Sbírka fyzikálních pokusů

Tepelná kapacita teploměru

Pokus číslo: 2335

• Cíl pokusu

  Cílem experimentu je demonstrovat vliv malé tepelné kapacity teploměru na naměřený průběh teploty při zahřívání vody.

• Teorie

  V rámci středoškolského učiva se zmiňuje tepelná kapacita ve významu jakési „ochoty“ těles měnit teplotu – tělesům s velkou tepelnou kapacitou je třeba k jejich ohřátí o 1 °C dodat více energie než tělesům s tepelnou kapacitou malou (více viz Porovnání měrné tepelné kapacity oleje a vody, Teorie). Pokud by měl teploměr o pokojové teplotě velkou tepelnou kapacitu, přijal by například po ponoření do horké vody velké množství energie, čímž by došlo k ochlazení vody a tudíž zkreslení měření. Při kontaktním měření teploty tedy zřejmě požadujeme, aby byla tepelná kapacita teploměrů co nejnižší. Následující experiment ukazuje, že splnění tohoto požadavku s sebou ale nese i určité obtíže při interpretaci některých měření.

• Pomůcky

  Připravíme si: rychlovarnou konvici, teplotní senzor s masivním kovovým tělem (v našem případě Vernier Go!Temp), teplotní senzor ve formě bodového čidla (v našem případě Vernier STS-BTA).

• Postup

  1. Do rychlovarné konvice s vodou umístíme do těsného sousedství oba teplotní senzory. Snažíme se, aby byly oba senzory umístěny co nejblíže k vertikální ose konvice (obr. 1).

  

  2. Zapneme konvici a proměříme nárůst teploty z pokojových 25 °C na teplotu cca 60 °C tak, aby se data z obou čidel zobrazovala do jednoho grafu.

• Vzorový výsledek

  Výsledkem měření je graf, který ukazuje závislost teploty, naměřené na jednotlivých čidlech, na čase (obr. 2).

  

  Interpretace naměřených dat:

  V grafu (obr. 2) jsou patrné dva efekty:

  • Prvním z nich je poloha naměřených křivek – během celého měření ukazuje bodové čidlo vyšší hodnoty než čidlo kovové. Tento jev je očekávatelný – bodové čidlo má velmi malou tepelnou kapacitu, jeho ohřev je tedy snadný a čidlo tak reaguje pružněji na změny teploty.

  • Druhý efekt, který při pohledu do grafu zaujme, je „neučesanost“ červené křivky – přestože jde o průměr z šesti měření, hodnoty měřené bodovým čidlem fluktuují výrazně více než v případě kovového teploměru. Zde je role rozdílné tepelné kapacity zcela zřejmá – zahřívající se kapalina během experimentu proudí a k čidlům se tak náhodně dostávají její chladnější a prohřátější části; zatímco bodový teploměr tyto nuance zachytí, kovové tělo teploměru se přizpůsobuje změnám velmi pomalu a drobné výkyvy teploty tak prakticky neregistruje. Nárůst teploty se pak jeví být čistě lineární.

• Rozšíření experimentu

  O tom, že proudění v kapalině skutečně značně ovlivňuje teplotu jednotlivých jejích částí, se lze přesvědčit například i termovizní kamerou. Na obr. 3 je sekvence snímků, na kterých je zachycena hladina vody v kádince; sekvence byla pořízena 10 minut poté, co byla do kádinky nalita vroucí voda. Je patrné, že v řádu sekund se teplota jednotlivých částí hladiny (i u značně „odstáté“ vody) mění v rozmezí cca 1 °C až 2 °C.

  

• Metodické poznámky

  Z metodického hlediska je fyzikálně vhodnější zopakovat měření v tomtéž uspořádání vícekrát a získané hodnoty pak zprůměrovat, což bylo uplatněno i v případě vzorového výsledku.