Difuze čaje ve studené a v horké vodě

Pokus číslo: 4275

  • Cíl pokusu

    Cílem pokusu je ukázat, že rychlost difuze (v našem případě čaje ve vodě) je závislá na teplotě.

  • Teorie – základní vysvětlení

    Difuze je samovolné pronikání částic jedné látky mezi částice látky druhé a je důsledkem tepelného pohybu, který v látkách probíhá. Ačkoliv můžeme difuzi pozorovat u všech skupenství, nejnázorněji ji předvedeme pro tekutiny – kapaliny a plyny.

    V našem experimentu budeme sledovat, jak barvivo uvolněné z čajových lístků difunduje mezi částice čisté vody, a to při dvou odlišných teplotách. Protože rychlost tepelného pohybu částic se s rostoucí teplotou zvětšuje, bude probíhat difuze – a tedy i obarvování vody – při vyšší teplotě rychleji.

  • Teorie – detailnější vysvětlení

    Pro detailnější porozumění je potřeba oddělit difuzi v plynech a kapalinách:

    V plynech je situace jednodušší, teplota (ideálního) plynu totiž přímo udává střední kinetickou energii jeho částic, které na sebe kromě vzájemných srážek silově nepůsobí. Při vyšší teplotě mají tedy částice vyšší kinetickou energii, rychleji se pohybují a za stejný čas průměrně urazí větší vzdálenosti. Naopak rostoucí tlak plynu rychlost difuze snižuje, protože střední vzdálenosti uražené částicemi mezi vzájemnými srážkami se zmenšují.

    V kapalině (tedy v našem případě) je každá částice vystavena silovému působení částic okolních. Toto silové působení je vždy jen dočasné, jak se částice vůči sobě pohybují a mění své „sousedy“. Při vyšší teplotě je tento posuvný pohyb částic vůči sobě rychlejší a podobně jako u plynu tedy částice průměrně urazí větší vzdálenost. Kromě toho vykonávají částice také kmitavý pohyb, jehož rozkmit s teplotou roste – zvětšují se tím střední vzdálenosti mezi částicemi, což také přispívá k urychlení difuze. Rychlost difuze naopak snižuje například vysoká viskozita kapaliny.

  • Pomůcky

    • dvě stejné průhledné nádoby
    • studená a horká voda
    • barvivo (ideálně čaj, lze použít hypermangan, potravinářské barvivo,...)
  • Postup

    1. Do jedné nádoby nalijeme studenou vodu.

    2. Do druhé nádoby nalijeme horkou vodu.

    3. Do obou nádob vložíme/vhodíme/vypustíme současně barvivo (zde čaj).

  • Vzorový výsledek

    Průběh experimentu ukazuje následující video. Je zřejmé, že v horké vodě probíhá difuze a s ní spojené obarvení vody výrazně rychleji než ve vodě studené.

  • Metodické poznámky

    • Studenti mohou namítnout, že rychlejší obarvování horké vody v pravé nádobě může být způsobeno tím, že čajový sáček se v ní otáčí, pohybuje. Tato hypotéza je logická, vychází z každodenní zkušenosti, a je proto vhodné ověřit ji experimentem. Příslušný experiment mohou žáci zkusit navrhnout a poté provést – například lze před vložením čajových sáčků zamícháním rozpohybovat vodu v obou nádobách, nebo lze nechat horkou vodu co nejvíce ustálit a studenou naopak co nejvíce rozpohybovat. Experimenty ukážou, že pohyb sáčku skutečně má na rychlost obarvování vody vliv, který je ale výrazně menší než vliv teploty.

    • Zejména v první polovině vzorového videa je patrné, že v horké vodě se čajový sáček snadněji ponořil pod hladinu, zatímco ve studené vodě zůstal ležet na ní. Tento efekt souvisí s povrchovým napětím vodní hladiny – při vyšší teplotě je povrchové napětí nižší a povrchová vrstva kapaliny tedy slabší.

Typ pokusu: kvalitativní
Věková skupina: od mateřské školy
Potřebné vybavení: proveditelné s jednoduchými pomůckami
Čas přípravy pokusu: do 3 minut
Čas provedení pokusu: 3–10 minut
Pokus je zachycen na videu
Multimediální encyklopedie fyziky
Původní zdroj: Zpracováno v bakalářské práci Tomáše Kopřivy (2020).
×Původní zdroj: Zpracováno v bakalářské práci Tomáše Kopřivy (2020).