Zaujal vás nějaký fyzikální jev? Nevíte si rady s jeho vysvětlením? Neváhejte a napište nám svůj dotaz!
nalezeno 174 dotazů obsahujících »tlak«
49) 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: Čím se dá zvážit nebo zjistit hmotnost vzduchu kromě fyzikálních tabulek? (Michaela Marková)
Odpověď: Možností je několik, uvěďme proto jen dva příklady. Měřit můžeme třeba tak, že pumpičkou natlakujeme dostatek vzduchu třeba do PET láhve (musíme si k tomu vyrobit vhodný ventilek, např. cykloventilek vsazený do víčka láhve). Takto natlakovanou láhev zvážíme a výsledek si zapíšeme. Potom z láhve upustíme 1 litr vzduchu (dobře se to dělá třeba hadičkou do jiné láhve pod vodou) a takto odlehčenou láhev opět zvážíme. Rozdíl naměřených hmotností je pak hmotností jednolo litru vzduchu za běžného atmosférického tlaku.
Další možností je pak třeba výpočet nebo odhad. Ze školy si pamatujeme, že jeden mol plynu zabírá za běžných podmínek objem 22,4 litru. Vzduch je složen převážně z dusíku (asi 78%) a kyslíku (asi 20%). Jádro atomu dusíku tvoří 7 protonů a obvykle 7 neutronů, molekuku dusíku však tvoří dva atomy, hmotnost jednoho molu dusíku je tedy přibližně 2*(7+7) = 28 gramů. Jádro atomu kyslíku je tvořeno 8 protony a obvykle 8 neutrony, molekulu opět tvoří dva atomy, mol kyslíku tedy váží zhruba 2*(8+8) = 32 gramů. Je-li vzduch směsí hlavně dusíku a kyslíku, bude jeho molární hmotnost kdesi mezi 28 a 32 gramy na mol, vzhledem k většímu zastoupení dusíku asi blíže k těm 28 g/mol, počítejme tedy s 29 g/mol. Jestliže tedy 1 mol má objem 22,4 litru a váží 29 gramů, potom jeden litr musí vážit 22,4 krát méně, tedy přibližně 1,3 gramu (což je v docela dobré shodě s výsledky měření výše popsanou metodou s tlakováním PET láhve).
Dotaz: Dobrý den, může být nafta (vzhledem k velikosti molekul) v plynném skupenství? (Petr)
Odpověď: V plynném skupenství může být teoreticky, za vhodných podmínek, každá
chemická látka, bez ohledu na velikost molekul - ta pouze ovlivňuje teplotu
varu látky. I nafta, jako směs pevných a kapalných organických látek, může
být teoreticky za dostatečně vysoké teploty v plynném skupenství. Problém je
ovšem v teplotní nestálosti mnoha organických sloučenin - často se stává, že
příslušnou látku nelze převést do plynného skupenství, protože se ještě
před dosažením teploty varu rozloží. Pokud opravdu potřebujeme plynné
skupenství (například při frakční destilaci ropy), pomáháme si závislostí
teploty varu na tlaku. Snížením tlaku můžeme snížit teplotu varu až do
oblasti, kde už tepelný rozklad nehrozí.
Pokud vás zajímá spíše vypařování z volného povrchu kapaliny za normální
teploty, samozřejmě každá kapalina má svou tenzi par (tj. jakoby
koncentraci molekul v plynném skupenství nad povrchem), ať už jakkoli
nízkou, a stejně tak i nafta, resp. (protože jde o směs) každá její složka.
Jednoduchým důkazem toho, že se nafta z povrchu vypařuje, je její zápach
(kdyby se vám nemohla dostat na nosní sliznici, necítil byste ji). V
porovnání s kratšími uhlovodíky (menší molekuly) je tenze par nafty
relativně nízká:
motorová nafta méně než 100 Pa (podobně jako slunečnicový olej),
technický benzín 17 200 Pa (menší molekuly),
voda 2 300 Pa (velmi malé molekuly, ale velká polarita).
Vedle velikosti molekuly se uplatňuje také vliv mezimolekulových interakcí,
které brání molekule vytrhnout se z kapaliny pryč do plynné fáze. Čím větší
polarita látky, čím nabitější skupiny obsahuje, tím silnější interakce má s
okolím a tím nižší je tenze její páry. Látky s vysokou polaritou - látky
iontové (soli), byť i s velmi malými molekulami, se vyskytují za normálních
podmínek v pevném skupenství a tenzi par mají zanedbatelnou.
Dotaz: Pokud uložím směs plynů vzniklých při elektrolýze vody do zásobníku, dojde časem
k oddělení vodíku a kyslíku vzhledem k jejich rozdílné hmotnosti? (kenko)
Odpověď: Spíš naopak, nehomogenity vzniklé při míchání směsi se ještě difúzí
vyrovnají. Každý plyn se bude v rovnováze v dobré aproximaci chovat tak,
jako by byl v nádobě sám, a pokud neuvažujeme děsně velkou nádobu, ve
které by byl znatelný úbytek tlaku s výškou, bude jejich poměr všude
stejný. Situace, kdy plyn s větší hustotou má větší koncentraci u podlahy
(například když napustíte do akvária CO2 z bombicek) je nerovnovážná a
difuze ji dříve nebo později zruší. Podobně nerovnovážná situace je
nad hrncem s vroucí vodou, tam je evidentně koncentrace vodní páry
větší než o kousek vedle. Dovaříte-li však a počkáte, bude vlhkost
vzduchu opět stejná v celé mísnosti.
Leccos zajímavého je například v heslech diffusion, partial pressure
... ve Wikipedii.
Dotaz: Dobrý den! Naše Země (planeta) je pod povrchem žhavá. Uprostřed Země se nachází
pevné kovové jádro, ve kterém dochází ke štěpným jaderným reakcím. Vznikajícím
teplem, na asi 6000 K ohřáté okolí jádra, je již tekuté, doběla rozžhavené.
Směrem k Zemskému povrchu teplota klesá a roztavené horniny začínají být
plastické. Stejně jako u vody v čajové konvici, i v zemském nitru vznikají
stoupající proudy roztaveného magmatu, deroucí se k Zemskému povrchu. Zajímalo
by mě, jestli je magma a láva vyvrhovaná při sopečných erupcích, radioaktivní.
Tekuté magma je přeci směs chemických prvků (sloučenin) ohřívaných Zemským
jádrem, ve kterém dochází ke štěpným reakcím, obdobně jako v jaderném reaktoru.
Předpokládám tedy existenci radiace Zemského jádra. Předpokládím proto alespoň
sekundární radioaktivitu směsi chemických prvků (magmatu), s různými poločasy
rozpadu, jádrem ozářených. Tak jak to je ve skutečnosti? Děkuji za Váš čas a
jsem s pozdravem. (Vladimír Štěpnička)
Odpověď: Nedomníváme se, že by v Zemi docházelo ke štěpným reakcím podobného typu jako v jaderném reaktoru, protože nic nesvědčí pro to, že by se v Zemi nacházela dostatečná koncentrace nějakého štěpného materiálu. Přesto jsme přesvědčeni o vysokých teplotách zemského jádra (jen o trochu nižších než uvádíte v dotazu - na rozhraní jádro-plášť by mohla být teplota o něco nižší nebo srovnatelná s 4000 K, ve středu Země cca 5000 K).
Hlavní zdroj tepla v nitru Země je patrně dvojího původu:
gravitačního, kdy při vzniku Země došlo ke smrštění prapůvodního materiálu a odpovídající úbytek gravitační potenciální energie se přeměnil na teplo; není vyloučeno, že i v současnosti gravitační potenciální energie zemského tělesa poněkud klesá, pokud dochází ke gravitační diferenciaci materiálu (spekuluje se např. o možnosti, kdy se na rozhraní vnitřního a vnějšího jádra oddělují lehčí příměsi od železa). (Poznámka: Vnější jádro je tekuté.)
radioaktivního - materiál tvořící zemské těleso obsahuje i radioaktivní izotopy některých prvků, vylétávající částice alfa či beta mají určitou kinetickou energii, která se nakonec přemění na teplo - z hlediska energetického mají v současnosti význam hlavně izotopy U238, U235, Th232 a K40, jejichž poločasy rozpadu jsou řádově srovnatelné se stářím Země. O těchto izotopech se domníváme, že pocházejí z původního materiálu, z něhož vznikla Země, nebyly tedy vytvořeny v průběhu existence Země. Není vyloučeno, že v mladší Zemí hrála z energetického hlediska určitou roli i radioaktivita některých prvků s kratšími poločasy rozpadu, jejichž koncentrace je nyní zanedbatelná.
Hovoříme-li tedy o radioaktivních prvcích v Zemi, mluvíme o tzv. přirozené radioaktivitě na rozdíl od umělé radioaktivity, která je (na Zemi) důsledkem technické činnosti jaderných zařízení. Otázka týkající se přirozené radioaktivity horkého magmatu souvisí s tzv. diferenciaci materiálu u zemského povrchu: Zemský plášť je plastický, nikoliv však tekutý, protože teplota tání tohoto materiálu značně závisí na tlaku a jen v oblasti nízkých tlaků u zemského povrchu nastává situace, kdy se horký materiál pláště začíná tavit, díky čemuž vzniká tekuté magma. Geochemici tvrdí, že "tendence" jednotlivých prvků vytvářet magma je značně variabilní a právě radioaktivní prvky, do něj "vstupují" snadno. Z magmatu nakonec vznikají jednotlivé minerály tvořící horniny kůry. Tento proces vede k tomu, že se ze zemského pláště postupně "odčerpávají" radioaktivní prvky, takže jejich koncentrace v kontinentální kůře je nyní mnohem vyšší než ve ("vyčerpaném") materiálu pláště.
Jen pro zajímavost: cca 20 km vrstva žuly by byla schopna (díky vysokému obsahu radioaktivních prvků) produkovat tepelný tok, který je srovnatelný s průměrným tepelným tokem měřeným na povrchu kontinentu.
