme-nej 5 minút.

d) Odmeraj teplotu vody v kalorimetri a zapíš ju do tabuľky ako za-čiatočnú teplotu vody (tv).Začiatočná teplota kovu (tk) sa rovná teplote horúcej vody vo varnej kanvici. (Predpokladáme, že po piatich minútach bude mať valček rovna-kú teplotu ako horúca voda.)

e) Urob predpoklad o výslednej teplote v kalorimetri po dosiahnutí tepelnej rovnováhy.

f) Horúci 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 naj-vyššia 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) Zmenu teploty ∆tv vody vypočítaj ako rozdiel jej výslednej teploty t a začiatočnej teploty tv , ∆tv = t – tv.

i) Zapíš hodnoty tepelných zmien skúmaných kovov a  vody všet-kých pracovných skupín v triede do tabuľky.

Tabuľka: Záznam hodnôt tepelných zmien všetkých skupín

látka ∆t [°C]

skupina č. 1 skupina č. 2 skupina č. 3 skupina č. 4kov 1: železovodakov 2: mosadzvodakov 3: hliníkvoda

j) Z hodnôt v tabuľke zostroj graf.

Odpovedz:

1. Zhodovali sa tvoje predpoklady o výslednej teplote so skutočnos-ťou?

2. Ktorý predpoklad bol najbližšie k odmeranej výslednej teplote?

Obr. 56 Pomôcky na realizáciu pokusu

3tk

3tv

[°C]

[°C]

POZNÁMKA: Pri kreslení grafu môžeš

využiť počítač s programom TeploKovy01.cma (C6lite).Dostupné nawww.fyzikus.fmph.uniba.sk

5.4 Výmena tepla medzi kovmi a vodou

Teplo 75

3. Dobre si prezri rozdiely teplôt pre vodu a kovy. Porovnaj ich. Dá sa z číselných hodnôt rozdielov teplôt urobiť nejaký záver?

4. Ak 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. Dre-veného 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 hod-noty nameraných rozdielov teplôt kovových valčekov (∆tk) a vody (∆tv). Zistíte, že pri tepelnej výmene sa teplota kovových valčekov meni-la omnoho viac ako teplota vody rovnakej hmotnosti, ktorou sme ich ochladzovali. Kým teplota vody sa zmenila len o niekoľko stupňov Cel-ziovej stupnice, kovy rovnakej hmotnosti zmenili svoju teplotu o desiat-ky 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 tep-lôt 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.

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 „vyčí-tať“: Ak kov s určitou hmotnosťou ochladíme vodou rovnakej hmotnosti

Graf závislosti rozdielov teplôt kovov a vody pri tepelnej výmene

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,503tv [°C]

3tk [°C]2,0

1,8

1,6

1,4

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0

3tk2 meď3tk1 železo3tk3 hliník

POZNÁMKA: Použi program

TeploKovy02.cma zostavený v C6liteDostupné nawww.fyzikus.fmph.uniba.sk

5. Výmena tepla

76 Teplo

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 hmot-nosti zvýši svoju teplotu len o necelú jednu desatinu stupňa. Podstatne lepšie je na tom hliník – pri ochladení hliníka o jeden stupeň voda rov-nakej hmotnosti zvýši svoju teplotu o vyše dve desatiny stupňa.

Jav, ktorý sme práve skúmali, súvisí s nerovnakou schopnosťou lá-tok 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 ovplyv-ňujú klímu vo svojom okolí. Prímorské počasie je spravidla príjemnejšie ako vnútrozemské a nestretávame sa pri ňom s takými rýchlymi zme-nami teploty a veľkými teplotnými rozdielmi medzi zimou a letom ako vo vnútrozemí.

Rieš úlohy 1. Zuzka 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 zo-hreje len o niekoľko stupňov Celzia, ale podkova sa ochladí až o niekoľko sto-viek 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 ustá-lila 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.

Vieš, že...... vtáci, ktorí sa neustále pohybu-jú v studenej vode alebo na ľade, majú v nohách zvláštny krvný obeh, ktorý znižuje stratu tep-la? Krvné vlásočnice prebiehajú tesne vedľa seba, takže teplá krv smerujúca do nôh ohrieva stude-nú krv, ktorá prúdi do tela. Tento protiprúdny systém výmeny tepla je podobný systému, ktorý sa používa pri niektorých strojoch.

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.

5.4 Výmena tepla medzi kovmi a vodou

Teplo 77

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

78 Teplo

Projekt 2

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 rea lizovateľný, jeho vykonanie nebolo nebezpečné a aby ste ho doká-zali vysvetliť spolužiakom.

Súčasťou projektu by mala byť obrazová dokumentácia. To zna-mená, 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 podmienky1. 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 nebez-pečná.

3. Prekonzultuj 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 vyhodnoteniaVyhodnotenie 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 maxi-

málnym počtom možných bodov,– nikto nehodnotí vlastný projekt,– poradie v  súťaži bude vyhodnotené sčítaním bodov, ktoré žiaci

pridelia jednotlivým projektom.

Pracuj v skupine.

Teplo 79

Čo sme sa naučili

Učíme sa odborné pojmy, napríklad: teplo, teplota, hustota...

Zohrievaním banky, výmenou tepla medzi rukami a bankou so vzdu-chom 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.

Kalorimeter – tepelne izolovaná nádoba.Laboratórny kalorimeter Kalorimeter zhotovený z jednoduchých

pomôcok

plyny kvapaliny pevné látky

80 Teplo

Čo sme sa naučili

Vedenie tepla – častice látky si odovzdávajú pohybTepelné izolanty – drevo, sklo, plasty (napríklad polystyrén)Tepelné vodiče – meď, oceľ, železoZlé tepelné vodiče – vzduch, voda

Šírenie tepla

Výmena tepla medzi horúcou a studenou vodouVýsledná teplota pri zmiešavaní rovnakých hmotností teplej a stude-nej vody závisí od ich začiatočných teplôt.Rozdiel teplôt (t1 - t), prípadne (t - t2), označujeme ∆t (delta t).

Výmena tepla medzi kovmi a vodouKovy, 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

pokus č. teleso z látky ∆t [°C]

1.valček zo železa 50,0

voda 5,0

2.valček z medi 48,0

voda 4,7

3.valček z hliníka 43,0

voda 9,0

chladné

teplé

horúce

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.

vedením prúdením žiarením

POZNÁMKA: Spracuj hodnoty z tabuľky

na počítači v programe C6liteDostupné nawww.fyzikus.fmph.uniba.sk

Teplo 81

Test 3 – vyskúšaj sa Výmena tepla 1. Deti si nastrihali pásiky papiera a pripevnili ich na dva špagáty. Špa-

gáty 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.

2. Ak jeden koniec skúmavky so vzduchom zohrievame nad ohňom, do druhého konca môžeme zasunúť prst bez toho, aby sme sa po-pálili.

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 stu-

dený. Šípky na obrázku svojou dĺžkou znázorňujú rýchlosť pohybu častíc. Uváž, ktorý z koncov je horúci a ktorý studený.

4. Veľmi často sa pri chladení strojových súčiastok používa voda. Vy-svetli, prečo je voda dobrým chladičom.

A B

82 Teplo

Test 3

5. Urob predpoklad výslednej teploty pri zlievaní rovnakých objemov horúceho a studeného čaju.

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 upev-nené klinčeky. Zohrievaním sa parafín roztopí a klinčeky postupne odpadnú. Z ktorej tyče odpadnú všetky klinčeky skôr? Svoju odpo-veď vysvetli.

6. V miestnosti sa kúri radiátorom a na troch miestach v nej boli name-rané teploty: 20 °C, 22 °C a 19 °C. Na ktoré miesto by si doplnil tieto namerané teploty? (Obrázok si prekresli do zošita.)

horúci čaj studený čaj výsledná teplota čaju po zmiešaní

objem [ml] teplota [°C] objem [ml] teplota [°C] odhad [°C]

100 70 100 22

200 60 200 20

150 50 150 20

°C

°C

°C

Teplo 83

5.5 Ako meriame teplo Vo veľkom počte domácností sa vykuruje diaľkovým kúrením. Z tep-

lární prúdi do radiátorov teplá voda. Vykurovanie nie je zadarmo, mu-síme zaň platiť, hovoríme, že platíme za teplo. Aby platby za teplo boli pre spotrebiteľov spravodlivé, treba do domácností namontovať mera-če tepla. Vieme teplo odmerať priamo, tak ako napríklad teplotu teplo-merom 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 veličinami teplo súvisí. Budeme vychádzať z pokusov so zlievaním ho-rúcej 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 tep-loty 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 tep-loty bol vyšší.

Keď sme menili hmotnosť aj teplotu horúcej vody, obe veličiny sa na hodnote výslednej teploty vody po zmiešaní prejavili. Pokusy s výme-nou tepla sú poznačené chybami merania ešte viac ako iné merania. Dopúšťame sa chýb pri samotných meraniach, ale tiež v dôsledku úni-ku tepla do okolia. Preto pri úvahách o teple využijeme takzvané „myš-lienkové experimenty“. V mysli si premietneme, ako by pokus mohol vyzerať a na základe skúsenosti a úvahy prídeme ku vzťahu na výpočet tepla.

Obr. 57 Pomôcky na pokus s výmenou tepla medzi horúcou a studenou vodou

Digitálny merač tepla

5. Výmena tepla

84 Teplo

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 do-siahnuť 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?

Zapíšeme všetky hodnoty, ktoré poznáme. voda v nádobe 1 voda v nádobe 2objem vody V1 = 1 l V2 = 2 lhmotnosť vody m1 = 1 kg m2 = 2 kgzačiatočná teplota tz = 20 °C tz = 20 °Cvýsledná teplota t = 50 °C t = 50 °Crozdiel teplôt ∆t = 30 °C ∆t = 30 °C

Odpoveď na otázku, ktorému objemu vody je potrebné dodať väč-šie množstvo tepla, je jednoduchá. Vode s  dvojnásobným objemom (hmotnosťou) je potrebné dodať dvojnásobné množstvo tepla.

dodané teplo Q1 2Q1

Pri rovnakom zvýšení teploty prijme voda teplo, ktoré je priamo úmerné jej hmotnosti. Toto tvrdenie môžeme zovšeobecniť aj pre všetky telesá – teplo pri-

jaté telesom je priamo úmerné jeho hmotnosti.

Q ~ m

2. Na 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?

1

50 °C 50 °C

35 °C20 °C

1

2

2

5.5 Ako meriame teplo

Teplo 85

Napíšeme všetky hodnoty, ktoré poznáme. voda v nádobe 1 voda v nádobe 2objem vody V1 = 1 l V2 = 1 lhmotnosť vody m1 = 1 kg m2 = 1 kgzačiatočná teplota tz = 20 °C tz = 35 °Cvýsledná teplota t = 50 °C t = 50 °Crozdiel teplôt ∆t = 30 °C ∆t = 15 °C

Odpoveď na otázku: „Vode s ktorou teplotou je potrebné dodať väč-šie množstvo tepla?“ je jednoduchá. „Vode s  polovičným rozdielom teplôt je potrebné dodať polovičné množstvo tepla.“

dodané teplo Q1

Q1

2

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. Všeobec-ne 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 tematické-ho celku a bola ňou kalória (cal). Kalória bola definovaná ako teplo, kto-rým 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, za-okrúhlene 4,2 J. Zohriatím 1 g vody o 1 °C prijme voda teplo 4,2 J. Vo fy-zike 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 pozo-rovať, 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 iné množstvo tepla. Obr. 58 James Prescott Joule

(1818 – 1889), anglický fyzik, po ktorom je pomenovaná jednotka tepla.

5. Výmena tepla

86 Teplo

Rieš úlohy 1. Rozhodni podľa údajov na obrázku, v ktorom prípade prijala voda

najväčšie množstvo tepla, aby sa zohriala na 80 °C? Svoju odpoveď vysvetli.

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. Zisti si informácie a urob záznam o ich zdroji. Ktorými oblasťami fyziky sa zaoberal J. P. Joule?

5.6 Látka a teplo. Výpočet teplaZo skúsenosti vieme, že ak by sme v letných mesiacoch na krátky čas

vystavili na slnko predmety z rôznych materiálov, ale s rovnakou začiatoč-nou teplotou a hmotnosťou, nedosiahnu rovnakú teplotu. Táto skutoč-nosť 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 kapa-citu 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 izbo-vej 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.

... 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)

Vieš, že...

Piesok a ležadlo na pláži sa slnečným žiarením zohrejú na rôznu teplotu.

22 °C10 °C

30 °C

1 2 3

5.6 Látka a teplo. Výpočet tepla

Teplo 87

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 rozdie-loch medzi kovmi.

Úloha V troch pokusoch odovzdávali v kalorimetri tri kovové valčeky, zo-

hriate na teplotu okolo 80 °C, teplo vode s izbovou teplotou (okolo 22  °C). Hmotnosť valčekov bola rovnaká ako hmotnosť vody v kalo-rimetri. 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. teleso z látky ∆t [°C]

1.valček zo železa 50

voda 5,0

2.valček z mosadze 48

voda 4,7

3.valček z hliníka 43

voda 9,0

Odpovedz:

1. Porovnaj tepelné zmeny kovov v tabuľke. Pri ktorom z kovov si vy-počítal najväčší tepelný rozdiel pripadajúci na zmenu teploty vody o 1 °C?

2. Ako si vysvetľuješ skutočnosť, že tepelné zmeny kovov dosahujú po výmene tepla s vodou vyššie hodnoty ako voda?

Telesá z rozličných látok potrebujú dodať rôzne množstvo tepla, aby sa zvýšila ich teplota o 1 °C. Meraniami v laboratóriu sa zistili hodnoty tepla, ktoré treba dodať telesám z chemicky čistých látok s hmotnos-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-la pre lieh, vodu a kovy, s ktorými sme pracovali.

mosadz železo hliník

látkazmena teploty kovu

pripadajúca na zmenu teploty vody o 1 °C

kov 1

kov 2

kov 3

Tabuľka: Vplyv zmien teploty kovov na zmenu teploty vody o 1 °C

(Tabuľku prepíš do zošita.)

lieh2 470 J

1 kg o 1 °C

meď 383 J

1 kg o 1 °C

mosadz394 J

1 kg o 1 °C

hliník 896 J

1 kg o 1 °C

železo 452 J

1 kg o 1 °C

voda4 180 J

1 kg o 1 °C

Obr. 59 Hmotnostné tepelné kapacity vybraných látok

1 kg 1 kg 1 kg 1 kg 1 kg 1 kg

5. Výmena tepla

88 Teplo

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 kto-rého 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 tele-som 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). Jednotka hmotnostnej tepelnej kapacity jeJ/kg . °C alebo kJ/kg .°C

Jednotka sa dá odvodiť zo vzťahu Q = c . m . ∆t => c =

Jednotka hmotnosti (m) je kg.Jednotka rozdielu teplôt (∆t) je °C.

Úloha Koľko tepla musí prijať kus železa s hmotnosťou 10 kg, ak sa má zo-

hriať 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.

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 J1 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

Jkg . °C

Qm . ∆t

kJkg . °C

látkahmotnostná tepelná

kapacita v

hliník 896

meď 383

olej 2 000

striebro 234

voda 4 180

vzduch 1 000

železo 452

Jkg . °C

Žeravé železo pripravené na prie-myselné spracovanie

5.6 Látka a teplo. Výpočet tepla

Teplo 89

Rieš úlohy 1. Vysvetli, 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 oko-lo 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 ole-ja uvoľnilo, kým vychladol na izbovú teplotu (okolo 20 °C)?

4. Vráť sa k pokusom s výmenou tepla medzi kovmi a vodou na strane 73 až 75.a) Do 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) Doplň 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 merania látka hmotnosť

[kg]

hmotnostná tepelná kapacita

∆t[°C]

teplo[J]

1.kov 1voda

2.kov 2voda

3.kov 3voda

d) Zostroj graf z hodnôt tepla odovzdaného kovmi (Qk) a tepla pri-jatého vodou (Qv).

e) Vypočítaj 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 odovzda-

ného 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?

Qv [J]

Qk [J]0

J1 000

1 000 000

1 000 1 000

0,001

0,000 001

0,000 000 001

1 000 000 000

0,001 0,001kJ MJ GJ

Pomôcka na zapamätanie

Jkg . °C

5. Výmena tepla

90 Teplo

4. Ako si vysvetľuješ, že podiely vo vytvorenej tabuľke sú približne rov-naké ako podiely hmotnostných tepelných kapacít vody a kovov?

5. V tabuľke sú uvedené údaje zo zúčtovania nákladov na vykurova-nie. Vypíš z nej údaje uvedené v gigajouloch (GJ) a premeň ich na jouly (J).

5.7 Teplo a premeny skupenstvaV  prvom tematickom celku Teplota. Skúmanie premien skupenstva

látok sme robili pokusy a skúmali, kedy, za akých podmienok, dochá-dza 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 ča-sových intervaloch. Vráťme sa k premenám skupenstva a zamyslime sa nad vzťahom medzi premenou skupenstva, teplom a  časticovou stavbou látok.

Vyparovanie a varVyparovanie prebieha pri každej teplote. Častice kvapaliny sú v usta-

vičnom 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:

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.

kvapalina paraTeplo sa spotrebúva na intenzívnu premenu kvapaliny na plyn.

Údaje o rozpočítavaní množstva tepla na vykurovanie pre konečného spotrebiteľa – I. obdobie

podiel nákladov za objekt

indikované údaje spolu náklad na údaj indikované údaje

za bytpodiel bytu na spotrebe

základná zložka 6 818,815 € 4 255,690 m2 1,602 282 €/m2 66,470 m2 106,50 €

spotrebná zložka 15 910,569 € 900,429 GJ 17,669 991 8 €/GJ 12,995 GJ 229,61 €

spolu v € vrátane DPH 336,11€

var

Vyparovanie

Var

5.7 Teplo a premeny skupenstva

Teplo 91

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 hmotnost-ného skupenského tepla varu vody je 2 260 kJ/kg.

Graf závislosti teploty od času pri vare vody

KondenzáciaKeď 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:

Kondenzáciu možno využiť na oddeľovanie zložiek kvapalných zmesí, ak pary pri teplote varu každej zložky náhle ochladíme. Odde-ľovanie 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

para kvapalinaNasýtená para odovzdá svojmu okoliu teplo a premení sa na kvapalinu.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

100908070605040302010

0

čas [min]

teplota [°C]

teplota nestúpa

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

100908070605040302010

0čas [min]

teplota [°C]

Prudkým ochladzovaním pár liehu – kondenzáciou, sa oddeľuje lieh od vody.

kondenzácia

Kondenzácia vodných pár na studenom skle

5. Výmena tepla

92 Teplo

Topenie a tuhnutie

Častice pevnej látky majú svoje stále polohy, okolo ktorých kmitajú. Na roztopenie pevnej látky, uvoľnenie častíc z  ich stálych polôh, mu-síme dodať teplo. Pri topení sa teplo spotrebuje na premenu skupen-stva, 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:

Tiosíran sodný je vhodná chemická látka na skúmanie topenia a tuhnutia, pretože sa topí a tuhne pri teplote 48 °C. Túto teplotu mož-no 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

Teplo, ktoré dodáme pevnej látke na premenu skupenstva na kva-palinu, sa nazýva skupenské teplo topenia. Pre rôzne pevné látky bo-lo 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 skupen-ského tepla topenia ľadu je 332 kJ/kg.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

100908070605040302010

0čas [min]

teplota [°C]

topenie tuhnutiepevná látka

pevná látka kvapalina pevná látka

topenie tuhnutie

Teplo sa spotrebuje na premenu skupenstva.

Teplo sa uvoľňuje, látka tuhne.

5.7 Teplo a premeny skupenstva

Teplo 93

Rieš úlohy

1. Vysvetli, prečo pociťujeme na mokrých rukách chlad.

2. Opíš 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.

3. Urob si pokus: rýchla premena vody na ľadPomôcky: sklenená nádoba, bután – plyn do zapaľovačov, vodaPostup: a) Nalej do sklenenej nádoby na dno trochu vody.b) Prudko vypusti plyn do vody tak, ako je to znázornené na obrázku.

Odpovedz: Ako si vysvetľuješ, že sa voda, do ktorej sme vypustili plyn, prudko ochladila, prípadne až zamrzla?

pevná látka kvapalina pevná látka

topenie tuhnutie

POZNÁMKA: Pracuj len v prítomnosti

vyučujúceho alebo inej dospelej osoby.