Přeměna kinetické energie na vnitřní energii: Pád závaží
Pokus číslo: 1587
Cíl pokusu
Budeme vizualizovat, jak se kinetická energie padajícího závaží přemění při dopadu na energii vnitřní, což se projeví lokálním nárůstem teploty.
Teorie
Přeměnu kinetické energie na energii potenciální či naopak předvedeme velmi snadno, bohužel, přeměna těchto typů energie na energii vnitřní se demonstruje problematičtěji. Z každodenního života nemáme zkušenost s tím, že by například předměty padající volným pádem po svém dopadu zvyšovaly teplotu jak svoji, tak podložky pod sebou – přesto se toto děje, jen nárůst teploty bývá obvykle velmi malý a tudíž obtížně měřitelný. Kinetická energie padajícího předmětu se v okamžiku jeho dopadu na podložku zčásti využije na konání práce při její nepružné deformaci a zčásti na zvýšení vnitřní energie předmětu a podložky. Tento narůst vnitřní energie se projeví lokálním zvýšením teploty – a právě to v našem experimentu ukážeme.
Pomůcky
Termovizní kamera, polystyrenová destička (byl použit tácek, na kterém se prodávají balené sýry), závaží (zde 1 kg) či libovolný jiný předmět s matným povrchem, který má podobnou velikost a hmotnost.
Postup
Závaží necháme z výšky přibližně jednoho metru volným pádem spadnout na polystyrenovou destičku. Teplota se v místě dopadu lokálně zvýší řádově o jednotky °C.
Vzorový výsledek
Úspěšné provedení pokusu ilustruje video níže. Pohledem termovizní kamery není padající závaží téměř patrné, protože jeho teplota (a tedy i barva na termogramu) je shodná s okolím.
Při přípravě tohoto videa byla použita termovizní kamera FLIR i7. Teplotní rozsah škály barev byl zvolen v intervalu 18 °C až 24 °C, emisivita ε = 0,95.
Technické poznámky
Již pád kilogramového závaží z výšky okolo jednoho metru může být nebezpečný, pokud by došlo k zasažení žáků; stejně tak může poškodit podlahu pod destičkou – věnujte prosím zvýšenou pozornost podmínkám, ve kterých experiment provádíte!
Ve školách používaná závaží mají často lesklý kovový povrch. Ten je ovšem pro provádění tohoto experimentu nevhodný – takové závaží má malou emisivitu, odráží tepelné záření okolních předmětů a termovizní kamera jej pak snadno může vyhodnotit jako výrazně teplejší, než je okolí. Studenti pak mohou zahřátí destičky připisovat nikoliv přeměně kinetické energie na energii vnitřní, ale obyčejné tepelné výměně při kontaktu závaží a destičky.
Metodické poznámky
Experiment je velmi vhodný při zavádění pojmu vnitřní energie U, respektive při přechodu od zákona zachování mechanické energie \[E_\mathrm{k}\,+\,E_\mathrm{p}\,=\,konst.\] k obecnějšímu zákonu zachování energie \[E_\mathrm{k}\,+\,E_\mathrm{p}\,+\,U\,=\,konst.\]
Lze začít například takovýmto myšlenkovým postupem: Mechanická energie se během volného pádu při zanedbání odporu vzduchu zachovává, tj. potenciální energie se pozvolna mění v energii kinetickou, ale jejich součet je konstantní. Po dopadu na zem je ovšem zároveň nulová jak kinetická, tak potenciální energie předmětu (obojí vzhledem k zemi) – nabízí se tedy otázka, co se s platností zákona mechanické energie stalo, kam se mechanická energie „ztratila“. Otevírá se prostor pro hypotézy studentů, mezi kterými se velmi často ozve i názor, že energie se „přemístila do podložky“. To je chvíle pro tento náš experiment.
Experiment můžeme také propojit s konceptem tepelné vodivosti. Pokud namísto polystyrenové destičky použijeme destičku kovovou a provedeme s ní stejný experiment, žádný měřitelný nárůst teploty nezaznamenáme – lokální zvýšení teploty v místě dopadu je téměř okamžitě minimalizováno rozvedením tepla do okolí. Touto problematikou se podrobněji zabývají pokusy Tepelná vodivost plastu a kovu I. a Tepelná vodivost plastu a kovu II.
Podobný experiment
Namísto kinetické energie volného pádu lze využít kinetické energie úderu – viz experiment Přeměna kinetické energie na vnitřní energii: Úder palicí.
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.
