Odvod tepla měděnou spirálkou
Pokus číslo: 1866
Cíl pokusu
Budeme demonstrovat ochlazování plamene způsobené vložením měděné spirálky.
Teorie
Měď patří mezi látky s velmi dobrou tepelnou vodivostí, jinými slovy, mezi látky s velkou schopností vyrovnávat teplotní rozdíly. Pokud do plamene svíčky, jehož teplota se obvykle pohybuje mezi 700 °C a 800 °C, vložíme z mědi vyrobenou spirálku, začne tato spirálka odvádět teplo z plamene do svého objemu - plamen tedy ztrácí část své vnitřní energie a snižuje svoji teplotu. Pokles teploty plamene se projeví jeho zmenšením, případně úplným pohasnutím.
Přesto je možné naaranžovat experiment tak, aby plamen nemizel - pak ovšem musí být teplota spirálky srovnatelná s teplotou plamene, případně vyšší. Tím minimalizujeme odvod tepla spirálkou od plamene svíčky, případně dosáhneme opačného jevu, kdy naopak spirálka předává teplo plamenu; žádné podstatné změny jeho tvaru či velikosti pak již nepozorujeme.
Pomůcky
Měděný drát smotaný do spirály (obr. 1), svíčka, zápalky, kleště, plynový kahan či hořák.
Postup
První část experimentu
Zapálíme svíčku a stočenou spirálku uchopíme do kleští.
Opatrně nasadíme spirálku na plamen svíčky a několik sekund ji v něm ponecháme. Měď rychle odvádí teplo z plamene do svého objemu a plamen téměř uhasne.
Druhá část experimentu
Nyní experiment zopakujeme, pouze si spirálku před nasazením na plamen nahřejeme plynovým hořákem.
Počkáme, dokud se spirálka nerozpálí do ruda, a teprve poté ji stejným způsobem jako v první části experimentu vložíme do plamene. Plamen v tomto případě svoji intenzitu zásadně nezmění.
Vzorový výsledek
Průběh obou výše uvedených částí experimentu ukazuje video níže.
Technické poznámky
Nejsnazším způsobem výroby spirálky je namotání měděného drátu na válcový předmět (např. tužku).
Při nahřívání spirálky plynovým hořákem vyčkejte, dokud se spirálka viditelně nerozžhaví, poté ji ale v plamenu příliš dlouho nenechávejte - stačí několik sekund. Při delším pobytu v plamenu hořáku se mohou některé části spirálky přiblížit k teplotě tání mědi (1085 °C), spirálka se může snadněji lámat, deformovat či tavit.
Bezpečnostní upozornění: Je nezbytné používat při držení spirálky kleště, v žádném případě si nevystačíme s holýma rukama! Zejména při práci s plynovým hořákem věnujte zvýšenou pozornost bezpečnosti práce.
Metodické poznámky
Pokud nemáme k dispozici plynový hořák nebo se prostě jenom nechceme pouštět do druhé části experimentu, je samozřejmě možné redukovat pokus na jeho první část (body postupu 1 a 2).
Ponecháme-li spirálku v plamenu svíčky po delší dobu (a přitom nám plamen neuhasne), spirálka se postupně prohřeje a její schopnost odvádět teplo do vlastního objemu klesne; plamen svíčky se tak postupně zvětší na původní velikost.
První část experimentu studenti často vysvětlují tak, že spirálka zamezí přístupu vzduchu (kyslíku) k plamenu a ten tedy pohasne; po obnovení přístupu vzduchu se pak plamen opět zvětší. Toto vysvětlení není správné, ale má jasnou vnitřní logiku a navazuje na poznatky, které studenti mají, proto je vhodné jej ocenit a jasně experimentálně prokázat, že nedostatek kyslíku není příčinou pohasnutí plamene. Jako takovýto experimentální důkaz může sloužit druhá část pokusu (body postupu 3 a 4) - používáme pro přístup vzduchu stejně omezující spirálku a přesto plamen svoji intenzitu nesnižuje.
Druhou část pokusu lze motivovat tak, že studenty vyzveme, aby navrhli takový experiment, při kterém by plamen nemizel, tedy při kterém by nebylo teplo odváděno z plamene do spirálky.
Inspirace
Tento experiment byl inspirován příspěvkem prof. Emanuela Svobody Tři pokusy s jednoduchými pomůckami, který byl přednesen v rámci Veletrhu nápadů učitelů fyziky 8 v Českých Budějovicích (2003).
Rozšíření experimentu o kvantitativní část
Experiment lze rozšířit o kvantitativní část, kterou prokážeme pokles teploty plamene po nasunutí spirálky. Uspořádání takového měření ukazuje obr. 2. Svíčka a termočlánek jsou vůči sobě zafixovány tak, aby čidlo měřilo teplotu v nejteplejší části plamene. Nastavitelnou částí experimentu je spirála, která se může pohybovat ve směru nahoru-dolů; termočlánek je přitom veden jejím středem.
Graf na obr. 3 ukazuje vývoj měřené teploty při nasouvání spirálky na plamen. Jak je vidět, již částečné nasunutí spirály na plamen snížilo měřenou teplotu o více jak 200 °C, úplné nasunutí pak o dalších cca 50 °C. Po vyjmutí spirály z plamene se jeho teplota rychle vrátila na své původní hodnoty.
Poznámka: Při měření je třeba brát samozřejmě v potaz, že se mění i velikost plamene a ne vždy tak měříme v jeho nejteplejším místě tak, jak to děláme na začátku experimentu.
