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.).
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.
