Termomechanika na polích a lukách Opékání na ohni Termomechanika na polích a lukách rozcestí

Rozcestí Termomechanika Fotogalerie Sdílení tepla Opékání Konvekce Pečicí teplo Kondukce Místo pečení Radiace Chléb a sýr Změna teploty Změna skupenství

Práce s nožem – krájení špekáčků rozcestí

Opékání špekáčků rozcestí

Zpětná vazba Pojem z kybernetiky, popisující vlastnosti vzájemných vztahů mezi dvěma a více prvky, které se vzájemně ovlivňují Pozitivní zpětná vazba: čím víc, tím víc Změní-li se jeden prvek jedním směrem, vyvolá takovou odezvu, že druhý prvek změní první opačným směrem – vyrovná vzniklou odchylku (stále rychlejší pečení tmavnoucího opékaného špekáčku, sýra či krajíce) Negativní zpětná vazba: čím víc, tím míň Změní-li se jeden prvek jedním směrem, vyvolá takovou odezvu, že druhý prvek změní první opačným směrem – vyrovná vzniklou odchylku (kymácení draka ve větru) rozcestí

Jak se pečou špekáčky? Radiace: S – vektor plochy povrchu [m2] Q – tepelný příkon [J/s] Q = E.S = =E.S.cos(α) α E – vektor intenzity tepelného záření [J/m2.s] Radiace: E = S.t.σ.ε. Δ(T4) rozcestí

Teplo předávané špekáčku Teoreticky jde o dost složitou úlohu: Teplo dopadající na elementární plošku je integrálem intenzity vyzařování přes celou zářící plochu (uhlíky) ED = ∫∫ Ev(xv,yv,zv).r(xv,yv,zv,xD,yD,zD).dS Teplo dopadající na celý špekáček je integrálem skalárního součinu vektorů elementárních plošek špekáčku přes celý špekáček a intenzit vyzařování na tyto plošky dopadajících QD = ∫∫ ED(xv,yv,zv).dS rozcestí

Jak špatně péct špekáčky? Často lidé opékají špekáčky nad plameny – tedy konvekcí; to je ovšem chybně: teplota vzduchu nad ohněm je nižší, než u uhlíků a vzduch nad plameny obsahuje zbytky nespálených uhlovodíků, často cyklických a značně kancerogenních (a to je vážnější). rozcestí

Jak správně péct špekáčky? Správné je opékat blízko žhavých uhlíků mimo dosah plamenů (radiací): teplota je tam mnohem vyšší (lze opéct i sýr a chléb) kouř a jiné zplodiny nemají ke špekáčku přístup … ale pozor! Je třeba hlídat, aby záření dopadalo rovnoměrně na co největší plochu špekáčku! s postupujícím opékáním obvykle špekáček tmavne – roste emisivita a tedy účinnost ohřevu radiací! Pozor na spálení! (toto nebezpečí je ještě větší u opékaného sýra nebo chleba!) – pozitivní zpětná vazba: čím víc, tím víc rozcestí

Jak opékat krajíc chleba a sýr? V podstatě stejně jako špekáček; důležitá je velikost a způsob nabodnutí na klacek: Sýr (eidamská cihla nízkotučná) nakrájet na kostičky o straně asi 3 cm (pozor aby nepraskla – stane-li se to, nemá smysl pokoušet se o opékání –pružnost sýra a jeho napružení se sýr bezpečně shodí!) Krajíc chleba ukrojit „tlustý“ a nabodnout na plocho! (pozor, aby neprasknul – viz předchozí bod) Oba při opékání rychle tmavnou a tím se rychlost opékání prudce zvyšuje – pozor na spálení! rozcestí

Předávání tepla Jakými způsoby lze teplo předávat? Konvekcí Kondukcí Radiací Jaké důsledky má předávání tepla? Změna skupenství  Změna teploty  rozcestí

Konvekce - proudění Q = S.t.θ.ΔT Předávání tepla mezi dvěma látkami, nejčastěji pevnou a kapalnou nebo plynnou Q = S.t.θ.ΔT Q – předávané teplo [J] S – plocha, jíž je teplo předáváno [m2] t – doba, po kterou je teplo předáváno [s] ΔT – rozdíl teplot mezi prostředími [K] Θ – součinitel konvekce [J/s.m2.K] (malé řecké písmeno „theta“) rozcestí

Kondukce - vedení Q = S.t.α.ΔT/l Předávání tepla uvnitř látky – tělesa – od místa k místu (od molekuly k molekule) Q = S.t.α.ΔT/l Q – předávané teplo [J] ΔT – rozdíl teplot mezi prostředími [K] α – součinitel vedení tepla [J/s.m.K] l – vzdálenost, na kterou je teplo předáváno [m] t – doba, po kterou je teplo předáváno [s] S – plocha, jíž je teplo předáváno [m2] rozcestí

Radiace – záření, sálání Předávání tepla prostřednictvím elektromagnetického vlnění průhledným nebo průsvitným prostředím Q = S.t.σ.ε. Δ(T4) Q – předávané teplo [J] S – plocha, jíž je teplo vyzařováno [m2] t – doba, po kterou je teplo vyzařováno [s] ΔT – rozdíl teplot mezi prostředími [K] ε – součinitel radiace - emisivita [1] (malé řecké „epsilon“) σ – Stefan – Boltzmannova konstanta [J/s.m2.K] („sigma“) rozcestí

Měrná tepelná kapacita Množství tepla, jež daný materiál hmotnosti 1 kg ohřeje (ochladí) o 1 K (°C) c = Q/m.ΔT [kJ/kg.K] Voda a měrná tepelná kapacita: Tepelná kapacita vody je nejvyšší z běžných látek – přibližně 4,2 kJ/kg.K. Tato hodnota se mírně mění s teplotou, běžně ji lze brát jako konstantu. Proto se voda hodí jako teplený akumulátor do solárních a podobných alternativních systémů. Tato vlastnost vody je dána zvláštní molekulární strukturou vody (H2O, H4O2, H6O3) c – měrná tepelná kapacita Q - množství tepla (energie) ΔT – rozdíl teplot m – hmotnost rozcestí

Součinitel tepelné vodivosti Množství tepla, jež daným materiálem projde za 1 sekundu plochou 1 m2 na vzdálenost 1 m při rozdílu teplot 1 K (°C) α = Q/t.S.(1/l).ΔT [kJ/s.m.K] Q - množství tepla (energie) t – čas l – vzdálenost S – plocha (průřez) ΔT – rozdíl teplot (míst oddělených vzdáleností l) α – součinitel tepelné vodivosti najdeme v tabulkách, pozor na rozsah! Látky podle „α“ Tepelné vodiče: veliké „α“; zejména kovy (Ag, Cu, …) Tepelné izolanty: malé „α“; Organické látky, plasty, keramiky; zejména hmoty s velkým obsahem vzduchu v malých komůrkách: pěny, vlny, vaty, … rozcestí

Součinitel konvekce θ = Q/t.S.ΔT [kJ/s.m2.K] Teplo, jež z jednoho prostředí do druhého projde za 1 sekundu plochou 1 m2 při rozdílu teplot 1 K (°C) θ = Q/t.S.ΔT [kJ/s.m2.K] Typy konvekce: Přirozená konvekce: malé „ θ“; konvekce poháněna jen rozdílem hustot (radiátor – vzduch) Nucená konvekce: velké „θ“; Tekutina uměle poháněna: čerpadlo, ventilátor, foukání, Q - množství tepla (energie) t – čas S – plocha přenosu tepla ΔT – rozdíl teplot prostředí θ – součinitel tepelné vodivosti nutno změřit rozcestí

Vyjadřuje schopnost povrchu tělesa vyzařovat či pohlcovat teplo Emisivita - ε Vyjadřuje schopnost povrchu tělesa vyzařovat či pohlcovat teplo Dokonale černé těleso: ε = 1 Dokonale bílé těleso: ε = 0 Tmavé povrchy: ε  1; tepelné výměníky se vyrábějí nejlépe tmavé (mřížka za ledničkou, tepelné kolektory, …) Světlé povrchy: ε  0; tepelné izolátory se vyrábějí nejlépe světlé či zrcadlové (termoska, lední medvěd, …) Nutno změřit rozcestí

Změna teploty Q = m.c.ΔT Q – teplo [J] m – hmotnost [kg] Dodáváme-li tělesu teplo beze změny skupenství, roste jeho teplota Q = m.c.ΔT Q – teplo [J] m – hmotnost [kg] ΔT = T2-T1 rozdíl teplot [K, °C] c – měrná tepelná kapacita [J/kg.K] rozcestí

Změna skupenství Q = m.lt,v,s Dodáváme-li látce teplo za vhodných podmínek, mění se skupenství ve volnější – a naopak Q = m.lt,v,s Q – teplo [J] m – hmotnost [kg] lt,v,s – měrné skupenské teplo [J/kg] tání/tuhnutí varu/kondenzace sublimace/desublimace rozcestí

Změny skupenství Pevná látka Kapalina Plyn desublimace tuhnutí tání, tavení +Q desublimace -Q sublimace +Q tuhnutí -Q -Q kondenzace Kapalina Plyn vypařování, var +Q rozcestí

Proč je třeba špekáčkem otáčet? Je třeba vyvolat teplotní vlny. Teplo pak bude špekáčkem postupovat tak, že se vždy povrch ohřeje na vysokou teplotu, která – poté, co se příslušná strana špekáčku odkloní od žáru – postupuje dovnitř jako vlna. Postupně se tak prohřeje celý objem, aniž by se povrch příliš spálil (povrch je vysokou teplotou namáhán nejvíc, proto je opečený) T[°C] T[°C] Směrem od ohně povrch nejrychleji chladne – vnitřek je teplejší Směrem k ohni má povrch nejvyšší teplotu rozcestí

Poděkování Řediteli Střední školy stavební Jihlava dr. Pavlu Tomanovi za nesamozřejmé pověření výukou fyziky Studentům 2. ročníku technického lycea školního roku 2005/06 výše uvedené školy za ochotu hrát si i s rizikem upatlání se lepidlem, pořezání nožem či popálení se ohněm a provázkem – i za vstřícnost, píli a nadšení – nejsou samozřejmé a umožnily vyrobit a vyzdobit draka, připravit dřevo, zapálit a udržovat oheň,… Těmtýž studentům za ocenění konečného úspěchu celé akce – pro učitele je to významná odměna a povzbuzení Jmenovitě Matěji Ferdovi za foto- a videodokumentaci rozcestí Tomáš Krásenský