Kondenzace vodních par

Pokus číslo: 1624

Cíl pokusu
Naším cílem bude vizualizovat nárůst teploty způsobený kondenzací vodní páry.
Teorie
Popisovaný experiment lze do jisté míry považovat za experiment komplementární k experimentu Odpařování vody a lihu (s termovizní kamerou). Ten vysvětlujeme tak, že kapalina, která se odpařuje, odnímá svému okolí skupenské teplo vypařování L_v a vzniklá pára má tedy vyšší energii než kapalina o stejné teplotě. Logická úvaha nás tak vede k závěru, že při kondenzaci (zkapalnění) bude plyn naopak tuto „přebytečnou“ energii ve formě tepla odevzdávat, aby se mohl stát kapalinou. Toto teplo se pak označuje jako skupenské teplo kondenzace plynu L_k a je co do velikosti rovno skupenskému teplu vypařování L_v kapaliny o stejné teplotě.

V našem experimentu ukážeme lokální zvýšení teploty nad hladinou vody v kelímku, jejíž páry zkondenzují na papíře, kterým kelímek zakryjeme.
Pomůcky
Termovizní kamera, kelímek s vodou o teplotě nepatrně nižší, než je teplota okolí (např. o 2 °C apod.), list papíru.
Postup
Naplníme kelímek vodou a překryjeme jeho vrchní okraj listem papíru. Pozorujeme změnu teploty papíru termovizní kamerou.
Vzorový výsledek
Úspěšné provedení pokusu ilustruje video níže. V místě, kde papír zakrývá hladinu vody, registrujeme nárůst teploty o cca 1 °C. Tento nárůst je dočasný, pak se opět začíná ustavovat termodynamická rovnováha s okolím.

Při přípravě tohoto videa byla použita termovizní kamera FLIR i7. Teplotní rozsah škály barev byl zvolen v intervalu 19 °C až 25 °C, emisivita ε = 0,95.
Technické poznámky
- Je důležité nastavit rozsah termovizní kamery tak, aby byl teplotní rozdíl ohraničený maximem a minimem barevné teplotní škály co nejmenší – potřebujeme detekovat skutečně jemné změny teploty v řádu okolo 1 °C.
Metodické poznámky
- Ideální je provádět experiment s vodou o teplotě nepatrně nižší, než je teplota okolí; pro tento účel může dobře posloužit studená voda z kohoutku, která typicky mívá teplotu kolem 20 °C (samozřejmě je vhodné si to před experimentem vyzkoušet). S takto zvolenou teplotou vody pak vyznívá experiment zcela jednoznačně – zatímco vlastní voda bude chladnější než okolí, papír se kondenzačním teplem zahřeje na teplotu vyšší než okolí.
- Pokud zvolíte vodu příliš teplou (na úrovni okolí či vyšší), mohou žáci – oprávněně – vysvětlovat ohřátí papíru prostou tepelnou výměnou mezi vodou a papírem; naopak, příliš studená voda (o pět a více stupňů chladnější než okolí) může efekt natolik potlačit, že se celý experiment stane neprůkazným.
Inspirace
Tento pokus byl inspirován podobným pokusem na webu Infrared Tube věnované experimentům s termovizní kamerou.
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.