Tepelné stopy kolem nás

Pokus číslo: 1878

  • Cíl pokusu

    Jednoduchý experiment (či možná spíše sada experimentů) si klade za cíl ukázat, jaké tepelné stopy po sobě jako lidé zanecháváme v našem okolí.

  • Teorie

    Běžně udávaná průměrná vnitřní teplota lidského organismu se pohybuje v okolí 37 °C – například anglická Wikipedie označuje jako za „normální teplotu“ hodnoty v intervalu 36,1 °C až 37,8 °C. Na různých částech těla ovšem můžeme naměřit značně rozdílnou teplotu povrchovou – zejména na periferiích, jako jsou konečky prstů, mohou být naměřené hodnoty znatelně nižší. Kromě toho vstupují do hry i další faktory – např. denní doba či čistě individuální vlivy (aktuální zdravotní stav apod.). V každém případě je povrchová teplota lidského těla obvykle vyšší než teplota pokojová, takže při našem kontaktu s předměty o pokojové teplotě dochází díky tepelné výměně k jejich zahřátí.

    Detekovat takovéto zahřátí je snadné v případě, kdy je předmětem tepelný izolant – zvýšení teploty je patrné pouze v místě jeho dotyku s lidským tělem, je jasně lokalizované, vzniká zřetelná tepelná stopa. V případě dobrých vodičů tepla je situace méně přímočará – teplo je z místa dotyku okamžitě rozváděno do celého objemu vodiče. Je-li tedy kontakt krátký a vyměněné teplo malé, může být ohřev tělesa jako celku téměř neměřitelný. Druhotným cílem experimentu tedy může být právě kvalitativní odlišení tepelných vodičů a izolantů podle toho, jakým způsobem (ne)uchovávají tepelné stopy.

  • Pomůcky

    Termovizní kamera, další předměty dle uvážení (ve vzorovém experimentu byla například použita klávesnice).

  • Postup

    Experiment může mít velmi různorodou podobu, standardizovaný postup tak není uveden. Obecně lze spíše uvést náměty na jevy, které lze termovizní kamerou pozorovat – například může jít o tyto situace:

    • tepelné otisky dlaní na tepelně vodivém a tepelně izolujícím podkladu; podrobněji je tato myšlenka rozpracována v experimentu Tepelná vodivost plastu a kovu I.

    • analogie předcházejícího experimentu s otisky nohou

    • tepelné otisky na židli, ze které právě někdo vstal, případně na zdi, o kterou se někdo opíral

    • tepelné stopy na klice nedávno otevřených dveří, na vodovodních kohoutcích, na nedávno odložené knize, plastové lahvi, ze které se pilo apod.

    • tepelné stopy na aktuálně používané počítačové myši či klávesnici (tento námět je zpracován v sekci Vzorový výsledek)

    • ...

  • Vzorový výsledek

    Za experiment, který bude zpracován jako vzorový, byl vybrán pokus využívající počítačovou klávesnici. Je patrné, že na klávesách, které byly použity, zůstává řádově několika sekund jasný tepelný otisk – s pomocí termovizní kamery je tak principiálně možné odhalit text, který byl v uplynulých sekundách napsán (pokud ne pořadí jednotlivých písmen, pak jistě alespoň to, která byla ve slově použita). Ve vzorovém videu níže je tento efekt demonstrován na slově svetr.

    Při přípravě tohoto videa byla použita termovizní kamera FLIR i7. Teplotní rozsah škály barev byl zvolen v intervalu 22 °C až 28 °C, emisivita ε = 0,95.

  • Metodická poznámka ke vzorovému experimentu s klávesnicí

    Nabízí se otázka, zda nelze podobný princip zneužít a pomocí termovizní kamery odhalit například PIN kód zadávaný na klávesnici bankomatu při výběru hotovosti apod. Ukazuje se ale, že bankomaty mají klávesnice typicky vyvedené v kovu (obr. 1) a prstem dodané teplo je tak ihned po dotyku rozváděno do okolí. S používanou kamerou FLIRi7 je tak například nemožné identifikovat na klávesnici bankomatu jakoukoli její tepelnou historii. Pokud chceme tento fakt se studenty prokázat, aniž bychom přitom museli opouštět třídu, lze jako náhradu klávesnice bankomatu použít jakýkoliv kov, kovovou desku.

    Obr. 1: Klávesnice bankomatu

    U nekovových povrchů ovšem skutečně může být odcizení přihlašovacích údajů pomocí termovizního měření reálnou hrozbou - velmi názorně to ilustruje například následující video ze serveru YouTube:

  • Základy práce s termovizní kamerou - odkaz na PDF

    Tento experiment využívá termografické měření. Dokument Experimentujeme s termovizní kamerou shrnuje teorii termografie a základní doporučení a postupy, které mohou napomoci k přesnějším a nezkresleným výsledkům měření.

Typ pokusu: kvalitativní
Věková skupina: od mateřské školy
Potřebné vybavení: vyžaduje specifické pomůcky
Čas přípravy pokusu: do 3 minut
Čas provedení pokusu: 3–10 minut
Pokus je zachycen na videu
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.