Čaj z fyzikálneho hľadiska

Čaj z fyzikálneho hľadiska

Fyzika je všade okolo nás. Deň čo deň sa s ňou stretávame či si to uvedomujeme alebo nie. Fyzika je prírodná veda, ktorá sa zaoberá dejmi / javmi okolo nás.

Vo všeobecnosti je úlohou fyziky analýza kauzálnej štruktúry prírody, smerujúca k pochopeniu ako sa svet a vesmír správa A presne z tohto sme vychádzali. Našim cieľom bolo zistiť aký vzťah majú ľudia k čaju, aký druh čaju pijú, ako si ho ochladzujú, ako si ho pripravujú... Jednoducho povedané zistiť, či robia veci správne a ak nie, vysvetliť im kde robia chybu a prečo je to lepšie inak.

1  Teoretický úvod

1.1 Difúzia a Brownov pohyb

O ustavičnom a neusporiadanom pohybe častíc svedčí nepriamo veľa javov pozorovaných najmä pri tekutinách, ako napr. rozpínanie plynu, difúzia a Brownov pohyb.

Existenciu príťažlivých a odpudivých síl, ktorými častice na seba navzájom pôsobia, potvrdzuje aj veľa javov, ako napr. súdržnosť pevných a kvapalných látok, nevyhnutnosť pôsobenia vonkajších síl na dosiahnutie zmenšenia objemu pevných, kvapalných a plynných telies.

Difúzia – samovoľné prenikanie častíc jednej tekutiny medzi častice druhej tekutiny. (Do sklenej nádoby vložíme niekoľko kryštálov modrej skalice a dolejeme vodou. Pri dne nádoby vznikne na modro sfarbený nasýtený roztok skalice vo vode, ktorý je viditeľne oddelený od ostatnej vody v nádobe).
Difúziu vysvetľujeme nestálym a nesporiadaným pohybom častíc, z ktorých sú tekutiny zložené. Zväčšenie rýchlosti častíc je príčinou zvyšovania teploty tekutín.

Neustály pohyb molekúl plynu uzavretého v nádobe spôsobuje ustavičné zrážky týchto molekúl s molekulami vnútorných stien nádoby. Tento jav je príčinou tlakových síl a tlaku plynu, ktorý meriame manometrom.
Medzi najdôležitejšie dôkazy neustáleho a neusporiadaného pohybu častíc v tekutinách patrí Brownov pohyb. (Na podložné sklíčko kvapneme vzorku silne zriedeného čierneho tušu a prikryjeme čistým krycím sklíčkom. Pozorujeme.

Zistíme, že častice konajú nepravidelný a ustavičný pohyb.

Brownov pohyb vysvetľujeme ako dôsledok pohybu molekúl prostredia. Molekuly prostredia narážajú na Brownovu časticu a pôsobia na ňu tlakovou silou. Keď je rozmer častice veľmi veľký, naráža na ňu súčasne v rozličných smeroch veľký počet molekúl. Preto sa ich silové pôsobenie na Brownovu časticu navzájom ruší a častica sa znateľne nepohybuje. Keď je však rozmer Brownovej častice veľmi malý, naráža na ňu súčasne menší počet molekúl.

Preto na časticu pôsobí v každom okamihu výsledná tlaková sila, ktorá spôsobuje, že častica koná nepravidelné posuvné, otáčavé aj kmitavé pohyby. Pokusy ukazujú, že stredná rýchlosť Brownovej častice sa zväčšuje so zvyšujúcou sa teplotou pozorovanej vzorky.

Môžeme zhrnúť: Difúzia, Brownov pohyb, existencia tlaku plynu a iné javy dokazujú, že častice sa v látkach nestále a neusporiadane pohybujú. Neusporiadanosť pri pohybe sa prejavuje rozličnými smermi a veľkosťami rýchlostí častíc. So zväčšujúcou sa rýchlosťou častíc sa zväčšuje teplota látky.
Atómy toho istého prvku alebo rozličných prvkov môžu utvoriť molekulu, ktorej atómy sú navzájom viazané silami, ktoré sa nazývajú väzbové sily.

Z existencie vzájomného pôsobenia medzi časticami ďalej vyplýva, že sústava častíc má potenciálnu energiu. Pri rovnovážnej polohe častíc sa táto energia nazýva väzbová energia. Rovná sa práci, ktorú treba vykonať pôsobením vonkajších síl na rozrušenie väzby medzi časticami.

Na pochopenie vlastností látok a dejov, ktoré prebiehajú v látkach rozličných skupenstiev, utvárame model štruktúry plynnej, kvapalnej a pevnej látky.
Plynná látka. Za normálnych podmienok sú stredné vzdialenosti medzi molekulami plynu v porovnaní s rozmermi molekúl veľké. Napríklad stredná vzdialenosť molekúl vodíkového plynu za normálnych podmienok je približne 3 nm, kým priemer molekuly H2 je asi 0.07 nm.

Pri týchto vzdialenostiach sú príťažlivé sily medzi molekulami malé a môžeme ich zanedbať. V priestore, ktorý plyn zaberá, sa všetky molekuly ustavične pohybujú v rozličných smeroch a rôzne veľkými rýchlosťami. Zrážku treba chápať tak, že molekuly sa k sebe iba priblížia a odpudivá sila, ktorou na seba navzájom pôsobia pri malých vzdialenostiach, zmení smer aj veľkosť rýchlosti molekúl. Čím vyššia je teplota plynu, tým väčšia je stredná rýchlosť molekúl plynu.

1.2 Teplota

Keď má sústava v rovnovážnom stave vo všetkých častiach rovnaké fyzikálne a chemické vlastnosti, napr. rovnakú hustotu, štruktúru, rovnaké chemické zloženie, nazýva sa fáza. Prechod látky z jednej fázy do druhej sa volá fázová premena.

Topenie a tuhnutie
Keď zohrievame teleso z kryštalickej látky, zvyšuje sa jeho teplota a po dosiahnutí teploty topenia tt sa premieňa na kvapalinu s tou istou teplotou – topí sa. Keď sa teleso z kryštalickej látky s hmotnosťou m a s teplotou topenia premení na kvapalinu s tou istou teplotou, príjme skupenské teplo topenia Lt. Pre telesá z rozličných látok tej istej hmotnosti je táto veličina rôzna.

Preto zavádzame veličinu merné skupenské teplo topenia lt, definované vzťahom:
lt = Lt / m ( lt ) = J.kg-1
Keď kvapalinu, ktorá vznikla topením kryštalickej látky, ochladzujeme, mení sa pri teplote tuhnutia(rovnajúcej sa teplote topenia), na pevné teleso – tuhne. Pritom odovzdá svojmu okoliu skupenské teplo tuhnutia rovnajúce sa Lt.
Pevné amorfné látky pri zohrievaní postupne mäknú, až sa premenia na kvapalinu. Preto nemajú stálu teplotu topenia.

Keď kryštalická látka prijíma teplo, zväčšuje sa stredná kinetická energia kmitavého pohybu častíc. Častice zväčšujú rozkmity, čím sa zväčšuje aj stredná vzdialenosť medzi nimi. V dôsledku toho sa zväčšuje aj stredná potenciálna energia častíc. Keď látka dosiahne teplotu topenia, nadobúdajú rozkmity častíc také hodnoty, že sa narušuje väzba medzi časticami mriežky; mriežka sa začne rozpadávať, látka sa topí.

V rozličných kryštalických látkach sú väzbové sily medzi časticami rozlične veľké. Preto každá kryštalická látka sa začne topiť pri danom vonkajšom tlaku, pri celkom určitej teplote. Hoci kryštalická látka pri topení prijíma skupenské teplo, nemení sa stredná kinetická energia častíc, a tým ani teplota látky. Zväčšuje sa však stredná potenciálna energia častíc.

To značí, že pri teplote topenia je vnútorná energia roztaveného telesa väčšia, ako vnútorná energia toho istého telesa v kryštalickom stave pri rovnakej teplote. Keď sa všetka látka roztopí a prijíma ďalšie teplo, opäť sa zväčšuje stredná kinetická energia častíc a preto sa teplota kvapaliny zvyšuje.

1.3 Vyparovanie

Vyparovanie je skupenská premena, pri ktorej sa kvapalina mení na plyn. Môže to byť iba na voľnom povrchu (teda pod teplotou varu; tzv. vyparovanie v užšom zmysle), alebo v celom objeme (teda pri teplote varu a vyššie; tzv. var). Takáto zmena fáz z kvapalného skupenstva na plynné spotrebúva teplo.

Pri vyparovaní si teda kvapalina odoberá teplo z okolia.
Podľa kinetickej teórie sa z kvapaliny vyparujú tie molekuly, ktorých energia je dostatočná na prekonanie kohéznych síl, a ktorých pohyb smeruje k voľnému povrchu kvapaliny, takže prejdú povrchovou vrstvou a opustia kvapalinu. Kvapalinu teda opúšťajú molekuly s najvyššou energiou. Pokiaľ je takýchto molekúl väčšie množstvo, vedie to k zníženiu energie u ostatných molekulách kvapaliny.

To sa pri adiabatickom vyparovaní prejaví znížením teploty kvapaliny. Pri rovnováhe medzi parou a kvapalinou sa para nazýva nasýtená.
Množstvo tepla, ktoré je pri danej teplote potrebné k premene jedného kilogramu kvapaliny na plyn sa nazýva skupenské teplo vyparovania. Opačným javom k vyparovaniu je kondenzácia (skvapalnenie).K vyparovaniu dochádza pri akejkoľvek teplote kvapaliny. Rýchlosť vyparovania závisí od:

– teploty – čím je vyššia teplota, tým je rýchlejšie vyparovanie
– veľkosti povrchu – čím je väčší povrch, tým je rýchlejšie vyparovanie
– druhu kvapaliny (od príťažlivých síl medzi časticami kvapaliny)
– pohybu plynu nad kvapalinou, pri pohybe plynu nad kvapalinou sa vyparovanie zrýchľuje (fúkanie do horúcej polievky)
– tlaku pár plynu nad kvapalinou, čím nižší tlak, tým rýchlejšie vyparovanie

Väčšina tepla na povrchu zeme, priamo alebo nepriamo pochádza zo slnka. Teplo slnečných lúčov pochádza z termonukleárnych reakcií vo vnútri Slnka. Naše telo takisto neustále vyvíja teplo, pochádzajúce z biologicko-chemického spaľovania potravín, v ktorých je tak isto naakumulovaná energia slnka. Slnečná energia spôsobuje zmeny počasia, fúkanie vetra, dážď, sneh. Vo vnútri Zeme panuje tiež obrovské teplo. To zase zapríčiňuje výbuchy sopiek a zemetrasenia.

Teplo, ktoré sa uvoľňuje spaľovaním paliva, využívajú na pohyb motory v autách, lietadlách a iných dopravných prostriedkoch. Elektrárne menia teplo na elektrinu, ktorá sa privádza do našich domovov. Teplo je teda druh energie. Všetko, dokonca i najchladnejší predmet, má určité teplo – studené teleso ho má jednoducho menej ako horúce. Tepelná energia pochádza z kmitavého pohybu atómov a molekúl. V horúcich telesách sa pohybujú rýchlo, v chladnejších pomalšie.

Teplo – je miera energie, ktorú pri tepelnej výmene odovzdá teplejšie teleso chladnejšiemu. Keď teleso prijíma energiu vo forme tepla, jeho vnútorná energia stúpa.

Prenos tepla – kdekoľvek, kde je teplotný rozdiel, prebieha prenos energie vo forme tepla vedením, prúdením alebo žiarením z teplejšieho na chladnejšie miesto. Prenosom tepla sa zvýši vnútorná energia, ako aj teplota atómov na teplejšom mieste. Prenos prebieha pokiaľ sa nevyrovnajú teploty a nedosiahne stav nazývaný stavom tepelnej rovnováhy.
Vákuová fľaša (termoska) – nádoba, ktorá svoj obsah udržiava pri stálej teplote.

Pozostáva z dvoch sklených nádob, jedna je vnútri druhej, medzi nimi je vákuum. Obmedzuje prenos energie vedením a prúdením. Jej lesklé povrchy minimalizujú aj prenos žiarením.

Dôsledky prenosu tepla – ak teleso príjme alebo stratí tepelnú energiu, jeho vnútorná energia vzrastie alebo klesne. V dôsledku toho sa teplota telesa zvýši alebo klesne (veľkosť zmeny teploty závisí od tepelnej kapacity telesa) alebo sa zmení jeho skupenský stav.

Tepelná kapacita (c) – telesom prijatá alebo odovzdaná energia vo forme tepla, pri zmene jeho teploty o 1 K. Je to vlastnosť telesa a závisí od jeho hmotnosti a od látky, z ktorej teleso pozostáva. Teda hodnota tepelnej kapacity je rozdielna pre rôzne telesá a má sa počítať osobitne pre každé teleso.

Zmeny (skupenského) stavu

-odparovanie
– vyparovanie
– tuhnutie (mrznutie)
– topenie
– kondenzácia
– sublimácia odparovanie

1.4 Elektrolýza

Napojme na každý pól batérie kúsok drôtu a voľné konce ponorme do pohára s vodou blízko k sebe, ale tak, aby sa navzájom nedotýkali. (Ak použijeme malú batériu, dajme do pohára s vodou trochu soli, aby bola lepším vodičom. Ináč bude pretekať taký slabý elektrický prúd, že reakcia nebude viditeľná.) Z každého ponoreného konca drôtov bude vychádzať pravidelný prúd bubliniek. Sú to bublinky kyslíka a vodíka.

Kyslíkové bublinky sa tvoria na konci drôtu, ktorý je spojený s kladným pólom batérie nazývaným anóda. Z ponoreného konca druhého drôtu prúdi vodík a drôt je spojený s katódou batérie. Takýmto spôsobom môžeme rozložiť alebo oddeliť zložky rôznych tekutín. Keď prechádza elektrický prúd roztokom síranu meďnatého, meď sa prenáša od anódy ku katóde, a tá sa pokrýva tenkou súvislou medenou vrstvou.

Tento proces sa nazýva galvanické pokovanie alebo galvanizácia, a používa sa pomerne často v priemysle. Ak chceme nejaký predmet postriebriť, stačí ho spojiť so záporným pólom batérie alebo iného zdroja elektriny, takže vytvorí katódu, a ako anódu použiť kúsok čistého striebra. Obe elektródy sa potom ponoria do roztoku dusičnanu strieborného alebo kyanidu draselnostrieborného.

Týmto spôsobom môžeme predmet z neušľachtilých kovov pokryť vrstvou vzácnejšieho alebo odolnejšieho kovu, ako je zlato, nikel, chróm a pod. Anóda je vždy z kovu, ktorým chceme pokovať, elektrolytom je soľ toho istého kovu.

Proces elektrolýzy, ako sa nazýva tento rozklad látok použitím elektrického prúdu sa používa aj na čistenie kovov. Čistú meď môžeme získať nasledujúcim spôsobom. Kúsok prímesami znečistenej medi použijeme ako anódu a tabuľku čistej medi ako katódu. Ako roztok použijeme síran meďnatý. Prechodom elektrického prúdu sa anóda postupne rozpúšťa, čistá meď sa ukladá na katóde a nečistota odpadáva na dno nádoby. Aj striebro a zlato sa prečisťuje podobným spôsobom.

Elektricky vodivý roztok obsahuje zmes kladných a záporných iónov, ktoré vznikajú disociáciou molekúl. Prechodom elektrického prúdu dochádza k pohybu kladných iónov (katiónov) k zápornej elektróde (katóde) a záporných iónov (aniónov) ku kladnej elektróde (anóde). Na elektródach takýmto spôsobom môže prebiehať chemická reakcia – medzi iónmi a elektródou, medzi iónmi samotnými alebo iónmi a roztokom (vďaka vyššej koncentrácii iónov pri elektródach).

2.6 Záver

V našej práci sme sa pokúsili zistiť vlastnosti čaju z hľadiska fyziky. Pokusmi sme objasnili správanie sa čaju pri rôznych dejoch, s ktorými sa bežne stretávame a však nie v takejto odbornej forme. je to vlastne lúhovanie čaju, z nášho pohľadu difúzia čaju, ochladzovanie či vyparovanie čaju. V práci sme sa pokúsili objasniť aj vplyv elektrolýzi na čaj. Výsledky pokusov nám potvrdili naše hypotézy.

V ankete sme zistili rozšírenie rôznych metód ochladzovania čaju medzi oslovenými ľuďmi.Pri samovoľnej difúzii sme zistili, že prebieha rýchlejšie pri sypanom čaji ako pri čaji sáčkovom.