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.

    Obr. 1: Spirálka používaná během experimentu
  • Postup

    První část experimentu

    1. Zapálíme svíčku a stočenou spirálku uchopíme do kleští.

    2. 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

    1. Nyní experiment zopakujeme, pouze si spirálku před nasazením na plamen nahřejeme plynovým hořákem.

    2. 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.

    Obr. 2: Uspořádání kvantitativní části experimentu

    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.

    Obr. 3: Pokles teploty při vložení měděné spirálky do plamene
Typ pokusu: kvalitativní
Věková skupina: od 2. stupně základní školy
Potřebné vybavení: proveditelné s jednoduchými pomůckami
Čas přípravy pokusu: do 3 minut
Čas provedení pokusu: do 3 minut
Pokus je zachycen na videu
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.