Známý překvapivý experiment s vodou a plastovým kelímkem rozšířený o hledání dalších možností chlazení.
Cíle
Zprostředkovat žákům zkušenost s chlazením pomocí vody.
Vést žáky k pochopení procesu chlazení pomocí vody.
Zařazení do učebnice
Kdykoliv po lekci Výměna tepla.
Průběh experimentu
Jak voda chladí
Připravíme si dvě plastové lahve (nebo plastové kelímky, papírové kelímky…). Do jedné nalijeme vodu a druhou necháme prázdnou (přesněji řečeno plnou vzduchu). Lahve postupně zahříváme nad plamínkem svíčky a sledujeme, co se děje. Zatímco s lahví plnou vody se prakticky nic neděje, lahev se vzduchem se začíná rychle tavit.
Následuje samozřejmě zásadní otázka proč to tak je. Žáci pravděpodobně přijdou s vysvětlením, že voda lahev chladí. To je sice pravda, ale v této chvíli by žáci měli být schopni proces chlazení popsat. Například: „Při zahřívání se molekuly plastové lahve velmi urychlují. Když je v lahvi voda, naráží tyto molekuly do molekul vody, urychlují je a tím se samy zpomalují. Lahev bez vody sice není prázdá, ale vzduch, který v ní je, má mnohem menší hustotu než voda, obsahuje tím pádem mnohem méně částic molekuly plastu se ochlazují (neboli zpomalují) mnohem méně.”
Použité pomůcky
plastové lahve, svíčka, voda
Proč je v tom dobrá
Voda se skutečně velmi často používá jako chladič. Předmětem dalšího zkoumání může být, proč zrovna ona. Rozšíříme tedy experiment a jako výplň lahve, která by odebírala teplo, použijeme něco jiného, například:
- kus kovu
- ocelové ložiskové kuličky
- písek
- železný prach
Lahve opět postupně zahříváme a pozorujeme, co se děje.
V žádném z těchto případu nebyla lahev uchráněna, což znamená, že žádný z těchto materiálů neodebírá teplo lépe než voda. Je ale patrné, že čím jemnější materiál jsme použili, tím lépe chladil.
Následuje opět otázka „Proč?”, na kterou může zaznít následující odpověď: „Aby materiál odebíral teplo, musí se molekul plastu dotýkat. Ani železný prach ale není tak jemný, aby dokonale splynul se stěnou lahve. V tom jsou mnohonásobně lepší kapaliny, jako například voda.”
Na základě tohoto objevu je možné navázat na ukázku chlazení procesoru v lekci Chladiče a doplnit, že mezi kovovou desku a procesor se umísťuje speciální teplovodivá pasta, která zajišťuje dobré přilnutí chladiče s procesorem.
Už víme, že voda dobře chladí, protože je tekutá. Nešla by ale použít i jiná kapalina (nebo plyn)? Proč zrovna voda? Můžeme opět opakovat experiment pro různé kapaliny, ale jeho výsledek nebude tak přesvědčivý. Je proto možné celou problematiku uzavřít teoretickým závěrem. Mezi hlavní přednosti vody patří její dostupnost, netoxičnost a velká měrná tepelná kapacita, která je až dvojnásobná oproti jiným dostupným kapalinám.
Voda samozřejmě chladí i prostřednictvím svého vypařování. O tom ale později v kapitole Skupenské přeměny.
Použité pomůcky
plastové lahve, svíčka, voda, kus kovu, ložiskové kuličky, písek, železný prach
