Tyndallův přístroj
Pokus číslo: 4276
Cíl pokusu
Cílem pokusu je demonstrovat teplotní roztažnost pevných látek a ukázat Tyndallův přístroj.
Teorie
Podobně jako u kapalin a plynných látek, také objem pevných látek je závislý na jejich aktuální teplotě. Většina pevných látek svůj objem se zvyšující se teplotou zvětšuje – to platí i pro kovy, ze kterých je sestaven tzv. Tyndallův přístroj. Toto zařízení (obr. 1) je určeno k demonstraci teplotní roztažnosti látek (přesněji délkové roztažnosti) a popíšeme si ho podrobněji.
Pro jednoduchost budeme funkci Tyndallova přístroje vysvětlovat na schématu na obr. 2. Hlavní ocelová tyč (3) je na jednom konci připevněna ke kovovému držadlu (1A) a na druhém konci má malý otvor (4), do kterého se vkládá kovová tyčinka. K držadlu (1A) jsou také připevněny dvě ocelové tyče (2A) a (2B). Na druhém konci je možné k nim pomocí matek připevnit kovovou destičku (1B).
Tyndallovým přístrojem lze demonstrovat teplotní roztažnost dvěma způsoby:
Jeden způsob je, že kovovou destičku (1B) umístíme před otvor (4) a hlavní ocelovou tyč (3) zahřejeme. Po jejím zahřátí dojde k jejímu prodloužení. Kovová tyčinka v otvoru (4) musí být neustále pevně přimáčknuta k destičce (1B). Při následném zchlazení hlavní tyče (3) dojde k jejímu zkrácení. Tlak, který zkrácením vyvine tyč na tyčinku v otvoru (4), tyčinku nakonec přelomí.
Druhý způsob je, že kovovou destičku (1B) umístíme za otvor (4), vložíme kovovou tyčinku do otvoru (4), přimáčkneme ji k destičce (1B) a hlavní ocelovou tyč (3) zahřejeme. Při jejím zahřívání bude docházet k jejímu prodloužení, kvůli čemuž bude tyčinka v otvoru (4) tlačit na destičku (1B) a vlivem tohoto tlaku dojde k jejímu přelomení.
Pomůcky
Tyndallův přístroj, letlampa nebo plynový hořák, kovová tyčinka (asi 0,5 cm v průměru a asi 4,0 cm dlouhá), stojany s upevněním (z kabinetu chemie), ručník, hadr, rukavice nebo jiná tepluvzdorná manipulační pomůcka (například kleště).
Postup
Tyndallův přístroj upevníme ke stojanům (abychom ho vzdálili od hořlavého stolu).
Do otvoru prostřední tyče umístíme kovovou tyčinku.
Prostřední tyč zahříváme letlampou, což vede k jejímu prodlužování.
Po dostatečném zahřátí posuneme a matkami upevníme kovovou destičku (1B) k tyčince tak, aby byla co nejvíce „natěsno“.
Celý přístroj necháme samovolně chladnout. Přitom dochází ke zkracování střední tyče, která tlačí kovovou tyčinku na destičku (1B). Důkazem toho, že tyč zmenšila svůj objem (respektive svoji délku), bude přelomení kovové tyčinky.
Vzorový výsledek
Průběh experimentu prvním způsobem ukazuje následující video.
Technické poznámky
Chladnutí přístroje lze urychlit tím, že na střední tyč nalijete studenou vodu. Přitom dávejte pozor na vznikající horkou páru a odskakující kapičky zahřáté vody.
Při zahřívání prostřední tyče zahříváte nepřímo nejen vedlejší tyče, ale i matky držící kovovou destičku. Je nutné manipulovat s horkými matkami opatrně!
Při zahřívání je nutné mířit na prostřední tyč tak, aby se vedlejší tyče zahřívaly (a tedy i prodlužovaly) co nejméně. Výraznější zahřátí vedlejších tyčí může způsobit, že se tyčinka nepřelomí. Podobně může kovová tyčinka vydržet, pokud nedojde k dostatečnému zahřátí prostřední tyče.
Přelomení kovové tyčinky je doprovázené zvukovým efektem, není tedy třeba Tyndallův přístroj pozorovat po celou dobu chlazení.
Kovová tyčinka má po přelomení tendenci odlétávat i přes metr daleko a je velice horká. Je potřeba přístroj namířit jinam než na žáky a s odlomenými kousky tyčinky zacházet opatrně.
Metodické poznámky
Před provedením experimentu lze žákům ukázat, z čeho je Tyndallův přístroj složen, a nechat je vymyslet, jak ho společně s letlampou (hořákem) využít k přelomení tyčinky – v teorii uvádíme dvě možná řešení, možná najdete i další.
Je vhodné upozornit žáky na to, že aparatura se díky vedení tepla zahřívá celá, ale centrální tyč, kterou přímo zahříváme, přece jen dosahuje vyšší teploty. Případně lze otevřít debatu, zda by mohly být vedlejší tyče z jiného materiálu než tyč hlavní a jaké by musely mít v takovém případě vlastnosti (např. výrazně nižší koeficient teplotní roztažnosti, nízký součinitel tepelné vodivosti apod.).
Dodatek: Tyndallův jev
Irský fyzik John Tyndall se do dějin nezapsal ani tak právě demonstrovaným přístrojem (známým jako Tyndall’s bar breaker), jako spíš studiem atmosférické optiky. Je po něm pojmenován tzv. Tyndallův jev, kdy se světlo rozptyluje na koloidních částicích (např. při mlze).
