I. Provedení pokusu

Kdy voda zmrzne? (Fázová přeměna)

Pomůcky

Rychle reagující teploměr (např. PASCO s tenkým drátovým čidlem)
Malý kalíšek (např. plastový od smetany do kávy nebo od citronky)
(Výbornou pomůckou k tomuto pokusu je papírový kelímek s umělohmotným víčkem z mekáče!)
Voda
Mrazák (v zázemí kabinetu, školní kuchyňky nebo sborovny)
Lepicí páska nebo kolíček na prádlo (na spolehlivé zajištění čidla)

Popis

V tomto experimentu se zaměříte na detailní zkoumání teplotního chování vody během jejích fázových přeměn – konkrétně při tuhnutí a následném tání. Do malého kalíšku s vodou umístíte drátové čidlo teploměru tak, aby bylo plně ponořené, ale nedotýkalo se stěn. Na přístroji aktivujete režim vzdáleného sběru dat (Remote Logging), což vám umožní nechat senzor zavřený v mrazáku bez nutnosti mít u něj připojený mobilní telefon či tablet. Poté, co voda zcela ztuhne, kalíšek vyjmete a necháte led naopak roztát při pokojové teplotě. Data následně stáhnete do aplikace a budete analyzovat specifický průběh grafu závislosti teploty na čase.

Princip

Teplota vody při tuhnutí (ochlazování v mrazáku) ani při tání (ohřívání v místnosti) neklesá či neroste lineárně a plynule. V těsné blízkosti 0 °C se křivka na delší časový úsek zastaví a vytvoří charakteristickou vodorovnou „plošinu“ (tzv. teplotní plato). Tento jev je způsoben tím, že systém odevzdává nebo přijímá skupenské teplo. Při tuhnutí voda odevzdává energii okolí, aby se její volné molekuly mohly uspořádat do pevné krystalové mřížky ledu. Dokud neztuhne poslední kapka vody, vnitřní energie klesá, ale teplota směsi zůstává konstantní. Stejně tak při tání se veškeré dodané teplo z místnosti spotřebovává na rozrušení této krystalové mřížky, nikoliv na ohřev látky.

Pozor!

Při manipulaci s namrzlými plastovými a kovovými předměty uvnitř mrazáku buďte opatrní. Dejte také pozor při samotném mrznutí – led zvětšuje svůj objem přibližně o 9 %, tak abyste mechanickým tlakem nepoškodili či nepřiskřípli jemné drátové čidlo o okraj kalíšku.

Postup

Zajištění čidla: Připravte si čistý plastový kalíšek a pomocí lepicí pásky nebo kolíčku přes okraj v něm zafixujte drátové čidlo teploměru tak, aby viselo přesně ve středu budoucího objemu a nedotýkalo se dna ani stěn.
Naplnění vodou: Kalíšek opatrně naplňte běžnou vodou z kohoutku přibližně do 2/3 jeho celkového objemu.
Spuštění záznamu: V softwaru teploměru nastavte režim sledování a ukládání dat, zvolte vhodnou periodu vzorkování a spusťte měření.
Fáze mražení: Celou soupravu (teploměr a kalíšek s vodou) opatrně přeneste a vložte do mrazáku. Ponechte ji v uzavřeném mrazáku dostatečně dlouho (cca 20–30 minut), aby voda kompletně ztuhla na pevný led. Na mrazák si dejte telefon či PC a sledujte průběh teploty.
Fáze tání: Po dostatečně dlouhé době kalíšek s ledem a čidlem opatrně vyjměte z mrazáku, položte jej na stůl v učebně s pokojovou teplotou a nechte led přirozeným způsobem úplně rozmrznout zpět na kapalinu.
Stažení dat: Po úplném roztání ledu zastavte měření, připojte senzor, stáhněte uložená data a vyhledejte obě vodorovné části grafu v oblasti 0 °C.

Poznámky

K zamyšlení: Proč se vodorovná část grafu (teplotní plato) u tuhnutí v mrazáku a u následného tání v místnosti liší svou délkou (časem trvání)? Na jakých faktorech závisí rychlost přenosu tepla mezi okolním prostředím a kalíškem?

Zajímavost: Pokud byste použili naprosto čistou, destilovanou vodu bez jakýchkoli prachových mikročástic a nechali ji chladnout v mrazáku v absolutním klidu bez otřesů, mohla by nastat situace tzv. podchlazené vody. Teplota kapaliny klesne klidně na -5 °C, ale voda nezamrzne, protože nemá krystalizační jádro. Stačí však s kalíškem mírně klepnout o stůl a voda se bleskově během jediné sekundy promění v led.

Rozšíření: Zkuste identický pokus provést s roztáním běžného ovocného nebo tvarohového nanuku či slané vody. Bude se teplota tání této směsi rovnat přesně 0 °C jako u čisté vody? (Obsah solí, cukrů a tuků bod tuhnutí roztoků výrazně snižuje).

Provázanost

Tento experiment je základním stavebním kamenem pro pochopení termodynamiky fázových přeměn. Přímo na něj navazuje laboratorní úloha „Kdy se nám rozpustí nanuk?“, kde se zkoumá vliv příměsí ve vodě a experiment „Jak ochladit led?“, kde se využívá endotermických vlastností směsi drceného ledu a kuchyňské soli k dosažení teplot hluboko pod bodem mrazu.

II. Pracovní list – protokol

Kdy voda zmrzne? (Fázová přeměna)

Jméno: _____________________________ Datum: ___________

Pojmy

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

Tuhnutí (krystalizace), tání, skupenské teplo, fázová přeměna, bod mrazu (tuhnutí), konstantní teplota, krystalová mřížka.

Poučka

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

Během skupenské přeměny (změny fáze) zůstává teplota čisté látky konstantní, a to i přesto, že dochází k nepřetržité energetické (tepelné) výměně mezi zkoumanou látkou a jejím okolím.

Badatelská hypotéza: V grafu závislosti teploty na čase se při přechodu z kapalného skupenství do pevného (a naopak) v oblasti hodnoty kolem 0 °C objeví zřetelná vodorovná přímka (plato), která prokáže, že voda mrzne i taje při stále stejné, neměnné teplotě.

Pozorování

Nezávislá proměnná (Co jsme v pokusu ovlivňovali)

Jakou veličinu v pokusu měníme?

Teplotu okolního prostředí, které na vzorek působí (střídáme extrémně chladné prostředí mrazáku a teplé prostředí školní učebny).

Čím jsme změnu měřili a kontrolovali?

Fyzickým umístěním kalíšku do mrazicího boxu a jeho následným vyjmutím na stůl v přesně zaznamenaný čas.

Závislá proměnná (Co jsme z pokusu vypozorovali)

Jaká veličina se v pokusu mění?

Vnitřní teplota vody, respektive ledu uvnitř plastového kalíšku v závislosti na čase.

Čím jsme tyto změny měřili?

Digitálním teploměrem.

Poznatek

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

Analýzou dat z grafu jsme jasně vyčetli, že při poklesu teploty na hodnotu ______ °C se chladnutí vody zastavilo a teplota vykazovala konstantní hodnotu po dobu ______ minut, během kterých docházelo ke krystalizaci. Úplně stejný jev (vodorovná čára) se opakoval při tání ledu na vzduchu při teplotě ______ °C. Naše badatelská hypotéza o konstantní teplotě během probíhající fázové přeměny se tímto experimentem potvrdila.

(Pokud pokus „nevyšel“ podle teoretických předpokladů – např. graf neměl vodorovnou část, ale teplota plynule klesala hluboko pod nulu – mohlo to být způsobeno tím, že se drátové čidlo posunulo a dotýkalo se přímo podchlazené stěny kalíšku, vzorek byl vytažen z mrazáku příliš brzy před úplným zmrznutím, nebo došlo k chybě v nastavení časového kroku vzorkování dat v aplikaci).

Praxe

Kde se s tímto principem setkáme v běžném životě?

Zemědělství a ovocnářství: Ochrana kvetoucích stromů před jarními mrazíky pomocí postřiku vodou (tzv. protimrazová závlaha). Když na květech mrzne jemná vodní mlha, uvolňuje se do nich právě skupenské teplo tuhnutí, které udržuje teplotu rostlinných pletiv na bezpečné hodnotě kolem 0 °C a chrání pupeny před zmrznutím a zničením.