Odpařování vody a lihu (s termovizní kamerou)

Pokus číslo: 1623

  • Cíl pokusu

    Budeme sledovat rychlost teplotních změn při odpařování vody a technického lihu.

  • Odkaz na podobný experiment

    Analogický jev je popsán v experimentu Odpařování vody a lihu (s termistory), ovšem s použitím termistorů.

  • Teorie

    K vypařování, tedy skupenské přeměně kapaliny na plyn, dochází za každé teploty, při které je daná látka kapalná. Rychlost vypařování (mohli bychom ji definovat jako hmotnost kapaliny odpařené za jednotku času) závisí na mnoha parametrech – teplotě kapaliny, tlaku par nad její hladinou, velikosti povrchu kapaliny, proudění při hladině kapaliny atd. Vzhledem k této rozmanitosti faktorů, které ji ovlivňují, zřejmě není rychlost vypařování ideálním parametrem, který by nám pomáhal porovnat jednotlivé vypařující se látky.

    I proto srovnáváme ochotu kapalin vypařovat se pomocí jiné veličiny, měrného skupenského tepla vypařování lv, které říká, jakou energii je třeba dodat k vypaření jednomu kilogramu kapaliny. Měrné skupenské teplo vypařování klesá se zvyšující se teplotou, což můžeme interpretovat tak, že teplejší kapalině stačí k odpaření jednoho jejího kilogramu dodat za stálé teploty méně tepla než chladnější – to dává intuitivně dobrý smysl. Například měrné skupenské teplo vypařování vody má při teplotě 0 °C hodnotu 2,50 MJ·kg−1, při teplotě 100 °C již pouze 2,26 MJ·kg−1. Více o měrném skupenském teple vypařování naleznete ve stejnojmenné sekci v závěru tohoto experimentu.

    Porovnat měrná skupenská tepla vypařování různých látek při nějaké pevně dané teplotě, např. 20 °C, bývá poměrně problém – tabulky totiž obvykle namísto nich udávají měrná skupenská tepla varu, což jsou měrná skupenská tepla vypařování kapalin při jejich teplotě varu (tj. například vody při 100 °C, lihu při 78 °C, rtuti při 357 °C apod.). V našem experimentu budeme tedy porovnávat měrná skupenská tepla varu vody a lihu, byť jsou uvedena v tabulkách pro různé teploty (100 °C, resp. 78 °C) a ještě k tomu pro teploty vzdálené od pokojové teploty, při které experiment probíhá. Pro naši orientační kvantitativní představu to ale bude zcela dostačovat.

  • Pomůcky

    Termovizní kamera, dva kelímky, voda a technický líh o pokojové teplotě, dvě brčka.

  • Postup

    Připravíme si dva kelímky, jeden naplníme vodou, druhý stejným množstvím technického lihu; obě kapaliny by měly mít na začátku experimentu pokojovou teplotu. Kelímky sledujeme termovizní kamerou. Současně ponoříme do obou kelímků identická brčka a po několika sekundách je vyjmeme. Sledujeme, jak se bude teplota brček měnit.

  • Vzorový výsledek

    Úspěšné provedení pokusu ilustruje video níže. Kapaliny se z brček odpařují a odnímají jim skupenské teplo vypařování, teplota obou brček tedy klesá. Pokles je výraznější v případě brčka ponořeného do lihu.

    Při přípravě tohoto videa byla použita termovizní kamera FLIR i7. Teplotní rozsah škály barev byl zvolen v intervalu 12 °C až 23 °C, emisivita ε = 0,95. Video bylo dvakrát zpomaleno.

  • Technické poznámky

    • Aby bylo měření skutečně průkazné, je vhodné mít obě kapaliny v kelímcích připravené dostatečně dlouho před experimentem tak, aby byly v termodynamické rovnováze s okolím.

    • Namísto brček lze samozřejmě použít i jiné tepelné izolanty, s brčky ovšem experiment funguje velmi spolehlivě.

  • Metodické poznámky

    Výsledek experimentu nás staví do na první pohled pozoruhodného konfliktu. Právě jsme ukázali, že brčko ponořené do technického lihu se prochladilo více než brčko ponořené do vody, tj. líh mu odebral větší teplo. Pokud se ale podíváme do tabulek, zjistíme, že měrné skupenské teplo vypařování (varu) lihu (879 kJ·kg−1) je přibližně třetinové ve srovnání s vodou (2257 kJ·kg−1) – z našich dvou látek je to tedy voda, která by měla odebrat brčku více tepla (pokud připustíme, že vody a lihu ulpělo na brčkách přibližně stejné množství).

    Pokud bystřejší student tuto otázku položí, můžeme na ni navázat další debatu – například otázkou, v čem se ještě liší odpařování lihu a vody. Dojdeme k tomu, že líh se odpařuje mnohem intenzivněji – celý jeho objem se vypaří v poměrně krátkém čase, takže okolí nestihne vykompenzovat vzniklý pokles teploty, který pak také naměříme. Naproti tomu voda se odpařuje pozvolna, takže jejím odpařováním způsobovaný pokles teploty je okolím kompenzován – teplota tedy nikdy neklesne tak nízko jako v případě technického lihu, ale celkové teplo odebrané vypařující se vodou bude skutečně větší než pro stejnou hmotnost lihu. K žádnému sporu mezi teorií a experimentem tedy ve skutečnosti nedochází.

    Výše uvedené vysvětlení lze snadno experimentálně prokázat – stačí obě brčka po vyjmutí z kapalin několik minut sledovat. Za tuto dobu se obvykle veškerý líh odpaří a do něj namočené brčko se rychle vrací na pokojovou teplotu, zatímco pozvolna se odpařující voda druhé brčko ještě stále ochlazuje. Tento efekt ukazuje obr. 1 – při jeho tvorbě nebyla použita brčka, ale dva identické proužky papíru – levý byl namočen do vody, pravý do lihu.

    Obr. 1: Odpařování vody a lihu ze dvou identických proužků papíru – vlevo vždy papírek ponořený do vody, vpravo papírek ponořený do lihu.
  • Více o měrném skupenském teple vypařování

    Tato část textu vychází z dokumentu Skupenská tepla umístěného na webových stránkách Fyzikální sekce Matematicko-fyzikální fakulty UK.

    V textu výše jsme hovořili o tom, že měrné skupenské teplo vypařování je charakteristická veličina pro kapalinu dané teploty a udává teplo nutné k vypaření 1 kg této kapaliny. Toto teplo, které si kapalina vezme z okolí, má dvojí charakter – část se spotřebuje na zvýšení vnitřní energie soustavy (vnitřní měrné skupenské teplo lvi), část ale také na práci, kterou vykoná plyn při zvětšení svého objemu vůči objemu kapaliny (vnější měrné skupenské teplo lve). Vnější měrné skupenské teplo je podstatně menší než vnitřní. Jako příklad jsou v tabulce níže uvedena vnitřní, vnější i celková skupenská tepla vypařování vody při různých teplotách. (Samozřejmě, adekvátně roste tlak tak, aby mohla voda zůstat kapalinou.)

    \(\mathrm{teplota\,/\,K}\) \(l_{\mathrm{vi}}\,/\,\mathrm{kJ{\cdot}kg^{-1}}\) \(l_\mathrm{ve}\,/\,\mathrm{kJ{\cdot}kg^{-1}}\) \(l_\mathrm{v}\,=\,l_\mathrm{vi}\,+\,l_\mathrm{ve}\,/\,\mathrm{kJ{\cdot}kg^{-1}}\)
    273,15 2374 126 2500
    373,15 2086 170 2256
    473,15 1744 198 1942
    573,15 1233 171 1404
    647,10 0 0 0

    Údaje v tabulce korespondují s dříve uvedeným poznatkem, že měrná skupenská tepla vypařování s rostoucí teplotou klesají. Při kritické teplotě, kdy mizí rozdíl mezi kapalinou a její sytou párou, dosahují nulové hodnoty: lv = 0. To je patrné i z tabulky výše – kritická teplota pro vodu je cca 374 °C (cca 647 K) při tlaku 22,14 MPa.

  • 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.