Tento materiál pochází ze staršího archivu rvp.cz a už není součástí aktuální nabídky. Uchováváme ho, aby na něj dál vedly původní odkazy.
Odborný článek
Vedení tepla různými materiály
5,0 (1 hodnocení)
V současné době se velmi často staví nízkoenergetické domy, které mají šetřit majitelům spotřebu energie. Ke stavbě je nutné vybrat materiál, kterým bude teplo z vnitřní části domu ven procházet minimálně. K základnímu rozlišení materiálů s různým vedením tepla může napomoci i experiment, který lze zrealizovat i ve školní třídě.
V současné době se ve stavebnictví hledají a používají materiály, které mají zabránit příliš velkým ztrátám tepla z domů nebo bytů do okolí. Proto je vhodné i podobnou problematiku při vhodné příležitosti ukázat žákům v hodinách fyziky. Bylo by vhodné, aby žáci, až budou v roli budoucích majitelů domů či bytů, měli svůj vlastní názor podložený fakty a nespoléhali se na mnohdy ne zcela korektní nabídky stavebních firem.
Teorie
Tepelné ztráty bytů a domů, které se podílejí na zvýšené spotřebě energie (a následně i finančních prostředků), lze popsat teplem Q, které projde v důsledku rozdílu teplot `Delta T` na obou stranách jedné stěny tloušťky d a plochy S za dobu t. Charakteristikou materiálu stěny je její součinitel tepelné vodivosti `lambda` . Platí tedy vztah: `Q=lambda S t (DeltaT)/d` .
Z tohoto vztahu vyplývá, že teplo, které projde danou stěnou, je tedy závislé pouze na rozdílu teplot a na čase; ostatní fyzikální veličiny jsou pro danou stěnu konstantní. Abychom mohli vyslovit závěry o šíření tepla určitým materiálem, stačí tedy proměřit závislost změny teploty tohoto materiálu na čase. A právě toto měření je popsáno dále.
Výroba pomůcek
Nejnáročnější částí celého experimentu je výroba měřicí nádoby. Nicméně ve školní dílně, v rámci pracovních činností či podobných aktivit by její výroba neměla být závažnější problém. K její výrobě budeme potřebovat kovové lišty, tmel nebo lepidlo a dále čtvercové destičky o straně délky 10 cm, pokud možno stejné tloušťky; dvě skleněné, jednu hliníkovou, jednu vyříznutou ze zrcadla a jednu z pertinaxu. Z kovových lišt vyrobíme držák ve tvaru krychle a do tohoto držáku vlepíme jednotlivé čtvercové destičky; dno krychlové nádoby je přitom ze skla (viz obr. 1). V případě, že nejsou k dispozici právě popsané materiály, volíme podobné. Destičku ze zrcadla můžeme vlepit dvojím způsobem (postříbřenou plochou ven nebo dovnitř). Obojí provedení má svůj význam a lze s ním experimentovat.
krychle se stěnami z různých materiáků, 4 teplotní čidla a LabQuest firmy Vernier, žárovka
Krychlová nádoba
Před vlastním experimentem si ještě připravíme pomůcku, kterou je možné využít i při dalších experimentech (vedení elektrického proudu v kovech, …). Ke keramické objímce na běžné žárovky připojíme pomocí síťového kabelu zástrčku. Do objímky našroubujeme stowattovou žárovku a pomocí zástrčky připojíme později objímku do zásuvky. Na obr. 2 je zobrazena pomůcka, kterou používám při jiném experimentu a u něj potřebuji připojení objímky pomocí dvou vodičů zakončených banánky. Pro větší bezpečnost při experimentu popisovaném v tomto článku je vhodnější použít standardní zástrčku.
Experiment byl připraven v době, kdy byly stowattové žárovky běžně k dostání v obchodech. Provedení experimentu s úspornými žárovkami, jejichž prodej je podporován Evropskou unií, je sice možné, ale ohřev materiálu nebude tak výrazný.
Žárovka v objímce
Příprava a provedení experimentu
K vlastnímu experimentu budeme potřebovat vyrobenou měřicí nádobu, čtyři bodová teplotní čidla firmy Vernier, LabQuest, podložky pod měřicí nádobu a izolepu (viz obr. 3). Bodová teplotní čidla postupně přilepíme izolepou na jednotlivé boční stěny krychlové nádoby. Objímku se žárovkou postavíme na vodorovnou podložku (např. stůl), kolem ní rozestavíme symetricky podložky a na ně položíme krychlovou nádobu dnem vzhůru. Podložky jsou použity proto, aby se dno nádoby nedotýkalo žárovky (viz obr. 4). Dbáme přitom na to, aby v okolí připravovaného experimentu nebyly žádné předměty, které by byly náchylné na poškození zvýšenou teplotou okolí.
Pomůcky nutné k experimentu
Jednotlivá teplotní čidla připojíme k LabQuestu a přitom si poznamenáme, jaký materiál tvoří stěnu krychle, na níž je nalepeno dané čidlo. V našem případě odpovídá pořadí zapojení čidel (a následně i číslování veličin v grafech naměřených dat), pořadí pertinax, zrcadlo, hliník a sklo. Na LabQuestu nastavíme dobu měření na jednu hodinu a vzorkovací frekvenci nastavíme na hodnotu 5400 měření za hodinu (tj. každé tři sekundy se zaznamenají dvě měření). Tato frekvence je dostatečně vysoká a přitom naměřená data nepřekročí limit vnitřní paměti přístroje. Spustíme měření a přívodní vodiče žárovky zapojíme opatrně do zásuvky.
Krychlová nádoba připravená k experimentu
Během měření se snažíme kolem měřicí nádoby zbytečně nechodit. Vlastním pohybem bychom vyvolali proudění vzduchu, které by mohlo ovlivnit teplotu snímanou jednotlivými teplotními čidly.
Po skončení měření data uložíme, odpojíme žárovku od zdroje elektrické energie a měření spustíme znovu. Nyní tedy budeme studovat závislost teploty na čase při chladnutí jednotlivých materiálů. Opět nechodíme příliš blízko k měřené nádobě, abychom svým pohybem nevyvolali zbytečné proudění vzduchu, které by mohlo ovlivnit teplotu čidel.
Po skončení měření data uložíme a importujeme obě měření do programu LoggerPro nebo volně šiřitelé verze LoggerLite (viz [1]). V programu je možné naměřená data proložit funkční závislostí, která naměřená data nejlépe vystihuje. Nejdříve zpracujeme data naměřená při ohřevu stěn nádoby. Z tvaru křivky popisující závislost teploty jednotlivých čidel na čase je zřejmé, že hledanou funkční závislostí bude exponenciální funkce. Závislosti teploty jednotlivých stěn krychle na čase spolu s aproximační funkcí a jejím předpisem jsou pro jednotlivá čidla zobrazeny na obr. 5.
Závislost teploty čidel na čase při ohřevu nádoby
Z grafů zobrazených na obr. 5 je zřejmé, že nejrychleji se ohřívala stěna s čidlem číslo 2, což byla stěna vyrobená ze zrcadla. Počáteční teplota stěn byla přibližně 23 stupňů Celsia, zatímco koncová teplota zrcadlové stěny po ohřevu žárovkou byla necelých 120 stupňů Celsia. Rozdíl teplot ostatních stěn nebyl příliš velký − všechny stěny měly teplotu přibližně 80−85 stupňů Celsia.
Analogickým způsobem zpracujeme i data naměřená při ochlazování stěn nádoby − příslušné časové závislosti teplot jednotlivých čidel spolu s aproximačními funkcemi a jejich předpisy jsou zobrazeny na obr. 6.
Závislost teploty čidel na čase při chladnutí nádoby
Porovnáme-li koeficienty C v rovnicích aproximačních funkcí popisujících ohřev stěn krychle (viz obr. 5) a ochlazování stěn krychle (viz obr. 6), je zřejmé, že ochlazování probíhá pozvolněji (koeficienty C všech křivek popisujících ochlazování stěn krychle jsou nižší než v případě ohřevu stěn krychle). Tento závěr lze také vyslovit na základě porovnání obou grafů: počáteční teplota stěn krychle byla přibližně 23 stupňů Celsia, zatímco teplota dosažená během ochlazování za stejný čas, po který se krychle ohřívala, je přibližně 25 stupňů Celsia.
Materiál stěny krychle, jejíž vnější část se nejrychleji ohřívá, má největší součinitel tepelné vodivosti a je tedy ze všech použitých materiálů nejméně vhodný ke stavbě domů. Je pravda, že zrcadlové stěny si nikdo stavět nebude, ale jako demonstrace základního principu rozdílného vedení tepla je tento experiment vhodný. Pro další experimentování lze nádobu vyrobit i tak, aby bylo možné snadno vyměňovat jednotlivé stěny krychle. Potom bude možné podobným způsobem testovat takové materiály, které se ke stavbě domů skutečně používají.
Délkou trvání je experiment vhodný na laboratorní práce, dvouhodinové lekce fyziky nebo jako součást dlouhodobého projektu. Jako alternativu k materiálům, ze kterých je vyrobena použitá pomůcka, lze též volit polystyren, neopor (polystyren s přídavkem grafifu), dřevěné desky, keramické desky, …, které se skutečně používají při stavbě nízkoenergetických domů. Sehnat kousek takového materiálu o rozměrech řádově 10 cm krát 10 cm jistě nebude problém.
Naměřená data z tohoto experimentu lze použít též v hodinách matematiky k demonstraci praktického využití exponenciální funkce.
Literatura a použité zdroje
Firma Vernier v České republice [online]. [cit. 2011-06-28]. Dostupné z: http://www.vernier.cz/.
Snižovat spotřebu energie je aktuální téma. Často je zdůrazňována nutnost úspor při vytápění domů či bytů. Provedení navrhované praktické úlohy ukáže jednu z možností, jak této úspory dosáhnout. Při vhodné volbě proměřovaných materiálů, lze získat dobrý přehled o jejich chování coby dobrých vodičů tepla nebo naopak tepelných izolantů. Výsledkem dvouhodinového měření je výběr nejvhodnějšího a tedy nejúspornějšího materiálu pro stavbu nízkoenergetického domu.
