4. ZÁVISLOSŤ OBJEMU VODY NA TEPLOTE - ANOMÁLIA VODY 1

Fyzikálny princíp:
Pre objem kvapaliny V pri nejakej teplote, ktorá sa od pô­vodnej teploty, pri ktorej má kvapalina objem , líši o malý teplotný rozdiel , platí , kde  je teplotný koeficient objemovej rozťažnosti. Pri väč­šine kvapalín sa zvyšo­vaním teploty objem zväčšuje, pri ochladzovaní zmenšuje. Voda má výnimočnú vlastnosť. Pri zohrievaní od 0˚C do 3,98˚C sa jej objem zmenšuje, pri ochladzo­vaní zväčšuje. Až nad 3,98˚C sa začína objem zväčšovať.

Cieľ:
Ukázať ako sa mení objem vody v závislosti od teploty.

Pomôcky:
veľká nádoba (2 l), banka (1 l), rozdrvený ľad, soľ, voda, gumená zátka, sklenená trubička s vnútorným priemerom d=3mm, pravítko, stojan s držiakom, elektromagnetická miešačka s ohrievačom, teplotná sonda, mikropočítač s prevodníkom a meracím panelom, program IP COACH

Príprava:
Teplotnú sondu pripojíme k meraciemu panelu na kanál 3, ktorý okalibrujeme na meranie teploty. V programe Číslicový panel si vyberieme podprogram a-d meranie, nastavíme meranie v cykle, vypneme kanály 1, 2, 4 a na kanále 3 nastavíme načítavanie hodnôt z čidla (obr.1). Sklenenú banku (1l) úplne naplníme čo najchladnejšou vodou. Do banky vložíme magnetickú miešaciu tyčinku. Banku uzavrieme zátkou, v ktorej je vodotesne upevnená sklenená trubička a teplotná sonda. Zátku poriadne zatlačíme, aby v banke nezostal vzduch nad hladinou vody ani vzduchové bubliny na stenách nádoby a aby voda v sklenenej rúrke vystúpila 15cm nad zátku. Vodu ochladíme na 0˚C napr. tak, že vložíme banku do nádoby, v ktorej je zmes ľadu, vody a kuchynskej soli. Celú túto sústavu položíme na elektro­magnetickú miešačku (obr.2) a spustíme meranie teploty. Vodu v banke začneme premiešavať zapnutím miešačky, občas premiešame aj chladiacu zmes. Aktuálna teplota vody v banke sa zobrazuje na obrazovke monitora veľkými číslicami.

Realizácia:
Keď klesne teplota vody na 0˚C, vyberieme banku z chladiacej zmesi, poutierame ju a po odložení nádoby s chladiacou zmesou, položíme opäť na zapnutú miešačku. Vodu necháme voľne na vzduchu pomaly zohrievať (na chvíľu môžeme zapnúť ohrievanie na elektromagnetickej miešačke). Pri zmene výšky hladiny vody v sklenenej trubičke o  , zapíšeme teplotu vody zobrazenú na monitore aj výšku hladiny vody nad zátkou. Teplotu môžeme tiež zaznamenať do tabuľky v programe a-d meranie stlačením medzerníka. Keď sa voda zohreje na izbovú teplotu, meranie ukončíme.

Spracovanie: V programe Tabuľkový kalkulátor zostrojíme graf závislosti výšky hladiny vody nad zátkou v sklenenej trubičke od teploty. Do stĺpca s1 vpíšeme hodnoty výšky hladiny nad zátkou. Ak sme nezaznamenávali teploty vody medzer­níkom do tabuľky v a-d meraní na kanále 3 do stĺpca s3, vpíšeme do stĺpca s2 teploty vody prislúchajúce hodnotám výšky hladiny nad zátkou. Osi y grafu A priradíme hodnoty stĺpca s1, osi x hodnoty teploty vody. Vytvorený graf si prezrieme v programe Spracovanie. Ak poznáme objem nádoby a priemer trubičky, môžeme prostredníctvom ponuky STĹPEC a voľby Vzorec vytvoriť graf závislosti objemu vody na teplote V=f(t) prepočítaním zmien výšky hladiny na zmeny objemu. Podobne môžeme zostrojiť graf závislosti hustoty na teplote, ak poznáme hmotnosť vody v nádobe. Príklad grafu závislosti výšky hladiny vody nad zátkou v sklenenej trubičke od teploty, získaný v programe Tabuľkový kalku­látor, je na obr. 1-3. Príklad grafu závislosti objemu, resp. hustoty vody v banke od teploty je na obr. 1-4.

Poznámka:
Podobným postupom môžeme pozorovať zmeny objemu v závislosti od teploty aj pri iných kvapalinách, napr. pri liehu, petroleji.