Porovnání tepelné emise klasické a úsporné žárovky

Pokus číslo: 1590

  • Cíl pokusu

    Ukážeme si, jak emitují tepelné záření klasická a úsporná žárovka (přesněji řečeno kompaktní zářivka) poskytující stejný světelný tok.

  • Teorie

    klasické žárovce je světlo získáváno emisí z wolframového vlákna zahřátého průchodem elektrického proudu na teplotu vyšší než 2500 °C; na světlo se ale ve vláknech žárovek přeměňuje jen zlomek celkově investované elektrické energie, zatímco její drtivá většina je ve formě infračerveného záření vyzářena jako teplo. Není tedy divu, že v reakci na snahy o regulaci používání takto neefektivních zdrojů světla se zrodil nápad označovat klasické žárovky jako topná tělíska – z fyzikálního hlediska je emise světla z wolframového vlákna opravdu pouze doprovodným minoritním jevem.

    Termín úsporná žárovka se nesprávně vžil pro zdroje světla, které se oficiálně označují jako kompaktní zářivky. Stejně jako v případě tyčových zářivek jde o nízkotlaké výbojky plněné parami rtuti, ve kterých probíhá doutnavý výboj produkující ultrafialové záření. To je pak pomocí luminoforu naneseného na vnitřních stěnách zářivky přeměňováno na záření viditelné.

    Pro srovnání efektivity zdrojů světla se obvykle používá tzv. světelná účinnost zdroje K, [K] = lm/W, která vyjadřuje, jaký světelný tok zdroj světla poskytuje na 1 W svého příkonu. Zatímco běžné hodnoty se pro klasické žárovky pohybují v intervalu 10-15 lm/W, u kompaktních zářivek je to 45-65 lm/W. Z tohoto srovnání je patrné, že klasická žárovka pošle z každého wattu svého příkonu do světelného oboru výrazně méně energie než kompaktní zářivka; o to více tedy emituje v infračervené, zejména tepelné oblasti spektra.

    Hodnoty světelné účinnosti můžeme snadno odhadnout z údajů, které výrobci světelných zdrojů udávají na obalech svých produktů; v našem experimentu např. používáme klasickou žárovku s nominálními parametry 700 lm/60 W (tj. K ≈ 12 lm/W) a kompaktní zářivku 700 lm/13 W (K ≈ 54 lm/W).

    Problematice světlených zdrojů a jejich vlastností se obsáhle věnuje například diplomová práce Měření světelné účinnosti zdrojů světla.

  • Pomůcky

    Termovizní kamera, dvě identické lampičky, klasická žárovka a kompaktní zářivka poskytující stejný světelný tok (v našem případě 60 W a 13 W, světelný tok v obou případech 700 lm).

  • Postup

    Lampičky umístíme do vodorovné vzdálenosti cca 15 cm od termovizní kamery (viz obr. 1), obě je současně zapneme a několik minut sledujeme prohřívání obou zdrojů světla a jejich okolí.

    Obr. 1: Uspořádání experimentu (v něm se používají lampičky dvě).
  • Vzorový výsledek

    Úspěšné provedení pokusu ilustruje video níže. Je patrné, že ačkoliv světelné zdroje poskytují srovnatelný světelný tok, klasická žárovka emituje řádově více energie ve formě tepla.

    Při přípravě tohoto videa byla použita termovizní kamera FLIR i7. Teplotní rozsah škály barev byl zvolen v intervalu 23 °C až 69 °C, emisivita ε = 0,95.

  • Technické poznámky

    V případě klasické žárovky vystoupá teplota během experimentu vysoko nad 100 °C, je proto nezbytná opatrnost při případném vyjímání žárovky.

  • Metodické poznámky

    Při pozorném sledování ohřevu baňky klasické žárovky si lze všimnout toho, že její teplota roste odshora, spodní část se ohřívá jako poslední. Z této situace lze udělat pro žáky problémovou úlohu – proč zahřívání probíhá právě takto? Zopakujeme-li experiment vícekrát, zjistíme, že nejde o nahodilý jev, ale skutečně o kauzální souvislost. Žáci pravděpodobně přijdou po nějaké chvilce se správným vysvětlením – tj. tím, že plyn uvnitř baňky (ochranná atmosféra vlákna) se od vlákna ohřívá, snižuje svoji hustotu a proudí vzhůru, kde tak roste teplota nejrychleji. Dostáváme tak učebnicový příklad tepelné výměny prouděním.

    Pokud chceme tuto problematiku dále rozvíjet, můžeme nyní žáky vyzvat, aby přišli s návrhem, jak tuto hypotézu – tj. že jde o proudění – experimentálně potvrdit. Nejjednodušší způsob, jak toto udělat, je otočit žárovku v tíhovém poli tak, aby její patice směřovala dolů a baňka nahoru (viz obr. 2), a opět, tentokrát seshora, termovizní kamerou proměřit její zahřívání. Pokud byla hypotéza o proudění správná, měla by se nyní baňka prohřívat z pohledu termovizní kamery přibližně rovnoměrně.

    Obr. 2: Proměřování žárovky umístěné paticí dolů a baňkou nahoru.

    Vzorové provedení tohoto rozšíření ukazuje video 2.

    Video 2:

    Při pohledu seshora se žárovka skutečně prohřívá rovnoměrně, zatímco při pohledu z boku můžeme sledovat proudění postupně se ohřívající ochranné atmosféry vlákna.

  • 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 střední školy
Potřebné vybavení: vyžaduje specifické pomůcky
Čas přípravy pokusu: do 3 minut
Čas provedení pokusu: do 3 minut
Pokus je zachycen na videu
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.