Závislost rychlosti vypařování na obsahu plochy hladiny kapaliny

Pokus číslo: 1721

  • Cíl pokusu

    Následující experiment popisuje proměření závislosti rychlosti vypařování kapaliny na obsahu plochy hladiny kapaliny.

  • Teorie

    Rychlost vypařování nemá v českém kontextu žádnou ustálenou definici ani označení. Z logiky věci se zdá být rozumné definovat ji jako hmotnost kapaliny odpařené za jednotku času. Pro žáky bude ale obecně snazší hovořit o změně hmotnosti v různých nádobách za stejný časový úsek, proto se o intuitivní definici pokoušet nebudeme.

  • Pomůcky

    Váhy (s citlivostí alespoň 0,01 g), technický líh, mističky různých průměrů (v dražší verzi Petriho misky, v levnějším provedení například mističky na míchání barev ve výtvarné výchově; v našem vzorovém případě kombinace – viz obr. 1), posuvné měřítko na proměření průměrů mističek.

    Obr. 1: Sada mističek různých průměrů
  • Postup

    1. Posuvným měřítkem určíme a zaznamenáme průměry používaných mističek.

    2. Do všech mističek nalijeme technický líh (ne nutně stejné množství) a mističky i s lihem zvážíme.

    3. Poté necháme líh odpařovat a po uplynutí alespoň jedné hodiny zvážíme všechny mističky znovu. Rozdíl hmotností představuje pro každou misku hmotnost odpařeného lihu.

  • Vzorový výsledek

    Měření bylo vzorově provedeno desetkrát, pokaždé ale trvalo jinak dlouho. Nelze tak přímo průměrovat hmotnosti odpařeného lihu – při kratších měřeních jsou tyto logicky nižší. Proto byl pro účely zpracování dat zaveden bezrozměrný koeficient \(k\), který pro každé měření říká, kolikrát větší hmotnost lihu se z jednotlivých mističek odpařila ve srovnání s mističkou nejmenší (tj. například hodnota \(k = 2\) pro danou mističku říká, že se z ní odpařilo dvakrát více lihu než z nejmenší mističky za stejný čas). Při takovémto způsobu zpracování dat již nezáleží na době měření a je možné hodnoty \(k\) z různě dlouhých měření zprůměrovat. Samozřejmě je na zvážení učitele, zda tímto žáky zatěžovat, nebo se spokojit s jediným méně přesným, ale názorným měřením.

    Vzorově naměřené hodnoty ukazuje tabulka 1 a graf na obr. 2. Z grafu je patrné, že se zvyšujícím se obsahem plochy hladiny roste hmotnost odpařeného lihu (prostřednictví koeficientu \(k\)) lineárně a extrapolace na nulový obsah plochy naznačuje dokonce přímou úměrnost.

    Tabulka 1:

    S (cm2) 13,8 17,3 21,1 28,2 37,7 48,6 62,0
    k 1,00 1,28 1,44 2,09 2,91 3,75 4,48
    
     
    Obr. 2: Graf závislosti hmotnosti odpařeného lihu na obsahu plochy hladiny odpařovaného lihu, průměr z deseti měření
  • Technické poznámky

    • Vzhledem k lihovým výparům není příjemné provádět měření v učebně, kde probíhá výuka. Odpařování lze nechat probíhat například v jiné, volné učebně.

    • Úspěch experimentu stojí na použití mělkých mističek. Použití vysokých nádob vede k tomu, že odpařovaný líh začne kondenzovat na jejich stěnách a úbytek hmotnosti se zmenší.

    • Po nalití lihu je dobré zkontrolovat, že jsou mističky zvnějšku suché, event. je před zvážením otřít. Jinak riskujeme, že naše data ovlivní rychlé odpařování lihu z vnějšího povrchu misek.

    • Všechny mističky je vhodné mít na stejném místě – zamezíme tak riziku, že se budou nacházet v místech s různou teplotou či jiným prouděním vzduchu, které rychlost odpařování ovlivňují.

  • Metodické poznámky

    • Měření je svou délkou vhodné na dvě po sobě následující spojené hodiny fyziky. Protože vyžaduje zásah experimentátorů pouze na začátku a na konci svého trvání, je přirozené vyplnit dobu měření jinou aktivitou (výklad, procvičování, pokus).

    • Protože je měření časově náročné, nelze jej ve výuce rozumně zopakovat. Pokud ale chceme mít více hodnot k dalšímu zpracování, může měření provádět více skupin žáků naráz, stačí každé skupince opatřit stejnou sadu mističek; vážení probíhá jednorázově na začátku a na konci měření a jedny váhy při něm tudíž postačí.

    • Měření průměru misek se může stát samostatnou laboratorní úlohou zahrnující práci s posuvným měřítkem a statistické zpracování dat získaných opakovaným měřením téže veličiny.

Typ pokusu: kvantitativní
Věková skupina: od střední školy
Potřebné vybavení: proveditelné s pomůckami, které se na školách obvykle vyskytují
Čas přípravy pokusu: 3–10 minut
Čas provedení pokusu: delší než 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.