Změna vnitřní energie konáním práce: Tažení předmětu po podložce
Pokus číslo: 1591
Cíl pokusu
Ukážeme si, že při tažení předmětu o dostatečné hmotnosti po podložce je možné zaznamenat zvýšení teploty podložky i předmětu.
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 složka tahové síly mířící ve směru pohybu předmětu. Tření mezi předmětem a podložkou (přesněji: práce třecích sil) vede k rozkmitávání částic na jejich styčných plochách, čímž teplota předmětu i podložky roste.
Pomůcky
Termovizní kamera, dostatečně těžký předmět přivázaný na provázku.
V tomto konkrétním provedení byla coby těžký předmět použita papírová krabice naplněná ve fyzikálním kabinetu běžně dostupnými transformátorovými jádry o celkové hmotnosti 10,8 kg (obr. 1).
Postup
Svižně za sebou táhneme těžký předmět po podložce a přitom jej sledujeme termovizní kamerou.
Vzorový výsledek
Úspěšné provedení pokusu ilustruje video níže. Je patrné, že za taženým předmětem nezůstává stejnoměrně zahřátý pruh stolu, ale že výrazně se ohřívají pouze místa, kde je styk podložky a taženého předmětu nejtěsnější.
Při přípravě tohoto videa byla použita termovizní kamera FLIR i7. Teplotní rozsah škály barev byl zvolen v intervalu 22 °C až 28 °C, emisivita ε = 0,95.
Technické poznámky
Ve vzorovém experimentu byla jako podložka použita deska stolu, pokud se obáváme jejího poničení, poslouží stejně dobře linoleum na podlaze.
V případě provádění experimentu na dlažbě nebo na koberci může být obtížné nějakou změnu teploty zaznamenat (zejména dlaždičky mají typicky dobrou tepelnou vodivost a lokální zvýšení teploty tak okamžitě zaniká rozvedením tepla do okolí).
Metodická poznámka
Video výše ukazuje pouze nárůst teploty podložky pod taženým předmětem. Samozřejmě lze ukázat také nárůst teploty spodní podstavy taženého předmětu, ovšem je třeba měřit ihned po ukončení pohybu, než se stačí teplotní rozdíly vyrovnat.
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.
