Škola: Gymnázium, Brno, Slovanské náměstí 7 Šablona: III/2 – Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Název projektu: Inovace výuky na GSN prostřednictvím ICT Číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/34.0940 Autor: Hana Horáková Tematická oblast: Termodynamika Název DUMu: Kalorimetrie Kód: VY_32_INOVACE_FY.1.07 Datum: 19. 10. 2012 Cílová skupina: Žáci středních škol Klíčová slova: vnitřní energie, teplo, teplota, výkon Anotace: Příklady jsou zaměřeny na využití kalorimetrie v praxi, navazují na dříve poznané veličiny výkon, příkon, účinnost.

Kalorimetrie A

Pod vodopádem se v silných turbulencích mění potenciální energie vody v energii vnitřní. Jakým zvýšením teploty je to doprovázeno? Jako příklad vezmi Viktoriiny vodopády na řece Zambezi, které mají výšku 128 m. Při přeměně potenciální energie v energii vnitřní se teplota vody navýší o 0,3 °C. Kolik tun chladící vody proteče za 1 hodinu jaderným reaktorem v Jaderné elektrárně Temelín? Tepelný výkon reaktoru je 3 000 MW. Teplota chladící vody na vstupu je cca 290 °C, na výstupu cca 320 °C. P = 3 000 MW Q =3·109 J za 1 s Q = 108·1011 J za 1 hod m= 86 000 t vody V jaderné elektrárně proteče za hodinu reaktorem 86 000 t vody. Jaká je účinnost ohřevu vody ve varné konvici? Ve varné konvici ohříváme vodu z 15 °C na 100 °C, objem vody je 1,5 l, příkon konvice je 1,8 kW, doba ohřevu je 340 s. Účinnost ohřevu je 87 %. V náboji zápalka zapálí prachovou náplň a vznikající spalné plyny udělují střele kinetickou energii. Jakou hmotnost musí mít střelný prach v náboji malorážky? Střela má hmotnost 40 g a úsťovou rychlost 320 m/s. Výhřevnost střelného prachu je 3,0 MJ/kg. Účinnost využití jeho kinetické energie je asi 15 %. Střelný prach v náboji musí mít hmotnost 4,6 g.

Kalorimetrie B

Při zatloukání železného hřebíku kladivem se zahřívá hřebík i dřevo Při zatloukání železného hřebíku kladivem se zahřívá hřebík i dřevo. Je-li ale hřebík již zatlučený, předává kladivo veškerou energii hřebíku. Může být hlavička hřebíku po deseti úderech horká? Kladivo má hmotnost 0,8 kg, hřebík 12 g. Dopadající kladivo má rychlost 10 m/s. Zanedbejte tep. výměnu mezi hřebíkem a dřevem. Po deseti úderech bude mít hlavička hřebíku za daných podmínek teplotu 73,7 °C. Při šejkrování koná ruka práci a zvyšuje tak vnitřní energii míchaného nápoje. Kolikrát by měl barman překlopit šejkr, aby se teplota nápoje zvýšila o 1 °C? Jak dlouho by mu to trvalo, je-li schopen přetočit šejkr třikrát za sekundu? Předpokládejme, že kapalina je voda a že při překlopení spadne o 15 cm. Pomocí šejkru bychom ohřívali nápoj 929 s, tj. 15,5 minuty. Jakou denní spotřebu nekvalitního hnědého uhlí by měla tepelná elektrárna, která by měla nahradit oba bloky Jaderné elektrárny Temelín? Každý z nich má elektrický výkon 1 000 MW. Celková účinnost tep. elektrárny je 30 %. Nekvalitní hnědé uhlí má výhřevnost 10 MJ/kg. Bylo by zapotřebí 0,57 · 105 tun nekvalitního uhlí za jeden den. Jak změní teplotu napuštěné vody zahřátí samotné vany? Železná vana má hmotnost 66 kg a počáteční teplotu 23 °C. Je do ní napuštěna voda o objemu 80 l a teplotě 40 °C. Tepelné ztráty s okolím zanedbejte. Výsledná teplota je 38,6 °C , voda se tedy ochladí o 1,4 °C.

Kalorimetrie C

V akčních filmech často vidíme, jak střely při dopadu na kovovou stěnu vytváří déšť jisker. Střely by měly zářit až při teplotě 530 °C. Na jakou teplotu se zahřeje olověná střela při nárazu, když předpokládáme, že polovina kinetické energie se přemění ve vnitřní energii, zbytek na deformaci. Standardní osobní zbraň se střelami o hmotnosti 7,5 g umožňuje úsťovou rychlost 365 m/s. Střela získá teplotu 258,2 °C, zářit tedy nebude. Elektromotor obráběcího stroje pracuje s výkonem 5 kW. Jaké množství chladící vody se spotřebuje za směnu na chlazení obrobků? Počáteční teplota vody je 20 OC, teplota odtokové vody by neměla přesáhnout 80 OC. Uvažujte výměnu tepla jen mezi vodou a obrobkem. Na chlazení bude zapotřebí 570 kg vody. Na plechovou střechu svítilo hodinu polední slunce. Jak se zvýšila teplota střechy? Sluneční výkon je 1 000 W na m2 střechy, železný plech má tloušťku 1 mm. Předpokládáme, že veškerá energie Slunce ohřívá střechu a nedochází ke ztrátám. Početně vychází nárůst teploty o 1 000 OC. Výsledek je však nereálný, zahřátý plech by ohříval vzduch a také silně vyzařoval do okolí. Rekreační zařízení má umývárnu se solárním ohřevem vody. Večer je v zásobníku 300 l vody 50 OC teplé, ke které se přimíchává voda ze studny, která má teplotu 10 OC. Kolik lidí se může osprchovat? Na běžné sprchování stačí 10 l vody teplé 38 OC. Návod: nejdříve vyp. kolik 10 OC vody potřebuješ. Dohromady budeme mít 428,6 l vody, tato voda vystačí na sprchování 43 lidí.

použitá literatura NAHODIL, Josef. Sbírka úloh z fyziky kolem nás pro střední školy. Praha: Prometheus, 2011. ISBN 978-80-7196-409-4.

Materiál je určen pro bezplatné používání pro potřeby výuky a vzdělávání na všech typech škol a školských zařízení. Jakékoliv další využití podléhá autorskému zákonu. Veškerá vlastní díla autora lze bezplatně dále používat i šířit při uvedení autorova jména.