Proudění vody v rychlovarné konvici
Pokus číslo: 1894
Cíl pokusu
Pomocí termovizní kamery budeme vizualizovat proudění vody v rychlovarné konvici.
Teorie
Proudění v tekutinách, tedy kapalinách i plynech, vzniká jako důsledek rozdílných hustot, které mají části tekutiny o různé teplotě. Obvykle platí, že s rostoucí teplotou klesá vlivem objemové teplotní roztažnosti hustota tekutiny (výjimku představuje například tzv. anomálie vody v teplotním intervalu 0 °C až 4 °C) – tekutina o vyšší teplotě pak stoupá v tíhovém poli vzhůru.
Pomůcky
Termovizní kamera, rychlovarná konvice.
Postup
Během experimentu sledujeme pomocí termovizní kamery rychlovarnou konvici, ve které se ohřívá voda, a to ideálně ze dvou pohledů – seshora a z boku.
Vzorový výsledek
Zatímco pohled seshora umožňuje při otevřeném víku konvice sledovat na hladině výrony prohřáté vody stoupající od topné spirály, boční pohled ukazuje, že ačkoliv je tato spirála umístěna u dna, nejrychleji se vlivem proudění prohřívají stěny konvice v její horní části. Ohřátá voda stoupá středem konvice od spirály k hladině, zde je „zahnána“ ke stěnám, chladne a podél stěn klesá zpět ke dnu. Zdařilé provedení experimentu zachycuje video níže.
Při přípravě tohoto videa byla použita termovizní kamera FLIR i7. Teplotní rozsah škály barev byl zvolen v intervalu 25 °C až 62 °C, emisivita ε = 0,95.
Technické poznámky
Při snímání vodní hladiny seshora se k ní s termovizní kamerou nepřibližujeme na méně než 20 cm, abychom se vyhnuli kondenzaci vody na čipu kamery a jeho následnému zamlžení a zvlhnutí.
Metodické poznámky
Pro názornost je výhodné použít konvici, ve které spirála není skryta pod kovovým dnem, ale je fyzicky viditelná – studenti jasně vidí, že ačkoliv je ohřev realizován u dna konvice, nejvyšší teplotu naměří v její horní části.
Je vhodné studenty upozornit na to, že při pohledu shora snímáme termovizní kamerou pouze teplotu hladiny kapaliny, nemáme žádnou informaci o tom, jaké teplotní poměry panují pod ní; tuto informaci dává až boční pohled. I v tomto případě je ale nutné brát v potaz, že není měřena přímo teplota vody, ale pouze teplota stěn konvice.
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.
