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
Viz Závislost rychlosti vypařování na obsahu plochy hladiny kapaliny, 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).
1. Zaznamenáme počáteční hmotnost $m_1$ , kterou ukazují váhy, a přivedením vhodného napájecího napětí (které můžeme kontrolovat voltmetrem) uvedeme ventilátor do chodu.
2. Po 5 minutách ventilátor odpojíme a zaznamenáme koncovou hmotnost $m_2$ ; zajímá nás úbytek hmotnosti ${\Delta}m\,=\,m_1\,–\,m_2$ .
3. 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

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.