Jak proudění vzduchu urychluje vypařování kapalin

Pokus číslo: 1625

  • Cíl pokusu

    Cílem experimentu bude kvalitativně ukázat, že odstraňování par nad hladinou kapaliny urychluje její vypařování.

  • Teorie

    K vypařování, tedy skupenské přeměně kapaliny na plyn, dochází za každé teploty, při které je daná látka kapalná. Rychlost vypařování je obecně ovlivněna mnoha faktory; na úrovni střední školy se obvykle zmiňuje, že k rychlejšímu vypařování přispívá nižší povrchové napětí, vyšší teplota kapaliny, větší povrch její hladiny a odstraňování par vznikajících nad hladinou. V následujícím experimentu se zaměříme na poslední jmenovaný vliv, a to pouze kvalitativně; kvantitativní přístup je popsán v experimentu Závislost rychlosti vypařování na odstraňování par nad hladinou kapaliny.

    Odstraňování par nad vypařující se kapalinou často bezděčně sami používáme – foukáme na lžíci s horkou polévkou či čajem, aby nám dříve vychladly. Vypařující se kapaliny totiž odnímají svému okolí teplo nutné ke změně skupenství (tzv. skupenské teplo vypařování) a tím jej ochlazují. Pokud tedy naše foukání vede k intenzivnějšímu odpařování, vede současně k rychlejšímu poklesu teploty kapaliny.

  • Pomůcky

    Termovizní kamera, technický líh, dva listy papíru.

  • Postup

    Vezmeme si dva listy papíru, jeden ponecháme suchý, na druhý vylijeme malé množství technického lihu o pokojové teplotě; papír lihem velmi rychle nasákne. Nyní budeme foukat střídavě na suchý, střídavě na mokrý papír a budeme sledovat teplotní změny termovizní kamerou.

  • Vzorový výsledek

    Úspěšné provedení pokusu ilustruje video níže. Zatímco suchý papír (na videu vlevo) se vzduchem z našich úst zjevně zahřívá, teplota nasáklého papíru (na videu vpravo) při přibližně stejné intenzitě foukání klesá. (To platí zejména na okrajích papíru; přímo v místě, na které foukáme, může převažovat ohřívání vzduchem z úst.)

    Při přípravě tohoto videa byla použita termovizní kamera FLIR i7. Teplotní rozsah škály barev byl zvolen v intervalu 11 °C až 34 °C, emisivita ε = 0,95.

  • Technické poznámky

    • Papírem se líh snadno propije, dejte tedy pozor na to, abyste pod tímto papírem neměli položené něco, čemu by mohl líh uškodit.

    • Provedení tohoto experimentu s vodou je mnohem méně průkazné, doporučit lze obecně spíše těkavé kapaliny (z nichž technický líh je z těch dostupnějších a bezpečnějších).

  • Metodické poznámky

    • Vysvětlení experimentu můžeme postavit jako problémovou úlohu. Foukání na suchý papír jasně ukazuje, že vzduch z našich úst je teplejší než okolí. Jak je tedy možné, že mokrý povrch se jeho vlivem ochlazuje? Diskusí bychom měli dojít k tomu, že vzduch z našich úst sice skutečně je teplejší než okolí, ale jeho proudění (odstraňování par) způsobí intenzivní vypařování lihu, jež svým chladicím efektem (odebíráním skupenského tepla vypařování) převládne nad ohříváním vyfouknutým vzduchem.

    • Protože líh se vypařuje poměrně intenzivně i bez foukání, bude mít již na začátku experimentu papír nasáklý lihem nižší teplotu než papír suchý. Je tedy potřeba žákům zdůraznit, že při fouknutí tato teplota ještě poklesne, naopak, přestaneme-li foukat, roste zpět na původní hodnoty (byť jsou nižší než teplota okolí).

  • Wind chill, pocitová teplota

    Výše uvedený experiment může být modelem pro zcela reálnou situaci, kterou běžně zažíváme – stačí nahradit foukání větrem a papír nasáklý lihem lidskou pokožkou. Nejeden z nás již někdy ošklivě prochladl poté, co vyšel upocený a nedostatečně oblečený do větrného dne. Podobně jako v případě lihu, také odpařování lidského potu je vzdušným prouděním (odstraňováním par) urychlováno a nekrytá místa těla jsou odebíráním skupenského tepla vypařování intenzivně ochlazována.

    V každodenním životě se ale setkáváme ještě s jiným efektem, který snižuje náš teplotní komfort, a to bez ohledu na to, zda jsme „zvlhčeni“ potem či nikoliv; opět je za něj ale zodpovědný vítr, proto bývá označován jako wind-chill efekt. Lidské tělo si ve své bezprostřední blízkosti vytváří tenkou „vrstvu“ ohřátého vzduchu, která tvoří jakousi naši tepelnou izolaci, zmenšuje teplotní rozdíl mezi naším tělem a okolím a tím částečně omezuje tepelné ztráty. Při větrném počasí je tato izolační vrstva ihned odvanuta a vnímáme tak okolní teplotu jako nižší, než když vládne bezvětří. Vnímaná teplota se označuje jako wind-chill a velmi důvěrně ji znají horolezci, lyžaři, polárníci apod.

    Na internetu lze snadno dohledat tabulky wind-chill efektu pro různé kombinace skutečné teploty vzduchu a rychlosti větru – jako příklad uvádíme tabulku na stránkách Fyzwebu. Kromě toho existují také on-line kalkulačky, které wind-chill dopočítávají – doporučit lze například stránky Národní předpovědní služby National Weather Service, které pro výpočet používají empiricky odpozorovaný vztah

    \[\{t_\mathrm{w}\}\,=\,13{,}12\,+\,0{,}6215\{t_\mathrm{s}\}\,-\,11{,}37\{v\}^{0{,}16}\,+\,0{,}3965\{t_\mathrm{s}\}\{v\}^{0{,}16}\]

    kde tw je wind-chill, ts skutečná teplota vzduchu (obě teploty ve stupních Celsia) a v rychlost větru (v kilometrech za hodinu). Tento model je používán pro vítr silnější než 5 km/h a skutečnou teplotu nižší než 10 °C.

    Společně s rychlostí větru ovlivňuje naše vnímání teploty také vlhkost vzduchu – vyšší vlhkost znamená subjektivně vyšší vnímanou teplotu (tzv. heat index). Tento efekt je obvykle vyhodnocován při teplotách vyšších než 27 °C a relativní vlhkosti vzduchu vyšší než 40 %.

    Obě výše zmiňované teploty, wind-chill i heat index, bývají v českém prostředí označovány jako pocitová teplota a stávají se běžnou součástí předpovědí počasí, jak ukazuje například obr. 1 převzatý ze zpravodajského webu pocasi.idnes.cz.

    Obr. 1: Pocitová teplota jako součást předpovědi počasí

    I v českém prostředí pak existují webové aplikace (např. Meteopage), které pocitovou teplotu na základě vlivu rychlosti větru a vlhkosti vzduchu dopočítávají, a to pro širokou škálu teplot.

  • 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.