V 8. ročníku ZŠ (v tercii víceletého gymnázia) se v tématu „teplo a tepelné jevy“ zavádí pojem odevzdaného a přijatého tepla. Tepelná výměna je častým námětem laboratorních prací. Už několik let pro tyto práce s úspěchem používám jednoduché kalorimetry vyrobené samotnými žáky.

Suroviny

Základní surovinou pro výrobu kalorimetru jsou dvě PET láhve, pokud možno stejné. PETky jsou snadno dostupné a dobře opracovatelné, odpad při výrobě se bez problémů odloží do kontejneru na plasty. Dále potřebujeme zavařovací sklenici (například od marmelády), nějaký izolační materiál a lepicí pásku. Jako izolace se osvědčil drcený polystyren, s úspěchem byl použit také molitan nebo zmačkané noviny.

Výrobní postup

PETky rozřízneme v nestejné výši tam, kde se začínají zužovat (obr. 1). Vyšší „čepičku“ (díl A) použijeme jako víko nádoby, díky kónickému tvaru dobře drží na spodní části. Do spodní části budoucího kalorimetru (díl B) vložíme izolační hmotu a zavařovací sklenici jako vnitřní nádobu. Zajistíme izolační páskou proti posunutí i zatékání vody. Kdo chce kalorimetr zdokonalit, může ještě nádobu obalit alobalem a následně izolační páskou nebo vyrobit kruhové víko, které zlepší izolační schopnost kónické čepičky (nezapomeneme prorazit otvor pro teploměr). Kalorimetr je hotov (obr. 2).

Teploměr vsunujeme do nádoby buď po odšroubování uzávěru, nebo otvorem v uzávěru. Míchačka podle mých zkušeností není potřebná, ale můžeme ji improvizovat zakrouceným drátem.

Práce s kalorimetrem

První laboratorní práce s kalorimetrem slouží ke kalibraci – stanovuje se přibližná tepelná kapacita kalorimetru. Žáci nalijí do kalorimetru o známé (pokojové) teplotě ohřátou vodu. Po vyrovnání teplot v systému kalorimetr – voda měří změnu teploty a ze známé tepelné kapacity vody, její teploty a množství dopočítají tepelnou kapacitu nádoby. Tato hodnota se využívá v dalších laboratorních pracích.

Většina tepla se ztrácí odparem při manipulaci s teplou vodou a závažím, izolační schopnosti většiny použitých hmot jsou velmi dobré. Nejde tedy fakticky jen o tepelnou kapacitu kalorimetru, ale o určení systematické chyby při práci s kalorimetrem. Protože s konkrétním kalorimetrem pracuje stále stejná dvojice (zpravidla jeho tvůrci) stejným způsobem, chyba se opakuje a určená hodnota ji umožní korigovat.

Další práce mají témata např. „měrná tepelná kapacita“ (obvykle litiny) nebo „měrné skupenské teplo ledu“. Je vhodné pracovat s kalorimetrem nejméně při třech laboratorních pracích, aby byl využit.

K teplotní stabilizaci kalorimetru používám odstátou vodu pokojové teploty, resp. směs vody a tajícího ledu. Množství vody měřím pomocí odměrných válců, hmotnost ledu stanovuji podle množství vzniklé vody. Používám led o teplotě 0 °C (kusy vytažené ze směsi s vodou), abych odstranil nutnost zjišťování počáteční teploty ledu. Vodu ohřívám varnou konvicí, používám mírně vychladlou (cca 60 – 70 °C). Při nižším teplotním gradientu dávají práce přesnější výsledky.

Zkušenosti

Podle mých zkušeností se výsledky laboratorních prací s vyrobeným žákovským kalorimetrem významně neliší od výsledků s  průmyslově vyráběnými žákovskými kalorimetry. Tepelně izolační vlastnosti jsou v podmínkách žákovských měření zcela dostačující. Zručnost při měření a dodržování pracovního postupu má podstatně vyšší vliv na přesnost než „výrobní vady“ vlastního kalorimetru.

Přesnost zjištěných hodnot značně kolísá (desítky procent tabulkové hodnoty). Účelem práce však není přesné laboratorní měření, ale nácvik manipulace s měřicí aparaturou, zápis a vyhodnocování výsledků měření, hledání příčin odlišnosti výsledků od tabulkové hodnoty.

Při výrobě a použití kalorimetru se rozvíjí řada dovedností od plánování práce a manuální zručnosti při výrobě přes uplatnění poznatků o tepelné izolaci, měření hodnot, jejich zápis, výpočetní dovednosti, přiřazování jednotek k veličinám a osvojení fyzikálních veličin až po nácvik týmové činnosti.

Práce s vlastnoručně vyrobenou pomůcku je výrazně motivační. Osvojení učiva je nadprůměrné ve srovnání s jinými tématy v ročníku.

Výrobu kalorimetru doporučuji zadat jako dobrovolnou. Pomůcku vyrobí asi polovina žáků, což plně postačí. Laboratorní práci je vhodné provádět ve dvojici.

Autorem je Petr Špína, doktorand na Katedře fyziky PřF UHK. Učí na Prvním soukromém jazykovém gymnáziu v Hradci Králové a na základní škole na třídě SNP tamtéž.