Závislost rychlosti vypařování na odstraňování par nad hladinou kapaliny

Pokus číslo: 1729

  • Cíl pokusu

    Cílem experimentu je kvantitativně ukázat vliv, který má odstraňování par nad hladinou kapaliny na rychlost jejího odpařování.

  • Teorie

  • Pomůcky

    Váhy (s citlivostí alespoň 0,01 g), technický líh, Petriho miska, ventilátor z počítače (typické napájecí napětí 12 V), zdroj střídavého napětí 12 V (s výhodou regulovatelný), voltmetr/multimetr.

  • Postup

    1. Zapneme váhy, Petriho misku naplníme lihem a postavíme ji na vážící plochu.

    2. Ventilátor připojíme ke zdroji střídavého napětí a umístíme ho do vzdálenosti 5 až 10 cm od misky tak, aby po jeho spuštění proud vzduchu směřoval nad hladinu lihu (viz obr. 1).

    3. Obr. 1: Uspořádání experimentu
    4. Zaznamenáme počáteční hmotnost \(m_1\), kterou ukazují váhy, a přivedením vhodného napájecího napětí (které můžeme kontrolovat voltmetrem) uvedeme ventilátor do chodu.

    5. Po 5 minutách ventilátor odpojíme a zaznamenáme koncovou hmotnost \(m_2\); zajímá nás úbytek hmotnosti \({\Delta}m\,=\,m_1\,–\,m_2\).

    6. Opakujeme pro různá napájecí napětí.

  • Vzorový výsledek

    Úbytek hmotnosti \({\Delta}m\) můžeme proměřit pro různá napájecí napětí ventilátoru a bez dalších složitějších zpracování tak pouze ukázat, že s rostoucím napájecím napětím roste nejen intuitivně vnímaná frekvence otáčení ventilátoru, ale také hmotnost lihu odpařená za stejný časový interval (např. zmíněných 5 minut). Do porovnání je vhodné zařadit i údaj, jaký je hmotnostní úbytek bez použití ventilátoru.

    V našem vzorovém měření byl hmotnostní úbytek během 5 minut proměřen pro deset hodnot napájecího napětí v rozmezí 3 až 12 V. Vyhodnocení pak bylo dotaženo ještě o krok dále – pomocí optické závory Vernier Photogate byla ke každé z deseti hodnot napětí určena frekvence otáčení ventilátoru (viz tabulka 1), což umožnilo vynést graf závislosti hmotnostního úbytku \({\Delta}m\) na frekvenci otáčení ventilátoru tak, jak to ukazuje obr. 2. Je patrné, že jde o rostoucí závislost, která vykazuje známky linearity; skutečné vlivy turbulentního proudění na odpařování jsou ovšem natolik složité, že lineární aproximaci uvedenou v grafu je třeba brát se značnou rezervou.

    Tabulka 1:

    \(U\,/\,\mathrm{V}\) 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0
    \(f\,/\,\mathrm{Hz}\) 16,4 20,8 25,0 29,4 34,5 38,5 41,7 45,5 47,6 50,0
    \(\Delta m\,/\,\mathrm{g}\) 1,05 1,09 1,23 1,29 1,37 1,43 1,45 1,46 1,49 1,52
    
     
    Obr. 2: Vzorově naměřená data
  • Technické poznámky

    • Je-li ventilátor zapnutý, mohou váhy ukazovat na první pohled chaotické nárůsty a úbytky hmotnosti podle toho, jak turbulentní proudění na hladinu lihu právě působí.

    • Vzhledem k výše uvedenému bodu je nutné odečítat hmotnost ve chvílích, kdy je ventilátor vypnutý.

  • Metodické poznámky

    Proměření celé závislosti tak, jak je uvedena v tabulce 1, je časově náročné a během pětiminutových intervalů vznikají neužitečné prostoje; ve výuce může být tedy praktičtější ukázat pouze skutečnost, že pokud budeme páry nad hladinou lihu odstraňovat, odpaří se dramaticky více lihu než bez odstraňování, a to bez dalšího matematického zpracování.

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.