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