Změna vnitřní energie konáním práce: Vrtání do dřeva

Pokus číslo: 1588

  • Cíl pokusu

    Ukážeme, jak při vrtání do dřeva roste teplota použitého vrtáku i navrtávaného prkénka.

  • Teorie

    První termodynamický zákon ve tvaru:

    \[\Delta U\,=\,W\,+\,Q,\]

    kde ΔU je změna vnitřní energie systému, W je práce dodaná do systému a Q dodané teplo, povoluje změnu vnitřní energie libovolné termodynamické soustavy (nevyměňující s okolím částice) právě dvěma způsoby – tepelnou výměnou a konáním mechanické práce. V našem případě koná mechanickou práci rotující vrták vnikající do dřeva. Tření mezi vrtákem a prkénkem vede k rozkmitávání částic na styčných plochách kovu a dřeva, čímž teplota obou materiálů roste.

  • Pomůcky

    Termovizní kamera, prkénko (v případě potřeby s vhodnou podložkou), vrtačka nebo mikrovrtačka.

    Obr. 1: Ilustrační obrázek pomůcek: mikrovrtačka a prkénko podložené masivní dřevěnou deskou
  • Postup

    Pokud možno bez přerušování vyvrtáme do prkénka co nejhlubší otvor tak, abychom jej neprovrtali naskrz. Místo vniku vrtáku do dřeva pozorujeme termovizní kamerou.

  • Vzorový výsledek

    Úspěšné provedení pokusu za použití vrtačky ilustruje video níže.

    Při přípravě tohoto videa byla použita termovizní kamera FLIR i7. Teplotní rozsah škály barev byl zvolen v intervalu 25 °C až 31 °C, emisivita ε = 0,95.

  • Technické poznámky

    • Ať už bude tento pokus provádět učitel či žák, měli bychom vždy zkontrolovat, že prkénko je bezpečně uchycené, aby nehrozilo, že bude při vrtání vymrštěno.

    • Pokud máme obavy, že bychom mohli provrtat podložku, je vhodné podložit prkénko například dalším kusem dřeva.

  • Metodické poznámky

    Ve videu výše byla nastavena horní mez teplotního rozsahu na 31 °C, takže vše, co má teplotu vyšší, je ve videu znázorněno stejnou barvou. Pokud bychom ale teplotní rozsah neomezili, zjistíme, že vrták se zahřívá na vyšší teplotu než dřevo. Toto pozorování mohou udělat sami žáci a společně můžeme formulovat problémovou úlohu, proč tomu tak je – náš experiment tedy můžeme propojit s konceptem různé měrné tepelné kapacity látek, kterou se zabývá například úloha Porovnání měrné tepelné kapacity oleje a vody.

  • 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.