teplota. skúmanie premien skupenstva látok a čas.pdf · teplota. skúmanie premien skupenstva...

6 Teplota. Skúmanie premien skupenstva látok

Premeny skupenstva sa neustále dejú aj okolo nás a súvisia so slneč-ným žiarením, prúdením vzduchu, zmenami teploty. Denne sa v pred-povedi počasia dozvedáme o najnižšej a najvyššej teplote v priebehu dňa, či bude zamračená alebo jasná obloha, či bude pršať alebo snežiť, že môže byť hmlisto a rad ďalších informácií.

Deje súvisiace s počasím študuje vedný odbor fyziky – meteorológia.

Základom vysvetlenia týchto dejov je meranie fyzikálnych veličín, ako je teplota, čas, tlak vzduchu, objem zrážok, vlhkosť vzduchu a podobne.

Skúmať premeny skupen-stva je dôležité tiež v súvislos-ti s niektorými priemyselnými odvetvia mi, ako je napríklad hutníctvo či výroba staveb-ných materiálov, ale aj iné. Napokon aj pri každodenných prácach v kuchyni sa stretáva-me s premenami skupenstva.

Teplota.Skúmanie premien skupenstva látok

Obr. 3 Poveternostná situácia na Slovensku 30. 11. 2010 zdroj: www.shmu.sk

Premeny skupenstiev vody prebiehajú na Zemi neustále.

1.1 Meranie teploty. Teplomer

Teplota. Skúmanie premien skupenstva látok 7

1. Teplota a čas Fyzikálne veličiny, ktoré súvisia s premenou skupenstva, ako je na-

príklad teplota a čas, poznáš aj zo skúsenosti. Odborníci však hodnoty získavajú meraním a zaznamenávajú ich.

Namerané hodnoty zapisujú do tabuliek, ktoré sú podkladom na zo-strojenie grafov. Priebeh čiary grafu pri premene skupenstva (naprík-lad vody) nás upozorní na deje prebiehajúce v látke.

Tento postup – stratégiu odborníkov, výskumníkov – budeme pri skúmaní premeny skupenstva napodobňovať aj my.

Domáca príprava na vyučovaniePrezri si obrázok, na ktorom je znázornené žehlenie a za oknom zim-

ná krajina. Zoraď predmety z obrázka podľa ich teploty, do zoznamu zaraď aj osobu, ktorá žehlí, teda teplotu ľudského tela.

1.1 Meranie teploty. TeplomerŽivot na našej Zemi vznikol aj vďaka primeranej teplote, ktorá na

nej bola. Teplota ovzdušia ovplyvňuje ľudí, zvieratá a rastliny, ktoré sa prispôsobujú životu v rôznych teplotných pásmach. Ľudia sa oddávna snažili teplotu merať a navrhovali rôzne teplotné stupnice.

Meranie teploty je dôležité nielen z hľadiska meteorológie a pred-povede počasia, ale aj pri vedeckých výskumoch či sledovaní zdravot-ného stavu človeka.

Merať teplotu sa usiloval už Galileo Galilei. Prvý ortuťový teplomer zostrojil D. G. Fahrenheit v roku 1714 a o desať rokov neskôr zaviedol stupnicu, ktorá sa pod názvom Fahrenheitova stupnica používa naprík-lad v USA dodnes. Nám známu Celziovu stupnicu zaviedol švédsky astronóm A. Celsius v roku 1742, tá sa však mierne líšila od dnes použí-vanej stupnice.

Daniel Gabriel Fahrenheit (1686 – 1736)

Obr. 4 Tvorcovia teplotných stupníc

Anders Celsius (1701 – 1744)

1. Teplota a čas


Nasledujúci pokus modeluje postup pri zostrojovaní teplotnej stup-nice.

PokusPozoruj a zaznamenaj si, ako sa správa zafarbená voda v rúrke, ak

banku s vodou zohrievame alebo ochladzujeme.

Pomôcky: malá sklená nádobka, sklená trubička s dĺžkou najmenej 25 cm,

zátka s otvorom na trubičku, zafarbená voda (lieh), voda s teplotou okolo 40 °C, ľad, 2 kadičky, fixka

Postup: a) Všimni si výšku hladiny zafarbenej vody v rúrke na začiatku po-

kusu.

b) Vlož nádobku s rúrkou do kadičky s teplou vodou (obr. 6) a pozo-ruj výšku hladiny zafarbenej kvapaliny.

c) Vlož nádobku s rúrkou do kadičky so studenou vodou (obr. 7), prípadne aj s kockami ľadu. Pozoruj výšku hladiny zafarbenej kva-paliny.

Odpovedz:

1. Čo si pozoroval pri zohrievaní nádobky v teplej vode? 2. Čo si zistil pri ponorení nádobky do studenej vody? 3. Ako by si z tohto zariadenia urobil teplomer? Navrhni postup. 4. Vedel by si vysvetliť, prečo sa v kvapalinových teplomeroch používa

lieh a nie voda?

Obr. 5 Pomôcky pripravené na pokus

Obr. 6 Zohrievanie nádobky v teplej vode

Obr. 7 Ochladzovanie nádobky v studenej vode

Pracuj v skupine.



Kvapaliny sa zohrievaním rozťahujú, zväčšujú svoj objem. Pri ochladzovaní sa ich objem zmenšuje. Niektoré kvapaliny, ako napríklad ortuť a lieh, sa pri rovnakých zmenách teploty rozťahujú a sťahujú o rovnaké objemy. Táto ich vlastnosť sa využíva v teplomeroch. Ortuť alebo lieh sa dávajú do kvapalinových teplomerov ako náplň. So stúpa-júcou teplotou stĺpec ortuti alebo liehu v zatavenej trubičke teplomera zmení svoju dĺžku o rovnakú hodnotu pri rovnakých zmenách teploty.

Zvláštne správanie pozorujeme pri zmenách teploty vody. Pri ochladzovaní, napríklad zo začiatočnej teploty 20 °C, sa jej objem zmenšuje až po teplotu 4 °C, tak ako pri iných kvapalinách. Pri ďalšom ochladzovaní, od 4 °C až po 0 °C, sa objem vody zväčšuje.

Voda s teplotou 4 °C má najväčšiu hustotu a klesá na dno nádrží. Preto vo vodných nádržiach spravidla nameriame blízko dna teplotu 4 °C. Tento jav sa podrobnejšie opisuje aj v časti 4.2 Tuhnutie.

Na obrázku 8 je teplomer, ktorý sa používa v laboratóriách, labora-tórny teplomer. Na teplomere je značka °C, čo značí stupeň Celzia. Stupeň Celzia je jednotkou teploty.

Jednotka teploty je teda pomenovaná podľa A. Celsia, ktorý pri po-kusoch s topením ľadu a varom vody prišiel na spôsob, ako merať tep-lotu.

Teplota je fyzikálna veličina, jej značka je t.Používa sa niekoľko druhov teplotných stupníc. Najčastejšie

používanou teplotnou stupnicou u nás je Celziova stupnica, kto-rej jednotkou je stupeň Celzia °C.

Na zostrojenie klasického teplomera s náplňou liehu alebo ortuti po-trebujeme zatavenú trubičku s nádobkou, vriacu vodu a topiaci sa ľad. Označíme si výšku, pokiaľ vystúpi ortuť v trubičke pri vare vody (obr. A). Potom dáme teplomer do topiaceho sa ľadu a označíme miesto, kam klesla ortuť (obr. B). Vzdialenosť medzi týmito dvoma označeniami roz-delíme na 100 dielikov (obr. C). Jeden dielik značí 1 °C.

Obr. 8 Laboratórny teplomer

miesto, kde vystúpila ortuť pri vare vody

100

diel

ikov

A B C

miesto, kde klesla ortuť pri topiacom sa snehu alebo ľade

POZNÁMKAV teplomeroch sa ešte

aj dnes používa náplň ortuť. Rozbitý teplomer i so zvyškami ortuti (ortuť posypeme práškovou sírou) je nutné zozbierať a vložiť do uzavretej nádoby. Nádobu treba dobre uzavrieť a odovzdať ako nebezpečný odpad. Ortuť môže spôsobiť vážne zdravotné problémy. Jedovaté výpary z kvapalnej ortuti môžu preniknúť do organizmu nielen vdychovaním, ale aj kožou. Ortuť sa pri vdychovaní dostáva až do pľúc a pri dlhodobom pôsobení môže spôsobiť ich zlyhanie. Preto by sa s ortuťovými teplomermi nemalo pracovať a nahrádzajú sa digitálnymi, prípadne liehovými.Obr. 9 Zostrojenie stupnice teplomera

1. Teplota a čas


Teplota varu vody je označená ako 100 °C a teplota topiaceho sa ľadu je 0 °C. (Za určitých podmienok – dohodnutom tlaku vzduchu nad hladinou kvapaliny.)

Pri každom meradle si obvykle všímame rozsah jeho stupnice. To znamená, že zistíme, akú najväčšiu a najmenšiu hodnotu fyzikálnej veličiny môžeme meradlom odmerať. Laboratórnym teplomerom na obrázku 8 môžeme merať teplotu maximálne do 100 °C a najnižšiu teplotu do -10 °C, 1 dielik = 1 °C. Lekárskym teplomerom potrebujeme určovať teplotu ešte presnejšie – na 0,1°C. Teda pri starších kvapalino-vých lekárskych teplomeroch 1 dielik = 0,1 °C.

Pred každým meraním teploty je dôležité si premyslieť, aký teplo-mer je vhodný. Laboratórny teplomer nie je vhodný na meranie teploty ľudského tela a lekársky teplomer sa zasa nedá použiť na meranie tep-loty vody, ktorú zohrievame až po teplotu varu.

Na obrázku 11 sú rôzne druhy teplomerov a aj ich princípy merania sú rôzne. Napríklad kuchynský teplomer patrí medzi teplomery, ktoré využívajú rozťažnosť kovov pri ich zahrievaní. Spojené dva pásiky rôz-nych kov – bimetal (obr. 12) – sú zvinuté do špirály spojenej s ručičkou. Vplyvom zohrievania sa jeden kov roztiahne viac ako druhý. Zmenou teploty sa mení dĺžka špirály, čo má vplyv na pohyb ručičky teplomera.

Obr. 10 Odčítavanie teploty zo stupnice teplomera

Obr. 11 Rôzne druhy teplomerov

Obr. 12 Bimetalický teplomer a špirála z dvoch kovov

špirála z dvoch kovov – bimetal

Aby naše merania teploty boli čo najpresnejšie, musíme pri nich dodržiavať tieto pravidlá:

1. Na každé meranie teploty si vyberieme teplomer s primeraným rozsahom merania teploty, teda s ohľadom na najnižšiu a najvyššiu teplotu, ktorú môžeme teplomerom odmerať.

2. Dôležité je zistiť, v akých jednotkách je zostrojená stupnica teplomera, prípadne pri digitálnych teplomeroch, v akých jednotkách je uvedená hodnota teploty na displeji.

3. Pri teplomeroch so stupnicou je potrebné zistiť, aký teplotný rozdiel zodpovedá najmenšiemu dieliku stupnice. Pri digitálnych teplomeroch si musíme zistiť, s akou presnosťou sú udávané namerané hodnoty na displeji.



Ešte zložitejší princíp merania sa používa v digitálnych teplomeroch, prípadne teplotných senzoroch spojených priamo s počítačom.

ÚlohaNa obrázku je laboratórny teplomer A a okenný teplomer B.Prezri si rozsah ich stupníc.

Odpovedz:

1. Aké najvyššie a najnižšie teploty možno odmerať na laboratórnom a okennom teplomere?

2. Koľko °C pripadá na jeden dielik na stupniciach teplomerov? 3. Ako sa mení hustota liehu v teplomeroch pri meraní teploty?

Rieš úlohy 1. Vyhľadaj teploty varu a tuhnutia ortuti a liehu.

Doplň ich do tabuľky, ktorú si prepíš do zošita.

látkateplota [°C]

varu tuhnutiaortuťlieh

Obr. 13 Počítačové snímanie teploty senzorom teploty – elektronickým teplomerom

prevodník – číselne vyjadrí

nameranú teplotu

senzor

A

B

1. Teplota a čas


2. Na obrázkoch A, B, C a D sú znázornené etapy zostrojovania Cel-ziovho teplomera, ich poradie však nie je správne. Navrhni poradie krokov pri zostrojení teplomera tak, že správne zoradíš písmená od začiatočnej etapy po konečnú. Správne zoradenia môžu byť aj dve.

Postup pri zostrojení stupnice teplomera

3. Na obrázku sú schémy rôznych teplotných stupníc. Vyber stupnice, ktoré majú rovnakú hodnotu jedného teplotného stupňa.

4. Zisti nasledujúce informácie a zapíš si ich zdroj:a) Aká teplota je na povrchu Slnka?b) Aká teplota je v jadre našej Zeme?c) Aká najvyššia a najnižšia teplota bola nameraná na Slovensku?

5. V lete bola nameraná najvyššia teplota 34 °C a v zime bola namera-ná najnižšia teplota -18 °C. Aký je rozdiel medzi maximálnou a mi-nimálnou teplotou?

Domáca príprava na vyučovanieSkús merať čas odčítavaním sekúnd. Keď povieš slovo „jedenadvadsať“, uplynie približne jedna sekunda. Ak povieš uvedené slovo 60-krát za se-bou, uplynie približne 1 minúta. Over si svoje počítanie na hodinkách.

Vieš, že...... taliansky fyzik Galileo Galilei bol, podľa his-torických úda-jov z r. 1638, jedným z kon-štruktérov

predchodcu teplomera? Ten-to prístroj sa volal vzduchový termoskop.

Termoskop pozostáva z tenkej sklenej trubičky za-končenej bankou. Banku vraj G. Galilei držal v rukách, aby sa zohriala. Vzduch zväčšil svoj objem. Potom ponoril druhý, otvorený koniec kapi-láry do nádobky so zafarbe-nou vodou. Banka postupne chladla, vzduch v nej zmenšil svoj objem a do kapiláry vnikla voda. Tento vzducho-vý termoskop neme-ral teplotu, ale len jej zmeny.

Dostupné na www.amavet.sk

termoskop

Celziova stupnica

Fahrenheitova stupnica

Termodynamická stupnica

Réaumurova stupnica

100 °C

0 °C

212 °F

32 °F

80 °R

0 °R

373,15 K

273,15 K

A B C D


1.2 Meranie času. Meranie teploty v priebehu času

V dávnej minulosti ľudia určovali čas podľa striedania dňa a noci, stačilo im pozorovať pohyb Slnka po oblohe. Z pozorovania Mesiaca určovali čas na mesiace a zo striedania ročných období zasa na roky. Na určovanie času používali pravidelne sa opakujúce deje.

Na meranie času využívali ľudia najrôznejšie spôsoby už dávno pred naším letopočtom. Zachovali sa záznamy o sviečkových či vodných hodinách a dodnes možno vidieť slnečné alebo presýpacie hodiny. Pri konštrukcii hodín sa využívajú rôzne pravidelne sa opakujúce deje, na-príklad kývanie kyvadla, presýpanie istého množstva piesku, zhorenie časti sviečky a pod.

Prvé presnejšie hodiny – kyvadlové – zostrojil v roku 1656 Holanďan Christiaan Huygens (čítaj hajchens). Dnes sa na veľmi presné určovanie času používajú atómové hodiny, ktoré sa omeškajú menej ako o jednu sekundu za milión rokov.

Čas meriame v sekundách, minútach, hodinách, ale aj v dňoch.

Základnou jednotkou času je s (sekunda).

Čas je fyzikálna veličina, jej značka je t.

Jednotky času sú: sekunda (s), minúta (min), hodina (h), deň (d).

s (sekunda) 60 s = 1 min min (minúta) 60 min = 1 h h (hodina) 1 h = 3 600 s d (deň) 1 d = 86 400 s

Pri niektorých činnostiach treba merať teplotu v pravidelných ča-sových intervaloch, napríklad: meteorológovia pri sledovaní počasia, zaznamenávanie teploty vody v kotolniach, pri tavení ocele, ale aj pri tepelnom spracovaní potravín či laboratórnych výskumoch.

V nasledujúcej úlohe sa naučíme zaznamenávať v pravidelných ča-sových intervaloch teplotu do tabuľky.

Obr. 14 Rôzne druhy hodín

slnečné presýpacie, stopky

kyvadlové

digitálne

POZNÁMKA: Fyzikálne veličiny teplota

a čas majú rovnaké značky. Len z kontextu vieme určiť, ktorú fyzikálnu veličinu znak t označuje.

1. Teplota a čas


ÚlohaKaždú minútu zmeraj teplotu vody počas jej zohrievania vo varnej

kanvici. Zohrievaj vodu maximálne po 70 °C.

Pomôcky: laboratórny teplomer, stojan, varná kanvica, stopky

Postup: a) Zostroj aparatúru podľa obrázka 15.b) Navrhni tabuľku na záznam hodnôt času a teploty.c) Meraj a zaznamenávaj teplotu do tabuľky každú minútu. d) Z nameraných hodnôt času a teploty zostroj graf. e) Pre zostrojený graf vytvor názov.

Odpovedz:

1. Prečo sa čiara grafu nezačína v bode so súradnicami [0, 0]? 2. Aký je vzťah medzi časom a teplotou pri zohrievaní vody?

Pomenuj ho. 3. Približne za aký čas by voda dosiahla teplotu 90 °C?

V meteorológii sa sleduje teplota vzduchu v pravidelných časových intervaloch (napríklad vždy po uplynutí jednej hodiny) a vypočítavajú sa priemerné hodnoty teploty. Priemernú hodnotu dennej teploty za deň vypočítame, keď:

– sčítame všetky hodnoty teploty namerané v priebehu dňa v pra-videlných časových intervaloch, napríklad medzi šiestou a osem-nástou hodinou,

– súčet vydelíme počtom meraní.

Priemernú hodnotu teploty možno vypočítať aj za jednotlivé mesia-ce či roky. Hodnotu priemernej teploty možno zaznačiť aj do grafu ako rovnú čiaru rovnobežnú s časovou osou (napríklad do grafu k úlohe 5 na strane 16).

Rieš úlohy 1. Premeň jednotky času:

24 h = ............................. min = ............................ s1 h 30 min = ................. min = ............................ s3 h 5 min 2 s = ............. min = ............................ s

2. Zmeraj teplotu vzduchu niekoľkokrát v priebehu dňa vždy po uply-nutí toho istého časového intervalu. Vypočítaj priemernú teplotu za celý deň.

Pomôcky: okenný teplomer

POZNÁMKA: Pri zostrojovaní grafu môžeš

využiť program Kanvica.cmaDostupný na www.fyzikus.fmph.uniba.sk

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 čas [min]

teplota [°C]

Obr. 15 Meranie teploty

Pracuj v skupine.

1.2 Meranie času. Meranie teploty v priebehu času


Postup: a) Naplánuj si, kedy budeš počas dňa merať teplotu vzduchu – ráno,

na poludnie, popoludní a večer, v pravidelných časových intervaloch.b) Pred meraním teploty si priprav tabuľku.

Tabuľka: Meranie teploty počas dňa Dátum:

číslo merania 1. ráno 2. poludnie 3. popoludní 4. večer

čas [h]

teplota [°C]

c) Teplotu meraj v tieni na rovnakom mieste.d) Z nameraných hodnôt vypočítaj priemernú teplotu.

Odpovedz:1. Kedy si nameral najnižšiu a kedy najvyššiu teplotu vzduchu po-

čas dňa?2. Pri ktorom meraní bola teplota vzduchu najbližšia k priemernej

teplote?3. Ako si vypočítal priemernú teplotu?

3. Pozri si cestovný poriadok Tatranskej elektrickej železnice. Vlak vy-chádza zo zastávky Poprad-Tatry a konečnú zastávku má na Štrb-skom Plese.

a) Ako dlho sa cestuje z Popradu-Tatier na Štrbské Pleso, ak nastúpi-me do vlaku o 9.27 h?

b) Koľko trvá cesta zo Starého Smokovca na Popradské Pleso? (Vyber si ktorýkoľvek spoj uvedený v cestovnom poriadku.)

4. Zisti nasledujúce informácie a zapíš si ich zdroj.a) Aký je svetový rekord v behu na 100 m u žien a u mužov? b) Emil Zátopek bol československý atlét a štvornásobný olym-

pijský víťaz vo vytrvalostných behoch. Zisti, za aký čas zabehol trať dlhú 10 km pri vytvorení svetového rekordu.

c) Za aký čas prebehol posledný Košický maratón jeho víťaz?

POZNÁMKA: Úloha je rozšírená aj pre

počítačové spracovanie. Mô žeš využiť program PopradCesta.cma Dostupný na www.fyzikus.fmph.uniba.sk

Emil Zátopek

1. Teplota a čas


5. Na grafe je zaznamenaná teplota v priebehu dňa.a) Doplň do tabuľky Hodnoty teploty a času namerané v priebehu

dňa údaje odčítané z grafu. (Tabuľku si prepíš do zošita.)

čas [h]

teplota [°C]

b) Vypočítaj priemernú teplotu z nameraných hodnôt.c) Čo znamená prerušovaná čiara na grafe?

Vieš, že...... princíp kyvadla objavil okolo roku 1600

Galileo Galilei pri pozorovaní kolísajúceho sa lustra? Zistil, že každý kmit trvá rovnaký čas bez ohľadu na to, ako ďaleko sa luster vychý-li a čas trvania kmitu závisí od dĺžky povrazu.

V roku 1657 holandský fyzik Christiaan Huy gens (na obrázku) využil kyvadlo na zo-strojenie hodín a dostal patent na kyvadlo-vé hodiny.

Christiaan Huygens(1629 – 1695)

Prvé patentované kyvadlové hodiny

Tabuľka: Hodnoty teploty a času namerané v priebehu dňa

Dostupné na www.converter.cz/fyzici/huygens.htm www.gjar-po.sk/heureka/ucastnici/mvs/hodiny/kyvadlo.htm

Graf závislosti teploty od času v priebehu dňa

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

22

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

teplota [°C]

[h]čas

teplota. skúmanie premien skupenstva látok a čas.pdf · teplota. skúmanie premien skupenstva...

Documents