Zaujal vás nějaký fyzikální jev? Nevíte si rady s jeho vysvětlením? Neváhejte a napište nám svůj dotaz!
nalezeno 9 dotazů obsahujících »studenější«
1) Mpemba effect (Mpembův jev)
15. 08. 2007
Dotaz: Dobrý den Můj dotaz je ohledně mrznutí vody. Je pravda, že voda o vyšší teplotě
(např.: 8°C) zmrzne rychleji, než voda o teplotě menší (např.: 5°C)? (Petr Rudolf)
Odpověď: Doporučuji, abyste si to sám vyzkoušel. Budeme rádi, když nám pak podáte zprávy o svém experimentování, ať už to dopadne jakkoliv.
Zmíněný jev je v odborné literatuře znám pod názvem Mpemba effect (Mpembův jev) podle spoluautora článku, díky kterému bylo toto téma v minulém století "znovuobjeveno".
Mrznutím vody jsem se zabýval ve své
diplomové práci, z níž zkráceně ocituji závěr:
Teplejší voda skutečně může za stejných výchozích podmínek (až na rozdílné počáteční teploty) zmrznout v celém svém objemu dříve než voda původně studenější. Není to však pravidlem a zdá se to být spíše méně obvyklé. Velká popularita Mpembova jevu (otázka „Která voda zmrzne nejdřív – studená, nebo teplá?” zazněla dokonce v pořadu Nikdo není dokonalý) při jeho ve skutečnosti poměrně nesnadném pozorování (jednak proto, že často vůbec nenastane, jednak proto, že pokud nastane, nemusí být příliš výrazný) spočívá patrně v jeho zdánlivém rozporu s fyzikálními principy. Při bližším pohledu se však tento paradox dá objasnit způsoby přístupnými i středoškolským studentům.
Nejvýrazněji se Mpembův jev projeví v prostředí pokrytém ledem a sněhem (venku na mrazu nebo v poněkud zanedbané mrazničce). Nádoba s horkou vodou se může do takového podkladu protavit, a získat tak výrazně lepší tepelný kontakt s okolím. V praxi pak může rozdíl časů od počátku chlazení až do úplného ztuhnutí pro horkou a pro studenou vodu činit desítky procent.
Původně teplejší voda může zmrznout dříve než voda původně studenější také v případě, kdy se dostatečná část původního objemu díky vyšší teplotě odpaří. Tuhnutí pak probíhá v menším množství vody. Pečlivá hospodyně by si tedy mohla za jistých okolností všimnout, že rychleji získá kostky ledu v případě, kdy vodu před umístěním do mrazicího boxu ohřeje v rychlovarné konvici nebo mikrovlnné troubě. Doporučit jí takový postup ale můžeme jen sotva, protože je skoro určitě výhodnější dát do nádoby vodu studenou a rovnou snížit její množství o to, co by se bývalo vypařilo z horké vody.
Další okolností, která nesporně Mpembův jev podporuje, je přechlazení vody (to je jev, kdy voda zůstává při běžném tlaku v kapalné fázi i při teplotách pod nulou) – to ale pouze v případě, že se původně teplejší voda přechladí méně (tj. na vyšší teplotu) než voda původně studenější (jde o nutnou podmínku). Mpembův jev nastane tím spíše, čím více se teplota přechlazení původně teplejší vody blíží teplotě tuhnutí, případně čím více se teplota přechlazení původně studenější vody blíží teplotě v mrazničce. Přechlazování vody je ovšem do značné míry jev náhodný, takže spoléhat se na něj v jednotlivých pokusech nemůžeme.
Výše uvedené závěry jsem teoreticky i experimentálně ověřil. V citované práci si můžete přečíst o dalších okolnostech, které by mohly mrznutí vody ovlivňovat, najdete tam také odkazy na související články.
Dotaz: Při běžném doteku se člověku zdá, že např. ocel je studenější než dřevo,
přestože jsou dlouhodobě se stejných teplotních podmínkách, tedy jejich teplota
by měla být podle mě stejná. Je něco takového v ideálním prostředí se stejnou
teplotou možné? Nebo je to jen klam daný větší vodivostí některých materiálů -
takže odvedou či přivedou rychleji více či méně tepla z našeho těla? (Richard Votava)
Odpověď: Skutečně je to způsobeno různou tepelnou vodivostí (a někdy také různou tepelnou kapacitou) jednotlivých látek. Představte si, že máme prkno (kus dřeva) a ocelovou trubku, obojí o teplotě 15°C. Když se chytnu onoho prkna, moje ruka (která má teplotu řekněme 36°C) díky nízké tepelné kapacitě dřeva celkem rychle zahřeje tu část prkna, jíž se zrovna dotýká. Navíc se díky mizerné tepelné vodivosti dřeva toto teplo (předané při zahřívání kousku dřeva rukou) téměr neodvádí pryč. Dřevo si tedy vlastní tělesnou teplotou ruky zahřeju a nejen, že se mi pak dřevo zdá teplejší, ono v místě dotyku skutečně teplejší je. Pokud se za stejných podmínek chytnu ocelové trubky, bude teplo předávané mojí rukou trubce rychle odváděno do zbytku trubky, neboť kovy jsou dobré tepelné vodiče. V místě dotyku se mi tedy tu část trubky podaří zahřát podstatně méně, než dřevo, takže je trubka v místě dotyku sice trochu zahřátější než zbytek trubky, ale ne tak výrazně, jak je tomu v případě prkna. Trubka se mi jeví studenější, neboť v místě dotyku jsem si ji méně zahřál.
Opačná situace nastane v případě, že bude prkno i trubka mít teplotu vyšší, než je teplota mojí ruky. V tomto případě nedochází v místě dotyku k ohřívání, ale naopak k ochlazování materiálu prostřednictvím mojí ruky. Ocel (lepší tepelný vodič) se mi podaří rukou ochladit v místě dotyku méně, protože bude ochotněji přivádět teplo z ostatních částí trubky. V místě dotyku tedy bude reálně teplejší než dřevo.
Za zmínku ještě stojí skutečnost, že důležitou roli hraje i tepelná kapacita. Zatímco tepelná vodivost říká, jak rychle dokáže materiál odvádět teplo někam jinam, tepelná kapacita nám říká, jak moc dokáže materiál "skladovat" teplo sám v sobě. Když vstoupíte do sauny o teplotě třeba 80°C, celkem rychle ochladí vaše tělo vzduch ve svém těsném okolí (díky relativně nízké tepelné kapacitě vzduchu ve vaší těsné blízkosti) a nedojde k poškození vašeho zdraví. Pokud bych se ale rozhodl skočit do bazénku s vodou o teplotě 80°C, způsobím si značné zdravotní problémy (pokud to vůbec přežiju), neboť tepelná kapacita vody je veliká a moje tělo nezvládne dostatečně rychle ochladit vrstvu vody v mém těsném okolí. A nutno dodat, že zde se navic projeví i lepší tepelná vodivost vody.
Dotaz: Dobrý den, zajímalo by mě, proč když teplá voda stoupá nahoru (například princip ústředního teplovodního topení), vodní plochy zamrzají od shora (Vojta)
Odpověď: Souvisí to s tzv. anomálií vody. Hustota vody při 0°C je nižší než při teplotě 4°C. V rozmezí 0°C až 4°C tedy hustota vody s teplotou stoupá a bude se tedy chovat tak, že "těžší voda" (ta, co má vyšší hustotu a je tedy teplotně blíže 4°C) se bude snažit být níže než "lehčí voda" s teplotou blíže 0°C. Rybník v zimě tedy bude zamrzat od shora, noboť nahoře je studenější voda (a kromě toho hladina rybníka je účinněji ochlazována okolím než jeho dno). Pro vodu teplejší než 4°C je tomu ale s hustotou obráceně - zde platí, že teplejší voda má nižší hustotu, "je lehčí". Při teplotách nad 4°C proto teplejší voda stoupá vzhůru a chladnější klesá, čehož se využívá třeba právě ve zmíněném ústředním vytápění.
Může za to skutečnost, že kovy vedou teplo lépe než dřevo. Dřevo lze považovat za tepelný izolant. Když šáhnete na studený dřevěný předmět, ruka celkem rychle zahřeje povrch dřeva a předmět pak už nestudí. Položíte-li ruku na předmět kovový, dojde sice také k zahřívání povrchu kovu vaší rukou, z druhé strany (zevnitř předmětu) je však teplo z povrchu odváděno do zbytku předmětu a tím je povrch ochlazován.
Dotaz: Chtěla bych se zeptat, proč vydrží zmrzlina v termosce studená a čaj teplý? (petra)
Odpověď: Termoska je nádoba s dvojitými skleněnými stěnami, mezi kterými je
vyčerpán vzduch a stěny jsou zevnitř stříbrně pokoveny. Teplo se tedy
přes stěny špatně šíří, tepelnému záření brání kovový povlak, který
ho odráží, vedení a proudění je potlačeno tím, že mezi stěnami je
skoro vakuum. Teplo z čaje proto nemůže snadno unikat ven do
chladnějšího prostředí a obráceně teplo z venku se špatně dostává
dovnitř ke studenější zmrzlině.
