Závislost teploty varu vody na tlaku

Pokus číslo: 1671

  • Cíl pokusu

    Ukážeme, že při nižším tlaku, než je tlak atmosférický, vře voda při teplotě nižší než 100 °C.

  • Teorie

    Vypařování kapaliny v celém jejím objemu označujeme jako var. Teplota varu je obecně závislá na tlaku okolního vzduchu – graf na obrázku 1 ukazuje tuto závislost pro vodu. Data byla pro potřeby grafu převzata z webu The Engineering ToolBox.

    
     
    Obr. 1: Závislost teploty varu vody na tlaku vzduchu

    S klesajícím tlakem tedy teplota varu klesá a naopak; je patrné, že závislost nemá lineární charakter. V úzkém rozmezí tlaků se ovšem lineární aproximace využívají - například Matematické, fyzikální a chemické tabulky pro střední školy uvádějí v rozmezí 90-107 kPa vztah

    \[\{t_\mathrm{v}\}\,=\,71{,}6\,+\,\frac{7}{25}\{p\}\]

    kde tv je teplota varu ve stupních Celsia a p tlak v kilopascalech. V našem experimentu se ovšem zaměříme pouze na zkoumání kvalitativní.

  • Pomůcky

    Průhledná kuchyňská vakuovací nádoba, rychlovarná konvice, digitální barometr.

    Obr. 2: Pomůcky
  • Postup

    První část:

    V první části experimentu nejdříve ukážeme, jak se ve vakuovací nádobě mění tlak při pumpování vzduchu.

    1. Zapneme barometr a vložíme ho do vakuovací nádoby tak, aby byl čitelný jeho displej.

    2. Začneme pumpovat a sledujeme displej barometru – viz video 1. Přitom si dáváme pozor, abychom přístroj nevystavili tak nízkému tlaku, který by jej mohl poškodit!

    Video 1:

    Nyní už víme, že pumpováním se vzduch z vakuovací nádoby odnímá a tlak uvnitř tedy klesá.

    Druhá část:

    1. V rychlovarné konvici přivedeme vodu k varu.

    2. Po vypnutí konvice necháme var ustat a poté nalijeme vodu do vakuovací nádoby (např. do poloviny její výšky).

    3. Začneme pumpovat a sledujeme chování vody uvnitř.

  • Vzorový výsledek

    Video 2 ukazuje, jak se voda začíná během snižování tlaku v nádobě vařit při teplotě prokazatelně nižší než je teplota 100 °C.

    Video 2:

  • Technické poznámky

    • Vakuovací nádoby jsou finančně dobře dostupné a je možné je snadno sehnat v kuchyňských potřebách, resp. potřebách pro domácnost. Tento experiment vyžaduje, aby byly stěny nádoby průhledné.

    • Před provedením experimentu je nezbytné zjistit měřicí rozsah barometru, abychom se vyvarovali rizika jeho případného poškození. Ve vakuovacích nádobách obvykle není problém snížit tlak na méně než 40 % tlaku atmosférického!

    • Během experimentu je nutné dbát zásad bezpečnosti práce s horkou vodou.

  • Metodické poznámky

    • Pro žáky není vůbec samozřejmé, zda se pumpováním tlak uvnitř nádoby zvyšuje nebo snižuje (byť název vakuovací nádoba leccos napovídá). Proto je vhodné provést obě části experimentu tak, jak jsou zde popsané; samozřejmě, nemáme-li vhodný barometr, provádíme pouze druhou část, ale nezapomeneme ji důkladně okomentovat.

    • Pokud chceme být při vysvětlování experimentu skutečně přesní, musíme si být vědomi toho, že první bubliny, které se v nádobě během experimentu objeví, var ještě neznačí! Jde o tzv. odplynění, kdy se ve vodě rozpuštěné plyny při poklesu okolního tlaku začínají z kapaliny uvolňovat – podobně, jako když poprvé otevřeme lahev s minerální vodou. O varu lze hovořit teprve ve chvíli, kdy se stěny nádoby viditelně orosí. (Pokud bychom chtěli odplynění potlačit, použijeme k experimentu vodu, která krátce předtím prošla několikaminutovým varem a je tak rozpuštěných plynů zbavena.)

  • Alternativní provedení experimentu

    Experiment je možné demonstrovat v ještě jednodušším provedení pouze s injekční stříkačkou. Tu naplníme přibližně do poloviny jejího objemu vodou z odstavené rychlovarné konvice a následně vytáhneme píst nejvíce, jak to konstrukce stříkačky dovolí. Pozorujeme var podobně jako na videu 3. Výhodou tohoto provedení je minimalizace potřebných pomůcek, nevýhodou jeho malé rozměry pro frontální předvádění; opět platí výše uvedené metodická poznámka týkající se odplynění.

    Video 3:

  • Odkaz na související úlohu

    Graf závislosti teploty varu vody na tlaku uvedený v části Teorie neuvažuje tlak vyšší než 300 kPa. Matematicky lze ale samozřejmě dopočítat hodnoty teploty varu i pro teploty vyšší – například úloha Teplota varu vody za vysokého tlaku ukazuje takový výpočet při tlaku 400 kPa.

Typ pokusu: kvalitativní
Věková skupina: od 2. stupně základní školy
Potřebné vybavení: proveditelné s pomůckami, které se na školách obvykle vyskytují
Čas přípravy pokusu: do 3 minut
Čas provedení pokusu: 3–10 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.