Teplota varu vody

Pokus číslo: 1886

  • Cíl pokusu

    Ačkoliv s teplotou varu coby charakteristickou fyzikální veličinou popisující chování kapalin se žáci a studenti setkávají mnoho let své školní docházky, jsou s ní spojeny některé velmi silné miskoncepce – mezi jinými přesvědčení, že teplota kontinuálně se vařící vody musí nutně překročit 100 °C. Cílem tohoto jednoduchého experimentu je přesvědčivě demonstrovat opak a rozvinout diskusi vedoucí k hlubšímu prozkoumání dalších pozorovaných jevů.

  • Teorie

    Teplota, při které kapalina mění v celém svém objemu své skupenství na plynné, se nazývá teplotou varu tv a jde o jednu ze základních fyzikálních charakteristik kapalin. Jestliže je kapalina zahřívána, přestane se po dosažení teploty varu její teplota dále zvyšovat a veškeré dodávané teplo je využíváno na skupenskou přeměnu. Teprve když se látka v celém svém objemu změní na plyn, začne se vlivem dodávaného tepla její teplota dále zvyšovat.

    Teplota tání je obecně funkcí tlaku okolního vzduchu – viz pokus Závislost teploty varu vody na tlaku.

  • Pomůcky

    Dva teploměry (s výhodou teplotní čidla spolupracující s počítačem), dvě identické nádoby (hrnce, kádinky apod.), vařič se dvěma plotýnkami či dva plynové hořáky.

  • Postup

    1. Dvě identické nádoby naplníme přibližně stejným množstvím vody a tu přivedeme k varu.

    2. Nyní zajistíme, aby další dodávání tepla nádobám probíhalo s různým tepelným výkonem – pokud používáme plynové hořáky, změníme intenzitu jednoho z nich, v případě plotýnek vařiče na nich nastavíme různý výkon. Naší snahou je zajistit, aby se voda v obou nádobách dále vařila, ale v jednom případě intenzivně a bouřlivě, zatímco ve druhém spíše zvolna, poklidně.

    3. Pokud jsme výše popsaného stavu dosáhli, ponoříme do obou nádob teplotní čidla a porovnáme naměřené teploty.

  • Vzorový výsledek

    Ve vzorovém pokusu byly naměřeny hodnoty 98,7 °C v případě intenzivního varu a 98,5 °C v případě varu pozvolného (obr. 1); obě hodnoty samozřejmě v řádu desetin stupně Celsia kolísaly. Pokud měření zopakujeme za minutu, dvě či deset, měřené hodnoty se v rámci přesnosti používaných čidel nezmění – teplota vody je tedy během varu vody konstantní, při dalším dodávání tepla se dále nezvyšuje; navíc zřejmě nezávisí na intenzitě varu.

    Obr. 1: Vzorové měření
  • Technické poznámky

    • Pokud chceme předvést pouze fakt, že teplota vody nepřekročí při varu 100 °C, stačí nám samozřejmě jediné čidlo a jediný hrnec, případně rychlovarná konvice; výše popsaná varianta se dvěma nádobami ovšem umožňuje komplexnější uchopení experimentu – viz další sekce.

    • V reálném experimentu obvykle skutečně naměříme v nádobě s méně intenzivním varem o několik desetin stupně Celsia nižší teplotu než v nádobě druhé. Malá intenzita varu zde vede k tomu, že v některých místech u hladiny kapaliny převládne ochlazování okolním vzduchem a voda zde vře pouze lokálně, případně se může projevit rozdílná teplota těla (zejména dna) hrnce.

  • Vaří se voda opravdu při teplotě 100 °C?

    Kromě informace, že teplota vody při jejím kontinuálním varu neroste nad 100 °C, poskytuje experiment ještě další zjištění, která mohou inspirovat navazující experimentální aktivity; první věc, která obvykle upoutá pozornost studentů, je fakt, že naměřená teplota varu vody typicky není 100 °C, ale méně. Častou argumentaci studentů tím, že jde pouze o nepřesnost teplotního čidla, lze oslabit či přímo vyvrátit použitím dvou či více různých teploměrů.

    Chceme-li studentům v řešení „záhady“ pomoci, můžeme jim napovědět, že 100 °C je teplota varu vody za normálního atmosférického tlaku – s touto indicií studenti obvykle dospějí k tomu, že teplota varu závisí na tlaku vzduchu (viz experiment Závislost teploty varu vody na tlaku) a ovlivňuje ji tedy například aktuální stav počasí či nadmořská výška, ve které se experimentátor nachází.

    Je-li například tlak vzduchu přepočtený na hladinu moře oněch „normálních“ 101,3 kPa, je v nadmořské výšce 300 m n.m. jeho hodnota již pouze 97,4 kPa (tento výpočet lze udělat například v rámci procvičování hydrostatického/aerostatického tlaku) a teplota varu vody klesá na 98,9 °C (viz Závislost teploty varu vody na tlaku, Teorie).

  • Jak do experimentu promlouvá intenzita varu?

    Zjištění, že teplota varu vody nezávisí na intenzitě varu, bývá pro studenty leckdy překvapivé a přirozeně vede k položení otázky, čím se tedy od sebe intenzivní a pozvolný var liší, pokud ne teplotou. Bez velkých obtíží obvykle se studenty dojdeme k tomu, že tou hlavní odlišností je zejména rychlost odpařování kapaliny – tuto myšlenku je ale vhodné potvrdit navazujícím experimentem:

    Naplníme obě nádoby přibližně stejným množstvím vody a obě je i s vodou zvážíme. Dále nádoby zahříváme tak, aby se voda v nich začala vařit přibližně současně. Jakmile dosáhneme v obou nádobách varu, zajistíme rozdílnou intenzitu varu (například rozdílným nastavením výkonu plotýnek apod.) a necháme vodu několik minut vřít. Na závěr porovnáme úbytek hmotnosti v obou nádobách; v nádobě s bouřlivě vroucí vodou došlo k výraznějšímu poklesu hmotnosti kapaliny.

Typ pokusu: kvantitativní
Věková skupina: od 2. stupně základní školy
Potřebné vybavení: proveditelné s pomůckami, které se na školách obvykle vyskytují
Čas přípravy pokusu: do 3 minut
Čas provedení pokusu: delší než 10 minut
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.