1. Teplota a čas (pdf) - didaktis

Teplota.Skúmanie premienskupenstva látokPremeny skupenstva sa neustále dejú aj okolo nás a súvisia so slnečnýmžiarením, prúdením vzduchu, zmenami teploty. Denne sa v predpovedipočasia dozvedáme o najnižšej a najvyššej teplote v priebehudňa, 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 30. 11. 2010 zdroj: www.shmu.skDeje súvisiace s počasím študuje vedný odbor fyziky – meteorológia.Základom vysvetlenia týchto dejov je meranie fyzikálnych veličín, akoje teplota, čas, tlak vzduchu, objem zrážok, vlhkosť vzduchu a podobne.Skúmať premeny skupenstvaje dôležité tiež v súvislostis niektorými priemyselnýmiodvetvia mi, ako je napríkladhutníctvo či výroba stavebnýchmateriálov, ale aj iné.Napokon aj pri každodennýchprácach v kuchyni sa stretávames premenami skupenstva.Premeny skupenstiev vodyprebiehajú na Zemi neustále.6 Teplota. Skúmanie premien skupenstva látok

1. Teplota a čas1.1 Meranie teploty. TeplomerFyzikálne veličiny, ktoré súvisia s premenou skupenstva, ako je napríkladteplota a čas, poznáš aj zo skúsenosti.Odborníci však hodnoty získavajú meraním a zaznamenávajú ich.Namerané hodnoty zapisujú do tabuliek, ktoré sú podkladom na zostrojeniegrafov. Priebeh čiary grafu pri premene skupenstva (napríkladvody) nás upozorní na deje prebiehajúce v látke.Tento postup – stratégiu odborníkov, výskumníkov – budeme priskúmaní premeny skupenstva napodobňovať aj my.Domáca príprava na vyučovaniePrezri si obrázok, na ktorom je znázornené žehlenie a za oknom zimnákrajina. Zoraď predmety z obrázka podľa ich teploty, do zoznamuzaraď aj osobu, ktorá žehlí, teda teplotu ľudského tela.1.1 Meranie teploty. TeplomerŽivot na našej Zemi vznikol aj vďaka primeranej teplote, ktorá nanej bola. Teplota ovzdušia ovplyvňuje ľudí, zvieratá a rastliny, ktoré saprispôsobujú životu v rôznych teplotných pásmach. Ľudia sa oddávnasnažili teplotu merať a navrhovali rôzne teplotné stupnice.Meranie teploty je dôležité nielen z hľadiska meteorológie a predpovedepočasia, ale aj pri vedeckých výskumoch či sledovaní zdravotnéhostavu človeka.Anders Celsius(1701 – 1744)Obr. 4 Tvorcovia teplotných stupnícDaniel Gabriel Fahrenheit(1686 – 1736)Merať teplotu sa usiloval už Galileo Galilei. Prvý ortuťový teplomerzostrojil D. G. Fahrenheit v roku 1714 a o desať rokov neskôr zaviedolstupnicu, ktorá sa pod názvom Fahrenheitova stupnica používa napríkladv USA dodnes. Nám známu Celziovu stupnicu zaviedol švédskyastronóm A. Celsius v roku 1742, tá sa však mierne líšila od dnes používanejstupnice.Teplota. Skúmanie premien skupenstva látok 7

1. Teplota a časNasledujúci pokus modeluje postup pri zostrojovaní teplotnej stupnice.Pracuj v skupine.PokusPozoruj a zaznamenaj si, ako sa správa zafarbená voda v rúrke, akbanku 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 teplotouokolo 40 °C, ľad, 2 kadičky, fixkaPostup:a) Všimni si výšku hladiny zafarbenej vody v rúrke na začiatku pokusu.Obr. 5 Pomôcky pripravené napokusObr. 6 Zohrievanie nádobky v teplejvodeObr. 7 Ochladzovanie nádobkyv studenej vodeb) Vlož nádobku s rúrkou do kadičky s teplou vodou (obr. 6) a pozorujvýšku 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 používalieh a nie voda?8 Teplota. Skúmanie premien skupenstva látok

1.1 Meranie teploty. TeplomerKvapaliny sa zohrievaním rozťahujú, zväčšujú svoj objem. Priochladzovaní sa ich objem zmenšuje. Niektoré kvapaliny, ako napríkladortuť a lieh, sa pri rovnakých zmenách teploty rozťahujú a sťahujúo rovnaké objemy. Táto ich vlastnosť sa využíva v teplomeroch. Ortuťalebo lieh sa dávajú do kvapalinových teplomerov ako náplň. So stúpajúcouteplotou stĺpec ortuti alebo liehu v zatavenej trubičke teplomerazmení svoju dĺžku o rovnakú hodnotu pri rovnakých zmenách teploty.Zvláštne správanie pozorujeme pri zmenách teploty vody. Priochladzovaní, napríklad zo začiatočnej teploty 20 °C, sa jej objemzmenšuje až po teplotu 4 °C, tak ako pri iných kvapalinách. Pri ďalšomochladzovaní, 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 teplotu4 °C. Tento jav sa podrobnejšie opisuje aj v časti 4.2 Tuhnutie.Na obrázku 8 je teplomer, ktorý sa používa v laboratóriách, laboratórnyteplomer. Na teplomere je značka °C, čo značí stupeň Celzia.Stupeň Celzia je jednotkou teploty.Jednotka teploty je teda pomenovaná podľa A. Celsia, ktorý pri pokusochs 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. Najčastejšiepoužívanou teplotnou stupnicou u nás je Celziova stupnica, ktorejjednotkou je stupeň Celzia °C.Na zostrojenie klasického teplomera s náplňou liehu alebo ortuti potrebujemezatavenú 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, kamklesla ortuť (obr. B). Vzdialenosť medzi týmito dvoma označeniami rozdelímena 100 dielikov (obr. C). Jeden dielik značí 1 °C.A B Cmiesto, kdevystúpila ortuťpri vare vodyObr. 9 Zostrojenie stupnice teplomeramiesto, kdeklesla ortuť pritopiacom sasnehu aleboľade100 dielikovObr. 8 Laboratórny teplomerPOZNÁMKAV teplomeroch sa ešteaj dnes používa náplň ortuť.Rozbitý teplomer i so zvyškamiortuti (ortuť posypeme práškovousírou) je nutné zozbierať a vložiťdo uzavretej nádoby. Nádobutreba dobre uzavrieť a odovzdaťako nebezpečný odpad.Ortuť môže spôsobiť vážnezdravotné problémy. Jedovatévýpary z kvapalnej ortuti môžupreniknúť do organizmu nielenvdychovaním, ale aj kožou. Ortuťsa pri vdychovaní dostáva až dopľúc a pri dlhodobom pôsobenímôže spôsobiť ich zlyhanie. Pretoby sa s ortuťovými teplomerminemalo pracovať a nahrádzajú sadigitálnymi, prípadne liehovými.Teplota. Skúmanie premien skupenstva látok 9

1. Teplota a časTeplota varu vody je označená ako 100 °C a teplota topiacehosa ľadu je 0 °C. (Za určitých podmienok – dohodnutom tlaku vzduchunad hladinou kvapaliny.)Pri každom meradle si obvykle všímame rozsah jeho stupnice. Toznamená, že zistíme, akú najväčšiu a najmenšiu hodnotu fyzikálnejveličiny môžeme meradlom odmerať. Laboratórnym teplomerom naobrázku 8 môžeme merať teplotu maximálne do 100 °C a najnižšiuteplotu do -10 °C, 1 dielik = 1 °C. Lekárskym teplomerom potrebujemeurčovať teplotu ešte presnejšie – na 0,1°C. Teda pri starších kvapalinovýchlekárskych teplomeroch 1 dielik = 0,1 °C.Pred každým meraním teploty je dôležité si premyslieť, aký teplomerje vhodný. Laboratórny teplomer nie je vhodný na meranie teplotyľudského tela a lekársky teplomer sa zasa nedá použiť na meranie teplotyvody, ktorú zohrievame až po teplotu varu.Obr. 10 Odčítavanie teplotyzo stupnice teplomeraAby naše merania teploty boli čonajpresnejšie, musíme pri nichdodržiavať tieto pravidlá:1. Na každé meranie teplotysi vyberieme teplomers primeraným rozsahommerania teploty, teda s ohľadomna najnižšiu a najvyššiu teplotu,ktorú môžeme teplomeromodmerať.2. Dôležité je zistiť, v akýchjednotkách je zostrojenástupnica teplomera, prípadnepri digitálnych teplomeroch,v akých jednotkách je uvedenáhodnota teploty na displeji.3. Pri teplomeroch so stupnicouje potrebné zistiť, akýteplotný rozdiel zodpovedánajmenšiemu dieliku stupnice.Pri digitálnych teplomerochsi musíme zistiť, s akoupresnosťou sú udávanénamerané hodnoty na displeji.Obr. 11 Rôzne druhy teplomerovNa obrázku 11 sú rôzne druhy teplomerov a aj ich princípy meraniasú rôzne. Napríklad kuchynský teplomer patrí medzi teplomery, ktorévyužívajú rozťažnosť kovov pri ich zahrievaní. Spojené dva pásiky rôznychkov – bimetal (obr. 12) – sú zvinuté do špirály spojenej s ručičkou.Vplyvom zohrievania sa jeden kov roztiahne viac ako druhý. Zmenouteploty sa mení dĺžka špirály, čo má vplyv na pohyb ručičky teplomera.špirála z dvochkovov – bimetalObr. 12 Bimetalický teplomer a špirála z dvoch kovov10 Teplota. Skúmanie premien skupenstva látok

1.1 Meranie teploty. Teplomersenzorprevodník –číselne vyjadrínameranúteplotuObr. 13 Počítačové snímanie teploty senzorom teploty – elektronickým teplomeromEšte 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.AÚlohaBOdpovedz:1. Aké najvyššie a najnižšie teploty možno odmerať na laboratórnoma 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 úlohylátkaortuťliehteplota [°C]varu tuhnutiaTeplota. Skúmanie premien skupenstva látok 11

1. Teplota a časVieš, že...... taliansky fyzikGalileo Galileibol, podľa historickýchúdajovz r. 1638,jedným z konštruktérovpredchodcu teplomera? Tentoprístroj sa volal vzduchovýtermoskop.Termoskop pozostávaz tenkej sklenej trubičky zakončenejbankou. Banku vrajG. Galilei držal v rukách, abysa zohriala. Vzduch zväčšilsvoj objem. Potom ponorildruhý, otvorený koniec kapilárydo nádobky so zafarbenouvodou. Banka postupnechladla, vzduch v nejzmenšil svoj objema do kapiláry vniklavoda. Tento vzduchovýtermoskop nemeralteplotu, ale lenjej zmeny.Dostupné nawww.amavet.sktermoskop2. Na obrázkoch A, B, C a D sú znázornené etapy zostrojovania Celziovhoteplomera, ich poradie však nie je správne. Navrhni poradiekrokov pri zostrojení teplomera tak, že správne zoradíš písmená odzačiatočnej etapy po konečnú. Správne zoradenia môžu byť aj dve.Postup pri zostrojení stupnice teplomera3. Na obrázku sú schémy rôznych teplotných stupníc. Vyber stupnice,ktoré majú rovnakú hodnotu jedného teplotného stupňa.CelziovastupnicaA B C D100 °C0 °C212 °F32 °FFahrenheitovastupnica373,15 K273,15 KTermodynamickástupnica80 °R0 °RRéaumurovastupnica4. 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 nameranánajnižšia teplota -18 °C. Aký je rozdiel medzi maximálnou a minimálnouteplotou?Domáca príprava na vyučovanieSkús 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

1.2 Meranie času.Meranie teploty v priebehu časuV dávnej minulosti ľudia určovali čas podľa striedania dňa a noci,stačilo im pozorovať pohyb Slnka po oblohe. Z pozorovania Mesiacaurčovali čas na mesiace a zo striedania ročných období zasa na roky. Naurčovanie času používali pravidelne sa opakujúce deje.Na meranie času využívali ľudia najrôznejšie spôsoby už dávno prednaším letopočtom. Zachovali sa záznamy o sviečkových či vodnýchhodinách a dodnes možno vidieť slnečné alebo presýpacie hodiny. Prikonštrukcii hodín sa využívajú rôzne pravidelne sa opakujúce deje, napríkladkývanie kyvadla, presýpanie istého množstva piesku, zhoreniečasti sviečky a pod.Prvé presnejšie hodiny – kyvadlové – zostrojil v roku 1656 HolanďanChristiaan Huygens (čítaj hajchens). Dnes sa na veľmi presné určovaniečasu používajú atómové hodiny, ktoré sa omeškajú menej ako o jednusekundu za milión rokov.slnečnéObr. 14 Rôzne druhy hodínpresýpacie, stopkydigitálneČas 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 min60 min = 1 h1 h = 3 600 s1 d = 86 400 sPri niektorých činnostiach treba merať teplotu v pravidelných časovýchintervaloch, napríklad: meteorológovia pri sledovaní počasia,zaznamenávanie teploty vody v kotolniach, pri tavení ocele, ale aj pritepelnom spracovaní potravín či laboratórnych výskumoch.V nasledujúcej úlohe sa naučíme zaznamenávať v pravidelných časovýchintervaloch teplotu do tabuľky.kyvadlovéPOZNÁMKA:Fyzikálne veličiny teplotaa čas majú rovnaké značky. Lenz kontextu vieme určiť, ktorúfyzikálnu veličinu znak t označuje.Teplota. Skúmanie premien skupenstva látok 13

1. Teplota a časÚlohaPracuj v skupine.Každú minútu zmeraj teplotu vody počas jej zohrievania vo varnejkanvici. Zohrievaj vodu maximálne po 70 °C.Pomôcky:laboratórny teplomer, stojan, varná kanvica, stopkyPostup: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 teplotyteplota [°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?10090807060504030201000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 čas [min]V meteorológii sa sleduje teplota vzduchu v pravidelných časovýchintervaloch (napríklad vždy po uplynutí jednej hodiny) a vypočítavajúsa priemerné hodnoty teploty. Priemernú hodnotu dennej teploty zadeň vypočítame, keď:– sčítame všetky hodnoty teploty namerané v priebehu dňa v pravidelnýchčasových intervaloch, napríklad medzi šiestou a osemnástouhodinou,– súčet vydelíme počtom meraní.POZNÁMKA:Pri zostrojovaní grafu môžešvyužiť program Kanvica.cmaDostupný nawww.fyzikus.fmph.uniba.skPriemernú hodnotu teploty možno vypočítať aj za jednotlivé mesiaceči roky. Hodnotu priemernej teploty možno zaznačiť aj do grafu akorovnú čiaru rovnobežnú s časovou osou (napríklad do grafu k úlohe 5na strane 16).Rieš úlohy1. Premeň jednotky času:24 h = .............................. min = ............................. s1 h 30 min = .................. min = ............................. s3 h 5 min 2 s = .............. min = ............................. s2. Zmeraj teplotu vzduchu niekoľkokrát v priebehu dňa vždy po uplynutítoho istého časového intervalu. Vypočítaj priemernú teplotuza celý deň.Pomôcky:okenný teplomer14 Teplota. Skúmanie premien skupenstva látok

1.2 Meranie času. Meranie teploty v priebehu časuPostup: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 dňaDátum:číslo merania 1. ráno 2. poludnie 3. popoludní 4. večerčas [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 počasdňa?2. Pri ktorom meraní bola teplota vzduchu najbližšia k priemernejteplote?3. Ako si vypočítal priemernú teplotu?3. Pozri si cestovný poriadok Tatranskej elektrickej železnice. Vlak vychádzazo zastávky Poprad-Tatry a konečnú zastávku má na ŠtrbskomPlese.POZNÁMKA:Úloha je rozšírená aj prepočítačové spracovanie. Mô žeš využiťprogram PopradCesta.cmaDostupný nawww.fyzikus.fmph.uniba.ska) Ako dlho sa cestuje z Popradu-Tatier na Štrbské Pleso, ak nastúpimedo 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 olympijskývíťaz vo vytrvalostných behoch. Zisti, za aký čas zabeholtrať dlhú 10 km pri vytvorení svetového rekordu.c) Za aký čas prebehol posledný Košický maratón jeho víťaz?Emil ZátopekTeplota. Skúmanie premien skupenstva látok 15

1. Teplota a čas5. Na grafe je zaznamenaná teplota v priebehu dňa.a) Doplň do tabuľky Hodnoty teploty a času namerané v priebehudňa údaje odčítané z grafu. (Tabuľku si prepíš do zošita.)222018161412108642teplota [°C]Graf závislosti teploty od času v priebehu dňa00 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24čas [h]Tabuľka: Hodnoty teploty a času namerané v priebehu dňačas [h]teplota [°C]b) Vypočítaj priemernú teplotu z nameraných hodnôt.c) Čo znamená prerušovaná čiara na grafe?Vieš, že...... princíp kyvadla objavil okolo roku 1600Galileo Galilei pri pozorovaní kolísajúceho salustra? Zistil, že každý kmit trvá rovnaký časbez ohľadu na to, ako ďaleko sa luster vychýlia čas trvania kmitu závisí od dĺžky povrazu.Prvé patentovanékyvadlové hodinyV roku 1657 holandský fyzik ChristiaanHuy gens (na obrázku) využil kyvadlo na zostrojeniehodín a dostal patent na kyvadlovéhodiny.Christiaan Huygens(1629 – 1695)Dostupné na www.converter.cz/fyzici/huygens.htmwww.gjar-po.sk/heureka/ucastnici/mvs/hodiny/kyvadlo.htm16 Teplota. Skúmanie premien skupenstva látok