Chladicí účinky sprejů

Pokus číslo: 1595

  • Cíl pokusu

    V experimentu budeme demonstrovat rychlý pokles teploty způsobený intenzivním odpařováním kapaliny rozptýlené aerosolovým rozprašovačem (sprejem).

  • Teorie

    Spreje (plným označením aerosolové rozprašovače) slouží k dávkování kapalných látek ve formě malých částic rozptýlených v plynu – tzv. aerosolu. Je-li kapalina rozprášena do podoby aerosolu, tedy v zásadě velmi malých kapiček, dramaticky tím při daném objemu vzroste její povrch a tedy i rychlost jejího odpařování. Protože obvykle jsou součástí aerosolu i těkavé kapaliny užívané ve spreji jako hnací látky (viz část „Jak spreje fungují?“), bývá odpařování velmi intenzivní. Přitom kapalina odnímá svému okolí skupenské teplo vypařování a v okolí tak dochází k rychlému poklesu teploty.

    Existují přímo chladicí spreje (plněné např. tetrafluorethanem či dimethyletherem, těkavými kapalinami s nízkým bodem varu) snižující po aplikaci na povrch jeho teplotu až pod −50 °C (dle jejich výrobců).

  • Pomůcky

    Termovizní kamera, sprej (vhodné jsou obecně deodoranty, insekticidy, barvy ve spreji, spreje na odstranění prachu apod.), tepelně izolující podložka pro aplikaci spreje (dřevo, plast apod.).

    Obr. 1: Akrylová barva ve spreji použitá při vzorovém experimentu

    Ve vzorovém experimentu byl použit sprej určený k nanášení černé rychleschnoucí akrylové barvy na dřevěné, kovové a plastové povrchy (obr. 1). Jako podložka posloužila bíle natřená dřevotřísková deska.

  • Postup

    Aplikujeme sprej na povrch s malou tepelnou vodivostí a sledujeme teplotní změny nastávající v důsledku odpařování rozprašované kapaliny. Protože jde o poměrně rychlé děje, při kterých může být chvilková nepozornost klíčová, je vhodné aplikaci spreje pro žáky několikrát za sebou zopakovat.

  • Vzorový výsledek

    Úspěšné provedení pokusu ilustruje video níže.

    Při přípravě tohoto videa byla použita termovizní kamera FLIR i7. Teplotní rozsah škály barev byl zvolen v intervalu −9 °C až 34 °C, emisivita ε = 0,95.

  • Technické poznámky

    • Věnujte velkou pozornost výběru spreje! Použití deodorantu nebo insekticidu by mělo být bezproblémové, naopak vdechování aerosolů některých průmyslových sprejů může být pro citlivější žáky dráždivé, zvažte proto jejich použití v uzavřených a špatně větratelných místnostech! Venku lze experimentovat bez omezení.

    • Jako nanášený povrch nikdy nepoužívejte materiály, které se mohou aplikací spreje promáčet! Hrozí pak poškození vrstev pod nimi. Nevhodný je tak například papír nebo textilie.

  • Metodické poznámky

    • Pokud budou žáci provádět experiment samostatně, je nezbytné mít je stále pod dohledem. V případě, že by se totiž pokusili vyzkoušet chladicí účinky spreje na sobě a použili ho velké množství, hrozí jim reálně omrzliny. I běžné repelenty či deodoranty jsou schopny krátkodobě snížit teplotu povrchu o pokojové teplotě o řádově desítky stupňů Celsia!

    • Se žáky lze experiment motivovat jejich vlastní zkušeností. Pravděpodobně se alespoň část z nich setkala s tím, že když použijí během horkého letního dne deodorant či repelent, které by měly být v tepelné rovnováze s okolím, je jejich aplikace přesto spojena s pocitem chladu.

    • Použijeme-li jako nanášený povrch materiál s dobrou tepelnou vodivostí, dojde k prochlazení celého povrchu, nikoliv pouze aerosolem zasaženého místa. Tuto skutečnost lze před žáky postavit jako rozšíření původního experimentu zaměřující se na vizualizaci rozdílné tepelné vodivosti látek.

  • Jak spreje fungují?

    Kapalina, která má být rozprašována, je v nádobce spreje společně se zkapalněným hnacím plynem; tato směs je udržována pod vyšším tlakem, než je tlak atmosférický. Podstatné je, že hnacím plynem je látka s nižší teplotou varu, než je teplota, při které bude sprej používán – dle typu spreje bývá užíván propan-butan, dimethylether, tetrafluorethan, izobutan atd., ve všech případech kapaliny s teplotou varu pod −10 °C. Jejich okamžitému vyvaření brání právě vyšší tlak v nádobce.

    Stisknutím tlačítka spreje se otevírá ventil, kterým je kapalina tlačena do trysky rozprašující ji na drobné kapičky. Tím tlak v nádobce klesne a díky tomu se začne hnací plyn vypařovat, dokud se neobnoví původní tlak – sprej je znovu připraven k použití.

  • Další experimenty se spreji

    Přehledně a názorně je princip fungování aerosolových rozprašovačů popsán v příspěvku docenta Josefa Hubeňáka Technické spreje ve vyučování fyzice, který byl představen v roce 2010 na Veletrhu nápadů učitelů fyziky 15 v Praze. Tento příspěvek obsahuje také další inspiraci k rozsáhlejšímu využití sprejů ve výuce fyziky.

  • 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.