Teplocitlivé fólie ve fyzikálních experimentech

Transkript

1 Teplocitlivé fólie ve fyzikálních experimentech Zdeněk Bochníček Přírodovědecká fakulta MU, Brno

2 Teplocitlivé fólie, TCF (teplotní nálepky) jednoduchý teploměr barva závisí na teplotě jsou dostupné také ve větších rozměrech 30 x 30 cm 2, cena cca 30 EUR

3 Vlastnosti malý teplotní rozsah (několik C) relativně vysoká citlivost malá tepelná kapacita rychlá odezva názorné zobrazení rozložení teploty v 2D Lze využít v řadě (demonstračních) fyzikálních experimentů jako teploměr v termice v jiných oblastech fyziky v případě, že danou fyzikální veličinu převedeme na teplotu

4 Tepelná vodivost 1 Tepelný stopař Položte ruku na desku stolu (laminovanou dřevotřísku) Čekejte několik sekund, než se deska ohřeje. Namísto otisku ruky položte TCF. Vyzkoušejte totéž s různými materiály podložky (kov, pěnový polystyrén). Nefunguje to. Proč?

5 Tepelná vodivost 2 Vodivost kovů elektrický ohřev Vodivost kovů ohřev teplou vodou

6 Časový vývoj rozložení teploty elektrický ohřev. měď nerez

7 Časový vývoj rozložení teploty teplovodní ohřev. ocel měď

8 Fyzikální pozadí V nestacionárním případě rozdělení teploty není dáno tepelnou vodivostí λ, ale veličinou zvanou teplotní vodivost kde ρ je hustota a c měrná tepelná kapacita. Toto vychází z rovnice vedení tepla kde teplotní vodivost λ ρ c = D λ ρ c t x τ je vlastně difúzní koeficient 2 2 (, τ ) λ t( x, τ ) = 2, ρ c t( x, τ ) t( x, τ ) = D 2, τ x x Difúzní délka Λ = Dτ

9 materiál λ Wm -1 K -1 c Jkg -1 K -1 ρ kgm -3 λ ρ c m 2 s -1 Λ (lib. jed.) měď , železo , ,0 ocel (1% uhlíku) , ,6 nerez ,0 hliník , Tepelná (a tedy teplotní) vodivost silně závisí na příměsích v materiálu.

10 Teplotní změny při adiabatických dějích

11 Uzavřete natěsno láhev. Nastavte teplotu na dolní okraj teplotního rozsahu fólie (např. politím láhve studenou či teplou vodou). Zmáčkněte láhev maximální možnou silou. TCF změnou barvy detekuje ohřev vzduchu způsobený adiabatickou kompresí.

12 Aerodynamika levitující míček.

13 Obvyklé vysvětlení je chybné! ysics-to-go/bernoulli-balls//

14 V tomto případě nelze použít Bernoulliova rovnice! Vzduch získal energii z dmychadla, zákon zachování mechanické energie (Bernoulliova rovnice) neplatí! Tlak plynu je v obou oblastech stejný!

15 Jev lze vysvětlit pomocí třetího Newtonova zákona. Proud vzduchu je odkloněn. Podle třetího Newtonova zákona musí existovat reakce síla, kterou vzduch působí na míček. Tedy na vzduch musí působit dostředivá síla, akce. Reakce kompenzuje gravitační sílu a vtlačuje míček zpět do středu proudícího vzduchu.

16 K odklonění proudu vzduchu dojde vždy, když je míček v proudu vzduchu umístěn asymetricky, nebo když je proud vzduchu skloněn. Jak byste vysvětlili tento jev? Je tlak v proudu vody menší?

17 Experimentální uspořádání teplocitlivá fólie horkovzdušná pistole obraz proudu teplého vzduchu tryska dmychadlo

18 Proud vzduchu bez míčku. Proud vzduchu s míčkem Proud vzduchu několik sekund po odstranění míčku.

19 Zobrazeni infračerveného záření pomocí teplocitlivých fólií.. Je možné použít klasickou skleněnou optiku pro zobrazeni v IR? Optické vlastnosti křemene (převzato z Schott advanced optics) Většina skel je dobře propustná do vlnové délky 2,5 µm.

20 Omezená propustnost skel v IR přináší značné problémy. Záření dokonale černého tělesa pro vybrané teploty. Šedá oblast vymezuje propustnost skla.

21 Intenzita záření černého tělesa (vlevo) a intenzita prošlá sklem (vpravo).

22 Aby TCF detekovaly IR záření, musí se dostatečně ohřát. Toho lze dosáhnout dvěma způsoby: vyfiltrovat IR záření z velmi horkého zdroje (žárovka). zobrazovat objekt, který má teplotu na samé hranici viditelnosti (500 C).

23 Zobrazení IR oblasti elektromagnetického spektra Spektrum halogenové žárovky kde IR část je zviditelněna pomocí TCF (a) a (b). Stejné spektrum pozorované videokamerou v mód IR nočního vidění (c). Viditelná část obr. (c) je zde prezentována barevně pro snazší srovnání s obr. (a). Původní IR obraz z kamery byl černobílý. K tomuto experiment je nutný velmi výkonný zdroj světla (zde byla použita 500W lineární halogenová žárovka).

24 Zobrazení IR záření s využitím IR filtru µ (mm -1 ) electron absorption absorption edge , lattice oscilations λ (µm) Absorpce elektromagnetického záření v křemíku.

25 funguje, lesklý povrch Transmitance wavelength (nm) Propustnost filtru z lihového fixu. 0 nefunguje, matný povrch

26 Zobrazení vlákna žárovky.

27 Zobrazení horkého objektu.