Propustnost plastů pro tepelné záření

Pokus číslo: 1627

  • Cíl pokusu

    Experiment si klade za cíl pomocí termovizní kamery demonstrovat rozdílnou propustnost různých plastů pro tepelné infračervené záření – konkrétně jde o folie vyrobené z polypropylenu (PP), polystyrenu (PS) a polyethylentereftalátu (PET).

  • Pomůcky

    Termovizní kamera, mikrometrické měřítko, folie stejné tloušťky z různých plastových materiálů, sledovaný objekt se stálou teplotou vyšší, než je teplota pokojová (např. rychlovarná konvice s kontinuálně se vařící vodou).

    V tomto konkrétním experimentu byly jako folie použity následující předměty běžné spotřeby:

    • obal na CD/DVD (polypropylen)
    • víčko od sýra (polystyren)
    • stěna PET lahve (polyethylentereftalát)
  • Postup

    1. Pomocí mikrometrického měřítka vybereme takové plastové folie z různých materiálů, které mají stejnou tloušťku; v našem konkrétním experimentu to byla tloušťka 0,25 mm.

    2. Zafixujeme termovizní kameru tak, aby snímala vybraný předmět o znatelně odlišné teplotě ve srovnání s okolím (zde: rychlovarnou konvici).

    3. Postupně mezi kameru a vybraný předmět umisťujeme jednotlivé folie a sledujeme, jak se mění kamerou snímaný obraz. Čím více je původní obraz zeslaben a měřená teplota bližší teplotě pokojové, tím více tepelného infračerveného záření bylo příslušnou folií pohlceno.

  • Vzorový výsledek

    Úspěšné provedení pokusu ilustruje obr. 1 níže, který porovnává obrazy získané termovizní kamerou po průchodu emitovaného tepelného záření jednotlivými foliemi. Je patrné, že ze tří srovnávaných materiálů pohlcuje nejvíce záření polyethylentereftalát, nejméně pak polypropylen.

    Obr. 1: Porovnání propustnosti PP, PS a PET pro tepelné infračervené záření

    Při přípravě obr. 1 byla použita termovizní kamera FLIR i7. Teplotní rozsah škály barev byl zvolen v intervalu 22 °C až 89 °C, emisivita ε = 0,95.

  • Technické poznámky

    • Zásadním faktorem, který ovlivňuje všechna termografická měření, je emisivita snímaného povrchu, stručně řečeno jeho schopnost pohlcovat dopadající záření. Předměty s nízkou emisivitou podstatnou část dopadajícího záření odrážejí a tím zkreslují termografické měření, které primárně sleduje vlastní tepelné záření tělesa, nikoliv záření odražené. Při výběru vhodných vzorků pro experiment bychom se tedy měli vyhnout plastům s nízkou emisivitou; obvykle jsou to plasty na první pohled velmi lesklé. Můžeme udělat také jednoduchý test – pokud se nad folii nakloníme, namíříme na ni termovizní kameru a uvidíme v ní, že folie odráží náš tepelný obrys, není pro tento experiment vhodná.

    • Dalším vhodným plastem pro srovnání je měkčený polyethylen (PE-LD), který vykazuje ještě větší propustnost než všechny dosud zkoumané materiály.

    • Jako sledovaný předmět můžeme namísto konvice použít například svítící žárovku, ovšem s tím požadavkem, aby se její teplota během experimentu zásadně neměnila. Je tedy vhodné, aby žárovka alespoň deset minut před experimentem svítila a stačila se tedy ustanovit dynamická tepelná rovnováha mezi jejím povrchem a okolním vzduchem.

    • Ve vzorovém experimentu byly vybrány folie, jejichž tloušťka se velmi dobře shodovala, pokus ale dá uspokojivé výsledky i v případě, že se budou tloušťky folií drobně lišit (např. do 10 % či 15 % tloušťky).

    • Pokud pracujeme s dvojitou folií (například obal na CD/DVD), uvažujeme jako její tloušťku součet tloušťky obou jejích stěn; pro potřeby tohoto experimentu lze zanedbávat efekty, které vznikají mezi těmito stěnami (násobné odrazy apod.).

  • Metodické poznámky

    • Mnohdy může být při tomto experimentu pro studenty nejpřínosnější zjištění, že materiály kolem nás různě reagují na průchod elektromagnetického záření různých vlnových délek, tj. předměty průhledné ve viditelném světle nemusí být průhledné v jiných spektrálních oborech a naopak. Výše popsaný experiment například ukazuje, že ve viditelném oboru průhledný PET je pro tepelné infračervené záření téměř neprůhledný. Naopak, barevné obaly od papírových kapesníčků (z PE-LD) světlo téměř nepropouštějí, ale tepelné infračervené záření jimi pouze nepatrně zeslabeno prochází. Podobné zkoumání běžných předmětů kolem nás může být námětem na další experimenty.

    • Pokud vezmeme více folií stejné tloušťky ze stejného materiálu, lze ukázat, že množství prošlého záření exponenciálně ubývá s tím, jak zvyšujeme počet folií stojících mu v cestě; kvantitativním proměřením tohoto jevu se zabývá experiment Pohlcování tepelného záření plastovými filtry.

    • Pokud bychom se chtěli věnovat vlastnostem plastů na vyšší úrovni (například během výběrového semináře či na univerzitní půdě), můžeme dát jejich chování v infračervené oblasti do souvislosti s jejich absorpčními spektry.

  • Propustnost plastů v blízkém infračerveném záření

    Propustnost můžeme – s jinými výsledky – studovat také v infračerveném záření jiných vlnových délek – například v blízké infračervené oblasti se zabýváme vlnovými délkami okolo 1 µm (tj. o řád menšími než v případě tepelného záření typického pro předměty pokojové teploty). Námětem k takovému experimentu může být například článek Kamily Goldové Pokusy s infračerveným zářením představený v roce 2001 na Veletrhu nápadů učitelů fyziky v Olomouci.

  • 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 střední školy
Potřebné vybavení: vyžaduje specifické pomůcky
Čas přípravy pokusu: do 3 minut
Čas provedení pokusu: 3–10 minut
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.