Odvod tepla měděnou deskou aneb jak urychlit chladnutí čaje

Pokus číslo: 1937

  • Cíl pokusu

    Proměříme, nakolik bude chladnutí horké vody v nádobce ovlivněno tím, že pod nádobku vložíme měděnou desku.

  • Teorie

    Postavíme-li na stůl nádobku s horkou vodou, bude se při jejím chladnutí uplatňovat hned několik mechanismů tepelné výměny současně. Předně se kapalina vypařuje, čímž ztrácí částice s nejvyšší kinetickou energií a její teplota tím klesá; dále je část energie do okolí předávána ve formě infračerveného záření a část se díky vedení tepla využije na ohřátí okolního vzduchu a desky stolu pod nádobkou.

    Pokud pod nádobku vložíme měděnou desku, můžeme ovlivnit poslední uvedený faktor, tedy odvod tepla do okolí. Měď je velmi dobrým tepelným vodičem a v kontaktu s nádobkou se v celém svém objemu snadno prohřeje − nádobka s vodou tedy předává desce energii a chladne tak rychleji.

  • Pomůcky

    Měděný plech, dvě identické nádobky, rychlovarná konvice, dvě teplotní čidla (s výhodou spolupracující s počítačem), případný stativový materiál pro uspořádání pokusu.

    Ve vzorovém experimentu byla použita nerezová teplotní čidla Vernier a měděných plech o rozměrech 400×150×0,3 mm.

  • Postup

    1. Nádobky postavte vedle sebe na stůl, pod jednu vložte měděnou desku.

    2. Teplotní čidla upěvnete do stejné výšky tak, aby každé zasahovalo do jedné nádobky.

    3. Nastavte dobu měření alespoň na 15 minut.

    4. V rychlovarné konvici zvařte vodu a nalijte ji do obou nádobek do stejné výšky; teplotně citliva část čidel (obvykle špička) musí být ponořena. Současně spusťte měření teploty a sledujte její vývoj.

    Uspořádání experimentu ukazuje obr. 1.

    Obr. 1: Uspořádání experimentu
  • Vzorový výsledek

    Graf na obr. 2 ukazuje výsledek výše popsaného měření. Je patrné, že voda v nádobce na měděné desce chladne rychleji než ta, která stojí pouze na dřevěné desce stolu.

    Obr. 2: Naměřené závislosti
  • Technické poznámky

    • Během měření vodu v nádobkách samozřejmě nemícháme, došlo by tím k zásadnímu ovlivnění výsledků.

    • Měřený efekt zaniká, pokud je deska stolu vyrobena z materiálu s dobrou tepelnou vodivostí − roli měděného plechu pak plní prakticky celá deska, a to pro obě nádobky, rozdíly se stírají.

  • Metodické poznámky

    • Jak experiment ukazuje, vliv měděné desky na chladnutí vody není nijak zásadní − za více než půl hodinu měření se voda v nádobce na desce ochladila jen asi o 3 °C více než ve druhé nádobce. Zdá se tedy, že vedení tepla v tomto případě není hlavním mechanismem chladnutí vody.

    • Nabízí se vyzvat studenty k úvaze nad tím, jak by se dalo zařídit, aby byl rozdíl mezi naměřenými závislostmi větší, aby se křivky více rozcházely. Mezi přirozené možnosti patří nahrazení mědi materiálem s ještě lepší tepelnou vodivostí (těch ale není mnoho...), nebo naopak odizolování druhé nádobky od stolu, například polystyrenovou destičkou.

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