Sbírka fyzikálních pokusů

Chladnutí vody v termoizolačním hrnku

Pokus číslo: 1885

• Cíl pokusu

  Pomocí termovizní kamery porovnáme rychlost chladnutí stejného objemu vody v obyčejném a termoizolačním hrnku.

• Teorie

  Ačkoliv chladnutí hrnku s horkou vodou je děj, se kterým se setkáváme každodenně, jde o děj překvapivě komplikovaný. Hrnek a jeho obsah samovolně spějí do stavu termodynamické rovnováhy a přitom snižují svoji vnitřní energii; tu předávají do okolí několika různými procesy. Část této energie se spotřebuje na zvýšení kinetické energie částic okolního vzduchu (vedení tepla), část je do okolí emitována v podobě infračerveného záření a část opouští kapalinu společně s částicemi, které se díky vypařování z jejího povrchu uvolní.

  Úkolem termosek a termoizolačních nádob obecně je snaha výše uvedené mechanismy tepelné výměny eliminovat a zpomalit tak chladnutí látek uvnitř. Za tímto účelem jsou termoizolační nádoby obvykle vybaveny dvojitými stěnami, mezi kterými je značně snížen tlak, což zabraňuje zejména výměně tepla vedením. Dále jsou tyto stěny zevnitř pokryty lesklým vysoce odrazivým nátěrem, který minimalizuje tepelné ztráty zářením. Únik částic pak omezuje utěsněný ventil ve víku nádoby.

  Stejně jako brání chladnutí horkých látek, zamezují termoizolační nádoby také zahřívání látek studených, a proto se používají také ke skladování látek za velmi nízkých teplot (suchý led, kapalný dusík apod.). Protože tyto látky se intenzivně odpařují (resp. sublimují), jsou víka jejich nádob opatřena otvorem, který umožňuje odvod vznikajících par a brání nebezpečnému zvýšení jejich tlaku – pak hovoříme o tzv. Dewarových nádobách.

  V našem experimentu budeme pracovat s termoizolačním hrnkem bez víčka – budeme tedy využívat pouze jeho schopnost omezovat tepelné ztráty vedením a zářením.

• Pomůcky

  Termovizní kamera (případně také stativ na její upevnění), termoizolační a obyčejný hrnek přibližně stejných rozměrů, rychlovarná konvice.

• Postup

  1. Připravíme si v rychlovarné konvici horkou vodu.

  2. Do obou hrnků, běžného i termoizolačního, nalijeme současně přibližně stejný objem vody.

  3. Sledujeme vývoj teploty termovizní kamerou.

• Vzorový výsledek

  Úspěšné provedení pokusu ilustruje video níže, které potvrzuje očekávaný fakt, že voda v běžném hrnku chladne výrazně rychleji – zatímco tento hrnek odevzdává energii do okolí vedením, prouděním i zářením, u termoizolačního hrnku je jak vedení tepla, tak vyzařování do značné míry konstrukčně potlačeno.

  Při přípravě tohoto videa byla použita termovizní kamera FLIR i7. Teplotní rozsah škály barev byl zvolen v intervalu 24 °C až 69 °C, emisivita ε = 0,95.

• Technické poznámky

  • Pro přesvědčivé provedení experimentu je vhodné vybrat termoizolační hrnek a běžný hrnek tak, aby se shodovaly nikoliv pouze svým objemem, ale ideálně i jednotlivými rozměry. Odpadne tím diskuse, jak je povrchem nádoby ovlivněn odvod tepla do okolí, jaký vliv má obsah plochy hladiny na intenzitu vypařování (tedy i chladnutí) kapaliny apod.

  • Zejména v prvních minutách experimentu, kdy se horká voda intenzivně vypařuje, se s termovizní kamerou nepřibližujeme k hladině kapalin na méně jak 20 cm, abychom se vyhnuli kondenzaci vody na čipu kamery a jeho následnému zamlžení či zvlhnutí.

  • Vzhledem k tomu, že experiment může probíhat desítky minut, je nepodstatné, kterou nádobku naplníme horkou vodou jako první.

• Metodické poznámky

  • Je vhodné studenty upozornit na to, že termovizní kamerou snímáme pouze teplotu hladiny kapaliny.

  • Ve výše uvedených Technických poznámkách je zmíněno, že pokud zvolíme shodné rozměry obou hrnků, odpadne diskuse o tom, nakolik je ochlazování vody ovlivněno geometrií nádoby. Pokud ale naopak chceme takovou diskusi rozpoutat, dává tato situace jedinečnou příležitost – například můžeme položit následující otázku: „Bylo by za nějakých okolností možné, aby voda v termoizolačním hrnku vychladla přeci jen rychleji, než v hrnku běžném?“ Studenti často navrhnou, že chladnutí vody v běžném hrnku by se dalo zpomalit například při použití pokličky, naopak, chladnutí v termoizolačním hrnku často navrhují urychlit foukáním studeného vzduchu nad hladinu apod. Pokud po nich chceme ještě jiné řešení, které povoluje měnit pouze tvar nádoby, přijdou na to, že pokud by byl v extrémním případě termoizolační hrnek velmi nízký, ale s velkou podstavou, voda by v něm vzhledem k velké ploše hladiny (viz experiment Závislost rychlosti vypařování na obsahu plochy hladiny kapaliny) zřejmě skutečně vychladla rychleji než v běžném hrnku obvyklého tvaru. Každopádně dávají tyto rozvíjející otázky prostor k mnoha zajímavým studentským hypotézám, a pokud disponujeme potřebným experimentálním vybavením, můžeme tyto hypotézy v reálném čase přímo testovat.

• 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.