Kdy voda vaří? Tlak (Vliv okolního tlaku na teplotu varu)

I. Provedení pokusu

Pomůcky

Rychlovarná konvice (nebo plotýnka a hrnec)
Injekční stříkačka (ideálně o objemu 5 ml až 20 ml)
Teploměr
Voda

Popis

V první části pokusu změříte přesnou teplotu varu vody za aktuálních atmosférických podmínek přímo u vás v učebně. Ve druhé části pak budete demonstrovat závislost bodu varu na tlaku okolního prostředí. Pomocí injekční stříkačky vytvoříte nad hladinou teplé vody podtlak, čímž vyvoláte var i při teplotě, která je výrazně nižší než obvyklých 100 °C. Vaším cílem bude na vlastní oči sledovat, jak tlak vzduchu ovlivňuje fázovou přeměnu kapaliny v plyn.

Princip

Bod varu kapaliny není konstantní, ale závisí na okolním tlaku. Aby se kapalina začala vypařovat v celém svém objemu (var), musí být tlak jejích nasycených par roven tlaku okolí. Snížením tlaku ve stříkačce (vytvořením podtlaku pomocí pohybu pístu) dovolíte molekulám vody přejít do plynného skupenství mnohem dříve – tedy při nižší vnitřní energii (teplotě). Proto voda při 70 °C v podtlaku vře, zatímco za běžného atmosférického tlaku zůstává v kapalném stavu.

Pozor!

Nebezpečí opaření! Při manipulaci s horkou vodou buďte opatrní. Při práci se stříkačkou na píst netlačte (mohlo by dojít k vystříknutí horké vody), ale pouze tahejte! Dbejte na to, aby byl výstup stříkačky bezpečně uzavřen prstem.

Postup

Příprava: Do rychlovarné konvice vložte sondu teploměru tak, aby se nedotýkala dna, a zapněte ji.
Ohřev: Sledujte nárůst teploty a zaznamenejte si přesnou hodnotu, při které voda začne vřít (bod varu při aktuálním atmosférickém tlaku).
Chladnutí: Nechte vodu v konvici zchladnout na přibližně 80 °C (kontrolujte teploměrem).
Nasátí: Do injekční stříkačky naberte malé množství (cca 1 ml) této teplé vody tak, aby v ní zůstalo co nejméně vzduchu.
Podtlak: Výstup stříkačky pevně ucpěte prstem a druhou rukou silně a plynule zatáhněte za píst směrem ven.
Pozorování: Pozorujte bouřlivý var vody uvnitř stříkačky a experiment opakujte s vodou o různé teplotě (např. 70 °C, 60 °C).

Poznámky

K zamyšlení: Jak si horolezci na Mount Everestu (kde je nízký tlak) uvaří vajíčko, když jim tam voda vře třeba už při 71 °C? (Trvá to mnohem déle, nebo musí použít uzavřenou tlakovou nádobu – papiňák).

Výzva: Zkuste zjistit, při jaké nejnižší teplotě se vám ještě podaří silou svalů vyvolat var ve stříkačce.

Zajímavost: V hlubokém vakuu by se voda začala vařit i při pokojové teplotě nebo dokonce při teplotě blízké nule.

Provázanost

Tento pokus přímo souvisí s následujícím experimentem „Kdy voda vaří? Sůl“, kde zkoumáme chemické ovlivnění bodu varu. Dále navazuje na téma „Tlak, teplota, objem (Ten plyn je prostě ideální!)“, kde se hlouběji zabýváme stavovým chováním látek.

II. Pracovní list – protokol

Kdy voda vaří? Tlak (Vliv okolního tlaku na teplotu varu)

Jméno: _____________________________ Datum: ___________

Pojmy

Vyjmenujte klíčové fyzikální pojmy, se kterými jsme se dnes seznámili.

Fázová přeměna, var, skupenské teplo varu, atmosférický tlak, podtlak, nasycená pára.

Poučka

Jakou zákonitostí chceme ověřit? Napište sem vzorec, definici, nebo fyzikální poučku, kterou ověřujeme.

S klesajícím okolním tlakem klesá i teplota varu kapaliny. (Předpokládáme, že vytvořením podtlaku ve stříkačce vyvoláme var vody i při teplotě nižší než 100 °C.)

Pozorování

Nezávislá proměnná (Co jsme v pokusu ovlivňovali)

Jakou veličinu v pokusu měníme?

Tlak uvnitř injekční stříkačky (taháním za píst).

Čím jsme změnu měřili a kontrolovali?

Subjektivní silou tahu za píst a polohou pístu.

Závislá proměnná (Co jsme z pokusu vypozorovali)

Jaká veličina se v pokusu mění?

Skupenství vody (vznik bublin páry v celém objemu – var).

Čím jsme tyto změny měřili?

Vizuálním pozorováním (vzhled bublin) a teploměrem (měření počáteční teploty).

Poznatek

Co jsme zjistili? Naměřená závislost obou proměnných. Vlastními slovy vyjádřete, co jste v pokusu (ne)ověřili.

Když jsme ve stříkačce udělali podtlak, voda v ní vařila i při teplotě pouhých 80 stupňů C.

Praxe

Kde se s tímto principem setkáme v běžném životě?

Vaření ve vysokohorském prostředí: Voda vře při nižší teplotě, příprava potravin trvá déle.

Vakuové vymrazování (lyofilizace): Odpařování vody za nízkého tlaku při výrobě instantní kávy nebo sušeného ovoce.