Typ: Vyklad

83393:

úkol

Chladicí směs - jednoduchá chladnička

 

Obor: Člověk a příroda/Fyzika

Oblast dle RVP: Změny skupenství látek/Tání, tuhnutí

                            Vnitřní energie, Teplo/Tepelná výměna prouděním

Mezipředmětový vztah: Chemie (Vlastnosti a použití solí/Rozpouštění solí jako endotermní děj)

                                            Biologie

Klíčová slova: mrznoucí směs, teplota tuhnutí

Pomůcky: 2x PET lahev, 2x teplotní senzor, sůl (NaCl), stavebnice

 

1. Zadání:
2. a) Z nadrceného ledu a NaCl připrav chladicí směs a změř její teplotu.
3. b) Připrav novou chladicí směs a využij tuto směs k ochlazení vody z laboratorní teploty na 0⁰C (teplota tuhnutí vody).
4. Co je cílem:

Výroba mrznoucí směsi, která ochladí vodu ve zkumavce k teplotě tuhnutí (0⁰C) a dále až ztuhne na led (0⁰C).

3. Teorie:

V průběhu tuhnutí vody se její teplota nemění. Veškerý odběr tepla chladící směsí způsobuje změnu skupenství. Teprve po ztuhnutí veškeré vody ve zkumavce se další odnímání tepla projeví poklesem teploty do záporných hodnot. V tomto pokusu odebírá chladnější látka (směs v nádobce) teplo látce teplejší (vodě v trychtýři). Experiment ověřuje poznatek, že v průběhu změny skupenství se teplota látky nemění.

 

Vysvětlení nízké teploty chladící směsi (rozdrcený led + chlorid sodný):

Led taje při teplotě 0⁰C. Směs ledu a soli má teplotu tání podstatně nižší (až -20⁰C).  Po smíchání drceného ledu s chloridem sodným začne led rychle tát, protože směs má v tu chvíli výrazně vyšší teplotu (cca 0⁰C), než je její teplota tuhnutí. Na roztání ledu (rozbití jeho krystalové struktury) je potřeba energie (teplo), která se vezme na úkor celkové teploty vzniklé slané vody. Zasolením se drcený led o teplotě cca 0⁰C přemění na slanou vodu, jejíž teplota klesá k -15⁰C až -20⁰C. Maximální teploty, kterou můžeme dosáhnout, je -20 ⁰C. Nižší teploty dosáhnout nelze. Z tohoto důvodu nemá smysl solit vozovky a chodníky chloridem sodným, pokud je venku mráz na -20⁰C. Prakticky se však chloridem sodným přestává solit už při teplotách nižších než -8⁰C  až -10⁰C. Jenom do těchto hodnot je rozmrazování účinné.

 

4. Postup:
5. a) Měření teploty chladicí směsi:
6. Připravíme si směs rozdrceného ledu a chloridu sodného v poměru (2 led : 1 NaCl).
7. Směs nasypeme do misky a důkladně promícháme.
8. Použijeme Shild pro měření dvou teplot.
9. Umístíme senzor teploty do středu misky.
10. Spustíme měřicí program.
11. Na monitoru sledujeme pokles teploty do ustálení hodnoty (podle vnějších podmínek experimentu -12⁰C až -14⁰C). (Pozn. Když zjistíte, že se vám pokles teploty pozastavil, můžete směs hrotem teploměru zamíchat. Může se stát, že jste nedostatečně promíchali směs před zahájením měření teploty.)
12. Naměřené hodnoty uložte v souboru Excel.

 

1. b) Ochlazení vody pomocí chladicí směsi.
2. Připravíme si směs rozdrceného ledu a chloridu sodného v poměru (3 led : 1 NaCl)
3. Směs nasypeme do misky a důkladně promícháme.
4. Použijeme Shild pro měření dvou teplot.
5. Do směsi vložíme trychtýř, do kterého nalejeme vodu o laboratorní teplotě.
6. Spustíme měřicí program a současně umístíme senzor teploty do středu misky.
7. Na monitoru sledujeme pokles teploty vody do jejího bodu tuhnutí (0⁰C).
8. Podle účinnosti chladicí směsi můžeme dále pozorovat tuhnutí vody až na led. (Pozn.: Pro dokončení ztuhnutí vody až na led je zapotřebí mít v zásobě další chladicí směs, kterou vyměníme za původní. V laboratorních podmínkách a zejména při použití plastových nádob dochází k nežádoucímu zahřívání chladicí směsi.)

 

5. Technické poznámky

Při přípravě chladicí směsi se musí led rozdrtit na velmi jemné kousky. Provádíme to tak, že kostky ledu zabalíme do hadru a přes hadr rozbijeme. Hadr tak zabrání odletování úlomků ledu.

Pro experiment (zadání b) je doporučeno namíchat chladicí směs (3 led : 1 NaCl). V tomto případě se dosáhne teploty chladicí směsi v rozmezí  - 10⁰C až  - 12⁰C.

Pro experiment (zadání a) je doporučeno namíchat chladicí směs (2 led : 1 NaCl).

V tomto případě je možno dosáhnout až  - 15⁰C.

(Pozn.: Zde by si žáci mohli zasoutěžit, která skupina dosáhne nejnižší teplotu.)

 

6. Metodické poznámky:

Klasická chladnička obstarává přenos tepla tak, že odebírá teplo z chladnějšího vnitřku a odevzdává je teplejšímu vnějšímu prostředí (proti přirozenému toku tepla).

V případě tohoto experimentu odebírá chladnější látka (směs v nádobce) teplo látce teplejší (voda v trychtýři). Je to jednodušší způsob chlazení, který se využíval před vynálezem chladničky.

Co se děje, když smícháme rozdrcený led se solí? Led taje a sůl se rozpouští v roztáté vodě. Rozpouštění soli je děj, při kterém sůl přijímá teplo (endotermní děj). Toto teplo odebírá současně vodě a ledu. Teplota směsi klesá do záporných hodnot. Ani při těchto záporných hodnotách teploty směs netuhne (jde o roztok soli, jehož bod tuhnutí je o mnoho nižší než u čisté vody). Přítomnost soli způsobuje ochlazení směsi pod nulu, současně však brání jejímu tuhnutí. Obdobně probíhají děje na osolené vozovce nebo chodníku.