Odpařování vody a lihu (s termistory)
Pokus číslo: 1693
Cíl experimentu
Budeme demonstrovat chladnutí předmětů, z jejichž povrchů se odpařují kapaliny.
Odkaz na podobný experiment
Analogický jev je popsán v experimentu Odpařování vody a lihu (s termovizní kamerou), ovšem s použitím termovizní kamery.
Pomůcky (obr. 1)
Dva multimetry, dva identické kelímky, dva identické termistory, voda, líh, vodiče, krokosvorky.
Teorie
Podobně jako u vodičů, také u polovodičů závisí odpor na teplotě. Ovšem na rozdíl od vodiče, kde odpor se vzrůstající teplotou lineárně roste, odpor polovodiče se vzrůstající teplotou exponenciálně klesá.
Polovodičová součástka, která tuto závislost využívá, se nazývá polovodičový termistor. Pro svoji vysokou citlivost odporu na teplotě se termistory často využívají pro měření teploty.
V tomto experimentu pozorujeme změnu odporu termistoru během odpařování kapaliny z jeho povrchu. Když se líh nebo voda odpařuje, odebírá ze svého okolí (tedy i z termistoru) teplo a snižuje tak jeho teplotu. U termistoru se snižování teploty projeví zvyšováním měřeného odporu. Množství tepla, které odpařující se kapalina termistoru odebere, závisí na jejím měrném skupenském teplu vypařování, tlaku par příslušné kapaliny v okolním vzduchu a dalších faktorech. Líh se v pokojovém prostředí vypařuje (a odebírá teplo svému okolí) mnohonásobně rychleji než voda, proto se termistor namočený v lihu ochladí na nižší teplotu než stejný termistor namočený ve vodě.
Postup
Pro změření odporu termistorů použijeme digitální multimetry. Nastavíme oba multimetry na měření odporu.
Připojíme termistory pomocí vodičů a krokosvorek k multimetrům. Změříme odpor suchých termistorů o pokojové teplotě, abychom ukázali, že jsou termistory stejné.
Poté ponoříme připojené termistory jeden do lihu a druhý do vody. Necháme hodnoty odporů ustálit, abychom ukázali, že líh i voda mají stejnou teplotu.
Termistory vytáhneme a pozorujeme změnu odporů na displejích multimetrů.
Výsledek pozorování
Po vytažení termistorů z kádinek pozorujeme postupné zvyšování jejich odporu (s tím, jak teplota termistorů vlivem vypařování klesá). Zároveň pozorujeme, že odpor termistoru, který byl v lihu, se zvyšuje rychleji než odpor termistoru, který byl ponořen ve vodě – odpařování lihu tedy způsobuje větší pokles teploty.
Poznámka: Multimetry ve videu ukazují hodnotu elektrického odporu v ohmech.
Technické poznámky
Vodu i líh je třeba si připravit v místě provádění s dostatečným předstihem, aby měly obě kapaliny pokojovou teplotu. Studená voda čerstvě natočená z kohoutku má obvykle teplotu nižší než pokojovou.
Termistor bychom neměli držet za jeho polovodičovou měřicí část, protože pak hrozí, že ho prsty zahřejeme a ovlivníme tím výsledek měření.
K experimentu byly použity termistory o odporu 100 Ω při pokojové teplotě, ale mohl by být použit i pár termistorů s jiným odporem, důležité je pouze to, že se odpor v závislosti na teplotě mění.
Odebírání tepla způsobené vypařováním lze poměrně dobře demonstrovat pomocí teploměrů zn. Vernier, protože jsou mnohem citlivější než běžné kapalinové teploměry. Teploměry zn. Vernier ale nejsou standardním vybavením fyzikálních kabinetů, proto zde uvádíme variantu s termistorem, který je také měřitelně citlivý na změny teploty.
Metodické poznámky
Měření odporů obou termistorů provádíme současně, aby byl patrný rozdíl mezi změnami těchto odporů.
Experiment můžeme opakovat s tím, že zintenzivníme vypařování například máváním nebo foukáním v okolí termistorů, případně máváním rukou s termistory, které do ní chytneme.
Polovodičové termistory popsané v sekci Teorie jsou nejčastějším druhem termistorů (odpor klesá s rostoucí teplotou, většinou jsou označeny zkratkou NTC – Negative Temperature Coefficient). Lze se však setkat i s keramickými termistory s opačnou charakteristikou (označeny jako PTC – Positive Temperature Coefficient). V případě provádění experimentu s keramickými termistory je nutné uzpůsobit tomu celý výklad – očekávat a vysvětlovat pokles odporu při vypařování kapalin.
Alternativní využití experimentu
Experiment můžeme využít i při výuce polovodičů. Vyjdeme ze znalosti, že kapalina při vypařování odebírá teplo z předmětu, z jehož povrchu se vypařuje, čímž dochází ke snižování teploty předmětu. Ukážeme, že odpor polovodičového termistoru při ochlazování roste.
Tento experiment také demonstruje princip funkce digitálního teploměru. Jestliže je nám známo (z technického popisu dané součástky nebo z vlastního měření), jak se mění odpor R konkrétního termistoru s teplotou T, můžeme vytvořit kalibrační graf R-T nebo rovnici R = R(T) a poté po změření odporu termistoru v libovolném prostředí určit teplotu daného prostředí.
Tímto způsobem byl experiment proveden v devátém ročníku ZŠ. Pochopení experimentu nedělalo žákům větší potíže.
Rozšíření experimentu
Kromě lihu a vody můžeme jako další kapalinu použít například glycerin. Tato látka ovšem pohlcuje vzdušnou vlhkost, která v ní kondenzuje na vodu, přičemž uvolňuje teplo – teplota směsi tedy navzdory vypařování glycerinu roste.
Nepoměr v měrném skupenském teple vypařování vody a lihu
Voda má měrné skupenské teplo vypařování (2 257 kJ/kg) přibližně třikrát větší než líh (879 kJ/kg). To by mohlo vést k závěru, že voda při svém vypařování ochladí termistor na nižší teplotu než líh – to se ovšem v experimentu neděje. Tento zdánlivý rozpor je podrobně diskutován v experimentu Odpařování vody a lihu (s termovizní kamerou), Metodické poznámky.
