Tepelná vodivost plastu a kovu I.

Pokus číslo: 1584

  • Cíl pokusu

    V tomto pokusu budeme vizualizovat prohřívání kovové a plastové destičky; cílem je poukázat na rozdílnou tepelnou vodivost těchto materiálů.

  • Teorie

    Tepelná výměna vedením se uplatňuje zejména v pevných látkách, téměř se neprojevuje v kapalinách a plynech. V případě elektricky nevodivých látek můžeme vedení tepla vysvětlit tak, že částice v zahřívané části tělesa se více rozkmitají a předávají část své kinetické energie částicím sousedním. V elektricky vodivých látkách se na vedení tepla podílí volné elektrony.

    Charakteristická veličina, která popisuje schopnost látky vést teplo, se nazývá součinitel tepelné vodivosti λ, [λ] = W·m−1·K−1, a sama lehce závisí na teplotě. Pro velmi dobré tepelné vodiče (kovy) dosahuje hodnot desítek až stovek wattů na metr a kelvin, nejlepší tepelné izolanty (některé plasty nebo vzduch) vykazují tepelnou vodivost cca 0,02–0,05 W·m−1·K−1.

    Pro mnoho látek lze hodnoty součinitele tepelné vodivosti vyhledat v tzv. E-tabulkách Ústavu chemického inženýrství ČVUT v Praze.

    Poznámka: Výše uvedený text je pouze jakýmsi prvním uvedením do problému – teorie tepelné vodivosti pevných látek je reálně mnohem složitější.

  • Pomůcky

    Termovizní kamera, kovová a plastová destička přibližně stejných rozměrů (zhruba jde o rozměr lidské dlaně). Kovovou destičku je třeba opatřit matným nátěrem.

  • Postup

    Položíme současně jednu dlaň na kovovou a druhou dlaň na plastovou destičku a po dobu cca 20 sekund sledujeme obě destičky termovizní kamerou. Zatímco kovová destička se za tuto dobu téměř rovnoměrně prohřeje, plastová zvýší svoji teplotu pouze v místě kontaktu s přiloženou dlaní – plast coby tepelný izolant neumožní distribuci tepla do okrajových částí destičky.

  • Vzorový výsledek

    Úspěšné provedení pokusu ilustruje video níže. Napravo je vždy umístěna kovová destička, nalevo plastová destička.

    Při přípravě tohoto videa byla použita termovizní kamera FLIR i7. Teplotní rozsah škály barev byl zvolen v intervalu 22 °C až 34 °C, emisivita ε = 0,95.

  • Technické poznámky

    • V případě tohoto konkrétního experimentu byla použita plastová destička vystřižená z polypropylenového těla kancelářských desek; kovovou destičku jsme získali oříznutím hliníkového plechu o tloušťce 0,5 mm.

    • Jako u všech experimentů využívajících termovizní kameru je nezbytné zajistit, aby měly sledované předměty stejnou emisivitu, laicky řečeno, aby „podobně odrážely“. Protože většina termovizních kamer je přednastavena na hodnotu emisivity ε = 0,95 odpovídající velmi málo odrazivým povrchům, je nejjednodušší opatřit lesklé (typicky kovové) povrchy matným černým nátěrem. Také v tomto experimentu je povrch hliníkové destičky takto upraven.

  • Metodické poznámky

    Postupná změny barvy zahřívaných ploch může vést k časté dezinterpretaci, že některé části destiček obsahují více tepla než jiné, tedy chybné pojetí tepla coby stavové veličiny. Je proto nezbytné zdůrazňovat, že to, co na termogramu vidíme, je rozložení teploty (!), nikoliv tepla, které pouze popisuje výměnu energie.

  • Upřesnění teorie - o tepelné difuzivitě

    Pokud bychom chtěli být zcela přesní, popisuje rozložení teploty nikoliv tepelná vodivost, ale teplotní vodivost, také někdy označovaná jako tepelná difuzivita α, [α] = m2·s−1. Tato veličina v sobě spojuje tepelnou vodivost λ, měrnou tepelnou kapacitu c a hustotu látky ρ vztahem:

    \[\alpha\,=\,\frac{\lambda}{c\varrho}\]

    Čím je hodnota tepelné difuzivity vyšší, tím lépe je homogenní látka schopna vyrovnávat rozdíly teploty ve svém objemu při neustálém šíření tepla vedením. Tabulka níže ukazuje tepelnou difuzivitu některých látek (při teplotě 20 °C); v kapalinách a plynech nemá velký smysl se difuzivitou zabývat, neboť zde dominuje tepelná výměna prouděním.

    látka α/m2·s−1
    měď 11,3·10−5
    hliník 9,8·10−5
    mosaz 3,7·10−5
    železo 2,3·10−5
    sklo 3,4·10−7
    polystyren (nepěněný) 9,2·10−8

    Je patrné, že mezi tepelnou difuzivitou kovů a plastu jsou řádové rozdíly.

  • Provedení pokusu bez termovizní kamery

    Termovizní kamera je velmi nákladnou pomůckou, experiment lze ale provést s použitím mnohem dostupnější termocitlivé folie, kterou lze sehnat pod označením vratná teplotní nálepka. Termocitlivou folii položíme pod plastovou a kovovou destičku (viz obr. 1), odpadá nutnost opatřovat lesklé povrchy nátěrem.

    Obr. 1: Termocitlivou folii položíme pod plastovou a kovovou destičku.

    V našem experimentu byla použita termocitlivá folie pracující v teplotním rozsahu 25 °C až 30 °C. Při pokojové teplotě (cca 22 °C) je tato folie černá, jakmile ji zahřejeme nad 25 °C, zbarvuje se přes hnědou barvu dozelena. Výsledek experimentu při jejím použití ukazuje obr. 2 (kovová destička byla opět napravo, plastová nalevo). Zatímco pod místem styku dlaně s plastovou destičku je patrný její obrys, pod kovovou destičkou je prohřátí rovnoměrnější.

    Obr. 2: Výsledek experimentu při použití termocitlivé folie.
  • Základy práce s termovizní kamerou – odkaz na PDF

    Tento experiment využívá termografické měření. Dokument Experimentujeme s termovizní kamerou shrnuje teorii termografie a základní doporučení a postupy, které mohou napomoci k přesnějším a nezkresleným výsledkům měření.

Typ pokusu: kvalitativní
Věková skupina: od 2. stupně základní školy
Potřebné vybavení: vyžaduje specifické pomůcky
Čas přípravy pokusu: do 3 minut
Čas provedení pokusu: do 3 minut
Pokus je zachycen na videu
Multimediální encyklopedie fyziky
Původní zdroj: Kácovský, P. (2016). Experimenty podporující výuku termodynamiky na
středoškolské úrovni. (Disertační práce.) Matematicko-fyzikální
fakulta UK, Praha.
×Původní zdroj: Kácovský, P. (2016). Experimenty podporující výuku termodynamiky na středoškolské úrovni. (Disertační práce.) Matematicko-fyzikální fakulta UK, Praha.