Zaujal vás nějaký fyzikální jev? Nevíte si rady s jeho vysvětlením? Neváhejte a napište nám svůj dotaz!
nalezeno 18 dotazů obsahujících »rovnovážné«
2) Měření vysokých teplot
28. 07. 2008
Dotaz: Dobry den, rád bych se zeptal jakym způsobem (jak přesně) se meří vysoké
teploty. Třeba teploty na Slunci. (Jiří Orsava)
Odpověď: Vysoké teploty se pravidelně měří tím, že se zkoumá emitované záření.
Každé těleso o libovolné teplotě T > 0 K je - pokud je v rovnováze - obklopeno elektromagnetickým zářením s intenzitou a frekvenční strukturou odpovídající příslušné teplotě. Speciálním případem je tzv. černé těleso, které neselektivně pohlcuje veškeré záření, které na něj
dopadne, a rovněž neselektivně vyzařuje; frekvenční rozklad jeho záření byl jeden z důvodů k objevu a zavedení kvantové fyziky, jak asi víte z historie. Frekvenční hustota záření černého tělesa je dána Planckovým
vyzařovacím zákonem. V něj je teplota tělesa jako parametr, a je tedy v principu snadné určit tuto teplotu porovnáním se známým rozložením.
Reálná situace je komplikovanější tím, že nemusí jít o černé těleso, a taky nemusí být v rovnováze. Na druhou stranu je vždy nutno také uvážit, do jaké míry je reálné vyžadovat existenci a znalost "přesné teploty", a to zejména nejde-li o rovnovážný stav. Striktně vzato, je teplota stejně definována jen pro těleso v rovnováze. (Máma měřící teplotu nemocného děcka musí taky počkat, až kulička teploměru bude v rovnovážném stavu s tělem pacienta, jinak - bez rovnováhy - nemá údaj
smysl.)
Dotaz: Vysvětlete funkci bezkontaktního teploměru pro měření teploty lidského těla,
zejména kalibraci (J.Kozlovský)
Odpověď: Každé těleso sestává z elektricky nabitých částic (elektrony, protony). Tyto částice kmitají, a to tím více, čím je těleso teplejší. Tím ale vytvářejí elektromagnetické záření, čímž těleso ztrácí energii. Těleso ale také pohlcuje elektromagnetické záření vydávané okolními tělesy, čímž energii získává. Podle Stefanova-Boltzmannova zákona je těleso teploty T v rovnovážném stavu s elektromagnetickým polem, které nese energii rozloženou s hustotou úměrnou čtvrté mocnině teploty vyzařujícího tělesa. Vy sám, sedíte-li v klidu v místnosti, vyzařujete kolem sebe výkon zhruba 1 kW. Na druhou stranu ale předměty kolem Vás (o něco chladnější), vyzařují rovněž, a vy od nich přijímáte asi 900 W, takže vyzařujete (a průběžně potřebujete doplňovat) asi 100 W. Pokud
např. z jedné strany toto teplo nedostáváte - např. je tam otevřený mrazák o podstatně nižší teplotě, pak to pociťujete tak, že "na vás čiší chlad".
Ve vyzařovaném elektromagnetickém záření jsou různé frekvence zastoupeny s různou intenzitou. Frekvence odpovídající maximální intenzitě roste úměrně teplotě, odpovídající energie se čtvrtou mocninou teploty. Při "pokojových teplotách" leží maximum ve vzdálené infračervené oblasti (často se mluví o "tepelném záření"). Stačí tedy mít čidlo dostatečně citlivé na infračervené záření v této oblasti a měřit, kolik záření přijímá.
Kalibrovat takový teploměr lze nejjednodušeji měřením záření z lázně známé teploty (změřené třebas obvyklým dostatečně přesným rtuťovým teploměrem).
Dotaz: Proč je rovnovážnému stavu voda, led a nasycená pára
přiřazena termodynamická teplota 273,16 K, ale při převodech na stupně celsia se
používá vztah t = T - 273,15? Kam se poděla ta jedna setinka? Díky Honza (jan)
Odpověď: Nejde o zaokrouhlování, ale o dvě různé teploty. 273,16 K neboli 0,1°C je teplota trojného bodu vody, tedy teplota, při níž může zároveň existovat voda, led a nasycená vodní pára. Tato situace nastává při tlaku 610,6 Pa (což je pouhá 1/166 normálního tlaku, na nějž jsme zvyklí, tedy tlak velmi nízký). Tato teplota se používá dle mezinárodních dohod k definici termodynamické teplotní stupnice.
Teplota 273,15 neboli 0°C je teplota, při níž dochází za normálního tlaku k fázovému přechodu vody a ledu. I tato teplota bývala používána k definici některých teplotních stupnic, nejznámější z nich je Celsiova stupnice.
Dotaz: Dobrý den přeji. Mám dotaz: Při jaké teplotě začne vařit voda pod tlakem
28Atm.Při stoupajícím tlaku je tato teplota úměrná? Děkuji za odpověď. Ryska
Pavel (Pavel Ryska)
Odpověď:
Při tlaku 28 atm (tedy přibližně 2,8 MPa) vře voda při teplotě asi 227 °C. Závislost teploty varu na tlaku přímo úměrná není.
Obšírnější odpověď
K hlubšímu pochopení doporučuji nejprve se seznámit s pojmem sytá pára (před časem jsme o tom psali něco i v odpovědně).
Kapalina (tedy i voda) začne vřít tehdy, když tlak sytých par této kapaliny (v případě vody jde o syté vodní páry) dosáhne okolního tlaku. Ve fázovém diagramu je závislost tlaku sytých par na teplotě znázorněna tzv. křivkou sytých par, tedy takovými tlaky a teplotami, při kterých je kapalina v dynamické rovnováze se svými parami.
Na svislé ose je tlak v pascalech v logaritmické škále. Logaritmická škála je použita proto, aby v grafu bylo možno dobře znázornit obrovský rozsah tlaků od 0 Pa do 1012 Pa). Na vodorovné ose je teplota v kelvinech. Vapor označuje oblast, tlaků a teplot, při kterých je H2O v plynné fázi, liquid označuje kapalnou fázi, solid pevnou fázi (led), přičemž římské číslice označují různé krystalové modifikace ledu (my se pochopitelně v běžných podmínkách setkáváme pouze s hexagonální krystalovou modifikací Ih, ostatní tlaky a teploty jsou značně neběžné). Tlusté čáry označují rovnovážné tlaky a teploty mezi jednotlivými fázemi. Lze tak například snadno odečíst, že při tlaku 105 Pa (1 atm) je rovnovážná teplota mezi kapalinou a plynem (vodní párou) asi 380 K, tedy 100 °C. Jinými slovy při atmosférickém tlaku voda vře při teplotě 100 °C.
Posuneme-li se na křivce poněkud doleva, můžeme odečíst, že např. při tlaku 103,5 Pa vře voda při asi 290 K, což je asi 20 °C. Ještě více vlevo narazíme na tzv. trojný bod, ve kterém se stýkají křivka vypařování, křivka tání a křivka sublimace - při tomto tlaku a teplotě (a jen při nich) může existovat rovnováha mezi všemi třemi skupenstvími.
Posuneme-li se na křivce vypařování naopak doprava, můžeme z grafu odečíst třeba teplotu varu při oněch 28 atm. 28 atm je přibližně 2,8 MPa, což je asi 106,4 Pa. Tomu v grafu odpovídá hodnota přibližně 500 K, tedy 227 °C. Ještě více vpravo, při teplotě 647 K (374 °C) a tlaku asi 22 MPa (přibližně 107,3 Pa), je červeným puntíkem označen tzv. kritický bod, ve kterém je hustota plynu tak velká, že se vyrovná hustotě kapaliny - fázové rozhraní mezi kapalinou a plynnou látkou mizí. Jinými slovy: při vyšších teplotách a tlacích už nemá smysl rozlišovat mezi kapalinou a plynem, mluvíme pouze o tekutině. A proto při vyšších tlacích žádný var pozorovat nelze.
Shrnutí
Při tlaku 28 atm (tedy přibližně 2,8 MPa) vře voda při teplotě asi 227 °C. Závislost teploty varu na tlaku lze vyčíst z fázového diagramu, nejedná se o přímou úměrnost. Dokonce při tzv. kritickém tlaku (asi 22 MPa) tato křivka končí - při tlacích vyšších než je kritický tlak k varu vůbec nedochází.
Poznámka na závěr pro hloubavé
Z grafu se zdá, že s rostoucím tlakem roste rychlost zvyšování teploty varu (pro znalce: druhá derivace funkce p(t) je záporná). Jedná se ale jen o optický klam způsobený logaritmickou stupnicí. Ve skutečnosti se s rovnoměrným zvyšováním tlaku rychlost růstu teploty varu zpomaluje.
Odkaz pro hravé
Na http://www.partyman.se/calculator.html je kalkulátor, který s využitím Clausiovy-Clapeyronovy rovnice počítá ze zadaného tlaku teplotu varu, případně k dané teplotě varu dopočítává příslušný tlak. Pozor na to, že tento kalkulátor vypočítává i fiktivní hodnoty v oblasti nadkritických teplot a tlaků a také dovoluje vkládat teploty pod absolutní nulou (menší než -273 °C). Ani jedno neodpovídá realitě.
Dotaz: Dobrý deň, doposiaµ neúspešne hµadám graf bodu varu butánu v závislosti na
teplote a tlaku. Prosím poraďte, kde by som ho mohol nájsť. Ďakujem. (Daniel Spišák)
Odpověď: Graf závislosti teploty varu butanu (n-butanu, tj. lineárního izomeru) na tlaku, resp. graf závislosti rovnovážné tenze páry butanu na teplotě, je zde:
Graf je uprostřed stránky, pozor, tlak je uveden v mm rtuťového sloupce (1mmHg
= 133,33 Pa) a osa má logaritmické měřítko, tj. červená mřížka zobrazuje jednotlivé desetiny (různě velké!) příslušného úseku vymezeného dvěma azurovými vodorovnými linkami. V tabulce nad grafem jsou uvedeny některé dvojice hodnot.
