Vlyv tlaku na var vody - videodemonštrácie
Fyzikálne video-experimenty
Hlavná ponuka:
Vplyv tlaku na var vody
Motivácia
Podľa doktora Jána Rybáka z Astronomického ústavu Slovenskej akadémie vied v Tatranskej Lomnici, ktorý sa na Lomnickom štíte venuje výskumu slnečnej aktivity, nie je možné v astronomickom observatóriu na Lomnickom štíte uvariť dobrú zalievanú kávu a obedy sú tam väčšinou pripravované v tlakových hrncoch. Prečo je to tak?
Experiment
Video experimentu 
Použité pomôcky
- vákuový zvon
- výveva
- pohár s vodou
Vysvetlenie
Skupenskú premenu vody na paru nazývame vyparovanie. Nastáva z voľného povrchu kvapaliny pri každej teplote, pričom najrýchlejšie molekuly dokážu z kvapaliny uniknúť a v priestore nad ňou vytvoriť paru. Celkový tlak plynov nad kvapalným povrchom tvorí tlak pár a ostatných zložiek vzduchu. Napríklad tlak vodných pár pri normálnom atmosférickom tlaku (101,3 kPa) je 3167,7 Pa pri teplote 25°C, pri teplote 50°C je 12334 Pa a pri 90°C dosahuje hodnotu 70095 Pa. Pri zohrievaní kvapaliny sa začnú tvoriť bublinky pary aj v jej vnútri po dosiahnutí určitej teploty. Tie zväčšujú objem a vystupujú na voľný povrchu kvapaliny (viď. video, čas 0:14 -0:16). Ak sa tlak pár vo vnútri bublín vyrovná tlaku nad kvapalným povrchom nastane var. Teplota, pri ktorej kvapalina vrie, sa nazýva teplota varu a jej hodnota sa počas varu nemení. Pri normálnom tlaku vrie voda pri 100°C (normálna teplota varu vody).
Teplota varu vody závisí od tlaku, čo vyplýva aj z grafickej závislosti na obr.1. Pri zníženom tlaku voda vrie pri nižšej teplote. Naopak pri vyššom tlaku, voda vrie pri vyššej teplote. Napríklad pri tlaku 19,9 kPa je teplota varu vody 60°C, pri tlaku 198,5 kPa vrie pri 120°C.
Obr.1
Pre úzky interval hodnôt tlakov (90 - 107 kPa) je možné závislosť teploty vary vody vyjadriť rovnicou
t (°C) = 71,6 + (7/25).p (kPa),
v tomto rozsahu tlakov je závislosť teploty približne lineárna (obr.2).
Obr.2
Na video-experimente je pohár s vodou umiestnený vo vákuovom zvone. Teplota vody je 42°C a tlak okolia 100 kPa, čo je približne hodnota normálneho tlaku, pri ktorom voda vrie pri 100°C. Zmenou tlaku v vákuovom zvone (vývevou sa vysaje vzduch), klesne tlak na hodnotu 40 kPa, tým klesne teplota varu vody v pohári. Voda v pohári začne vrieť už pri teplote 41,6°C.
Na Lomnickom štíte voda zovrie už pri približne deväťdesiatich stupňoch Celzia, môže za to nízky tlak vzduchu. Zo zväčšujúcou sa nadmorskou výškou, vzduch sa stáva redším, a tým klesá aj jeho tlak. Klasická zalievaná káva, by sa mala zalievať vriacou vodou teploty 100°C. Nižšia teplota varu vody, preto ovplyvní kvalitu a chuť zalievanej kávy. Súčasne môže vplývať na var niektorých jedál, ktoré na uvarenie potrebujú viac tepla, ako to, ktoré vznikne pri 90°C. Preto na astronomickom observatóriu na prípravu jedál používajú tlakové hrnce, v ktorých je tlak nasýtených pár väčší ako atmosférický tlak. Voda v tlakovom hrnci vrie prie vyššej teplote ako 100°C, čo urýchli tepelné spracovanie potravín a súčasne zabezpečí potravinám potrebné teplo na uvarenie.
Otázky
1. Ako sa mení teplota kvapaliny dodávaním tepla pri jej vare?
2. Uveďte, ako sa mení teplota varu vody so zmenou vonkajšieho tlaku.
3. Vysvetlite, za akých podmienok môže voda vrieť už pri izbovej teplote.
4. Vysvetlite, prečo sa vo vysokých horách nedá uvariť fazuľa?
5. Prečo sa stáva, že obsah hrnca niekedy vyvrie?
6. Pozrite video a vysvetlite, prečo sa vo vode tvoria bublinky?
Ak nevieš odpovedať na otázky, pozri si ešte raz video.
Použité zdroje:
Blaško M., Gajdušek, J., Kireš, M., Onderová, Ľ. 2004: Fyzika mmolekulová fyzika a termodynamika. 1.vydanie. Bratislava. SPN - Mladé letá, s.r.o. 2004. ISBN 80-10-00008-6.
Klein, E., Lukeš, V. 2000: O fyzike trochu inak. 1. vydanie. Bratislava. Vydavateľstvo perfekt. 2000. ISBN 80-8046-147-3.
http://www.converter.cz/tabulky/teplota-varu-vody.htm
http://fyzikalnipokusy.cz/1671/zavislost-teploty-varu-vody-na-tlaku
http://spravy.pravda.sk/domace/clanok/173814-za-zulovou-hradbou-vrie-voda-skor-a-pracovny-cas-diktuje-pocasie/
https://www.youtube.com/watch?v=xnr71J8rNSE