Řezání kostek ledu
Pokus číslo: 1676
Cíl pokusu
Cílem tohoto experimentu je demonstrovat rozdílnou tepelnou vodivost dvou kovů, mosazi a mědi.
Teorie
Viz teorie u již popsaného pokusu: Tepelná vodivost plastu a kovu I., Teorie.
Pomůcky
Dvě stejné kostky ledu, mosazný a měděný plech stejných rozměrů (ve vzorovém experimentu o tloušťce 0,3 mm), izolující podložka (dřevěný špalík, polystyren), v případě potřeby laboratorní stojany.
Postup
Na stůl, event. na izolující podložku (v našem případě dřevěný špalík) položíme kostku ledu.
Nad ni umístíme jeden z plechů tak, aby na kostku tlačil kolmo svou kratší hranou (obr. 1). Plech na obr. 1 přitom není v držácích nijak upevněn, pouze se o ně opírá, aby zůstal ve vertikální poloze.
Necháme kostku rozříznout působením vlastní tíhy plechu.
Totéž zopakujeme s novou kostkou ledu a druhým plechem. Všímáme si rychlosti, s jakou plechy ledem pronikají.
Vzorový výsledek
Úspěšné provedení experimentu ilustruje video níže (běh času je oproti realitě dvakrát urychlen). Je na něm velmi dobře patrné, že měděný plech proniká ledem výrazně rychleji ve srovnání s plechem mosazným. Měď má zhruba třikrát lepší tepelnou vodivost než mosaz, takže měděný plech je schopen transportovat do svých chladnějších částí mnohem více tepla, což urychluje tání ledu.
Technické poznámky
Experiment můžeme provést pochopitelně i bez stojanů tak, že vezmeme plech do ruky a za použití síly naší ruky začneme kostku rozřezávat. V takovém případě je ale obtížné zajistit, aby působící síla byla v čase stálá (a tedy srovnatelná pro oba plechy).
Led během experimentu odtává, je tedy vhodné pracovat na podložce, které nemůže vznikající voda ublížit.
Metodické poznámky
Z hlediska názornosti je ideální mít k dispozici dvě sady stojanů a dvě izolační podložky, abychom mohli provádět experiment současně (paralelně) jak s mědí, tak s mosazí (tak, jak to ukazuje video výše).
Kromě mědi a mosazi samozřejmě můžeme použít i jiné materiály – železo, hliník apod. Je ale důležité zajistit, aby oba plechy měly přibližně stejnou hmotnost. V opačném případě se snadno potkáme s přirozeným názorem žáků, že rychleji se bude prořezávat těžší plech.
Zvolíme-li právě dvojici mosaz a měď jako ve vzorovém experimentu, stačí zajistit stejné rozměry plechů – hustota mosazi a mědi je téměř identická.
Žáci mohou (např. v souvislosti s tzv. regelací ledu) znát skutečnost, že při vyšším tlaku, který vznikne zatížením ledové kostky, se teplota tání ledu lokálně zvýší. Pokud ale pracujeme s plechy stejné hmotnosti se stejnou šířkou prořezávající hrany, nemůže tento fakt experiment nijak ovlivnit.
Jiným způsobem, jak ukázat zanedbatelný vliv regelace, je přímý výpočet tlaku, který je plechem vyvolán. Ve vzorovém experimentu jde o zhruba 150 kPa, což je nárůst tlaku, jenž by způsobil snížení teploty tání ledu o přibližně 10 mK.
To, zda žáci vysvětlení experimentu porozuměli, můžeme ověřit navazující otázkou: „Jak by experiment dopadl, kdyby byl měděný plech například 20x menší než mosazný (třeba jen o málo větší než průřez ledové kostky)?“ Společně s učitelem by pak žáci měli dojít k tomu, že v takovém případě by se celý měděný plíšek rychle prochladil na teplotu blízkou 0 °C, další odtávání ledu by pak bylo velice pomalé a k rozříznutí kostky by zřejmě vůbec nedošlo. (Tuto hypotézu je rozumné následně podpořit experimentem.) I to ukazuje, že požadavek na podobné hmotnosti i rozměry plechů je oprávněný.
