Teplota. Skúmanie premien skupenstva látok

Transkript

1 Teplota. Skúmanie premien skupenstva látok Premeny skupenstva sa neustále dejú aj okolo nás a súvisia so slnečným žiarením, prúdením vzduchu, zmenami teploty. Denne sa v predpovedi 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. Obr. 3 Poveternostná situácia na Slovensku zdroj: 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 skupenstva je dôležité tiež v súvislosti s niektorými priemyselnými odvetvia mi, ako je napríklad hutníctvo či výroba stavebných materiálov, ale aj iné. Napokon aj pri každodenných prácach v kuchyni sa stretávame s premenami skupenstva. Premeny skupenstiev vody prebiehajú na Zemi neustále. 6 Teplota. Skúmanie premien skupenstva látok

2 1.1 Meranie teploty. Teplomer Fyzikálne veličiny, ktoré súvisia s premenou skupenstva, ako je napríklad teplota a čas, poznáš aj zo skúsenosti. Odborníci však hodnoty získavajú meraním a zaznamenávajú ich. Namerané hodnoty zapisujú do tabuliek, ktoré sú podkladom na zostrojenie grafov. Priebeh čiary grafu pri premene skupenstva (napríklad vody) nás upozorní na deje prebiehajúce v látke. Tento postup stratégiu odborníkov, výskumníkov budeme pri skúmaní premeny skupenstva napodobňovať aj my. Domáca príprava na vyučovanie Prezri si obrázok, na ktorom je znázornené žehlenie a za oknom zimná krajina. Zoraď predmety z obrázka podľa ich teploty, do zoznamu zaraď aj osobu, ktorá žehlí, teda teplotu ľudského tela. 1.1 Meranie teploty. Teplomer Život 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 predpovede počasia, ale aj pri vedeckých výskumoch či sledovaní zdravotného stavu človeka. Anders Celsius ( ) Obr. 4 Tvorcovia teplotných stupníc Daniel Gabriel Fahrenheit ( ) 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 napríklad v USA dodnes. Nám známu Celziovu stupnicu zaviedol švédsky astronóm A. Celsius v roku 1742, tá sa však mierne líšila od dnes používanej stupnice. Teplota. Skúmanie premien skupenstva látok 7

3 Nasledujúci pokus modeluje postup pri zostrojovaní teplotnej stupnice. Pracuj v skupine. Pokus Pozoruj 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 pokusu. Obr. 5 Pomôcky pripravené na pokus Obr. 6 Zohrievanie nádobky v teplej vode Obr. 7 Ochladzovanie nádobky v studenej vode b) Vlož nádobku s rúrkou do kadičky s teplou vodou (obr. 6) a pozoruj 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 kvapaliny. 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? 8 Teplota. Skúmanie premien skupenstva látok

4 1.1 Meranie teploty. Teplomer 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 stúpajúcou 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, laboratórny 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 pokusoch s topením ľadu a varom vody prišiel na spôsob, ako merať teplotu. Teplota je fyzikálna veličina, jej značka je t. Používa sa niekoľko druhov teplotných stupníc. Najčastejšie používanou teplotnou stupnicou u nás je Celziova stupnica, ktorej jednotkou je stupeň Celzia C. Na zostrojenie klasického teplomera s náplňou liehu alebo ortuti potrebujeme 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 rozdelíme na 100 dielikov (obr. C). Jeden dielik značí 1 C. A B C miesto, kde vystúpila ortuť pri vare vody Obr. 9 Zostrojenie stupnice teplomera miesto, kde klesla ortuť pri topiacom sa snehu alebo ľade 100 dielikov Obr. 8 Laboratórny teplomer POZNÁMKA V 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. Teplota. Skúmanie premien skupenstva látok 9

5 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 kvapalinových lekárskych teplomeroch 1 dielik = 0,1 C. Pred každým meraním teploty je dôležité si premyslieť, aký teplomer je vhodný. Laboratórny teplomer nie je vhodný na meranie teploty ľudského tela a lekársky teplomer sa zasa nedá použiť na meranie teploty vody, ktorú zohrievame až po teplotu varu. Obr. 10 Odčítavanie teploty zo stupnice teplomera 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. Obr. 11 Rôzne druhy teplomerov 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 rôznych 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. špirála z dvoch kovov bimetal Obr. 12 Bimetalický teplomer a špirála z dvoch kovov 10 Teplota. Skúmanie premien skupenstva látok

6 1.1 Meranie teploty. Teplomer senzor prevodník číselne vyjadrí nameranú teplotu Obr. 13 Počítačové snímanie teploty senzorom teploty elektronickým teplomerom Ešte zložitejší princíp merania sa používa v digitálnych teplomeroch, prípadne teplotných senzoroch spojených priamo s počítačom. Na obrázku je laboratórny teplomer A a okenný teplomer B. Prezri si rozsah ich stupníc. A Úloha B 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? 1. Vyhľadaj teploty varu a tuhnutia ortuti a liehu. Doplň ich do tabuľky, ktorú si prepíš do zošita. Rieš úlohy látka ortuť lieh teplota [ C] varu tuhnutia Teplota. Skúmanie premien skupenstva látok 11

7 Vieš, že taliansky fyzik Galileo Galilei bol, podľa historických údajov z r. 1638, jedným z konštruktérov predchodcu teplomera? Tento prístroj sa volal vzduchový termoskop. Termoskop pozostáva z tenkej sklenej trubičky zakončenej bankou. Banku vraj G. Galilei držal v rukách, aby sa zohriala. Vzduch zväčšil svoj objem. Potom ponoril druhý, otvorený koniec kapiláry do nádobky so zafarbenou vodou. Banka postupne chladla, vzduch v nej zmenšil svoj objem a do kapiláry vnikla voda. Tento vzduchový termoskop nemeral teplotu, ale len jej zmeny. Dostupné na termoskop 2. Na obrázkoch A, B, C a D sú znázornené etapy zostrojovania Celziovho 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. Celziova stupnica A B C D 100 C 0 C 212 F 32 F Fahrenheitova stupnica 373,15 K 273,15 K Termodynamická stupnica 80 R 0 R Réaumurova stupnica 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 nameraná najnižšia teplota -18 C. Aký je rozdiel medzi maximálnou a minimálnou teplotou? Domáca príprava na vyučovanie Skús merať čas odčítavaním sekúnd. Keď povieš slovo jedenadvadsať, uplynie približne jedna sekunda. Ak povieš uvedené slovo 60-krát za sebou, uplynie približne 1 minúta. Over si svoje počítanie na hodinkách. 12 Teplota. Skúmanie premien skupenstva látok

8 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, napríklad 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. slnečné Obr. 14 Rôzne druhy hodín presýpacie, stopky digitálne 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) min (minúta) h (hodina) d (deň) 60 s = 1 min 60 min = 1 h 1 h = s 1 d = s Pri niektorých činnostiach treba merať teplotu v pravidelných časových 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 časových intervaloch teplotu do tabuľky. kyvadlové POZNÁMKA: Fyzikálne veličiny teplota a čas majú rovnaké značky. Len z kontextu vieme určiť, ktorú fyzikálnu veličinu znak t označuje. Teplota. Skúmanie premien skupenstva látok 13

9 Úloha Pracuj v skupine. Každú 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: Obr. 15 Meranie teploty teplota [ C] 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? čas [min] 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 pravidelných časových intervaloch, napríklad medzi šiestou a osemnástou hodinou, súčet vydelíme počtom meraní. POZNÁMKA: Pri zostrojovaní grafu môžeš využiť program Kanvica.cma Dostupný na Priemernú hodnotu teploty možno vypočítať aj za jednotlivé mesiace 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 =... s 1 h 30 min =... min =... s 3 h 5 min 2 s =... min =... s 2. Zmeraj teplotu vzduchu niekoľkokrát v priebehu dňa vždy po uplynutí toho istého časového intervalu. Vypočítaj priemernú teplotu za celý deň. Pomôcky: okenný teplomer 14 Teplota. Skúmanie premien skupenstva látok

10 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 počas 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 vychádza zo zastávky Poprad-Tatry a konečnú zastávku má na Štrbskom Plese. POZNÁMKA: Úloha je rozšírená aj pre počítačové spracovanie. Mô žeš využiť program PopradCesta.cma Dostupný na a) Ako dlho sa cestuje z Popradu-Tatier na Štrbské Pleso, ak nastúpime 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 olympijský 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? Emil Zátopek Teplota. Skúmanie premien skupenstva látok 15

11 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.) teplota [ C] Graf závislosti teploty od času v priebehu dňa čas [h] Tabuľka: Hodnoty teploty a času namerané v priebehu dňa 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 vychýli a čas trvania kmitu závisí od dĺžky povrazu. Prvé patentované kyvadlové hodiny V roku 1657 holandský fyzik Christiaan Huy gens (na obrázku) využil kyvadlo na zostrojenie hodín a dostal patent na kyvadlové hodiny. Christiaan Huygens ( ) Dostupné na Teplota. Skúmanie premien skupenstva látok