Pár pokusů osvětlujících toky energie
Obsah
- Úvod
- Jak září Slunce
- Jak září ruce a tvář
- Měříme radiometrem
- Sledujeme vrstvy v oknech
- Jak co izoluje
Úvod
Vyznat se v tocích energie, které proudí kolem nás, není snadné, zvlášť když nejsou vidět. A vidět jsou jen málokteré -- vlastně jen takové, kdy se hýbe nějaký stroj, teče voda nebo fouká vítr. Ty hlavní toky, které lze shrnout pod pojem teplo, vidět většinou nejsou, až na skvělou výjimku: totiž světlo. Pod teplo spadá i záření, a některé záření vnímáme jako světlo. Abychom něco viděli, je nutný tok takového elektromagnetického záření do našich očí, které vnímají čípky a tyčinky našich sítnic.
Elektromagnetické záření jiných vlnových délek, než má světlo, sice nevidíme, ale cítit je přesto můžeme, je-li jeho proud větší nebo menší než je obvyklé.
V několika pokusech se naučíme všímat si i neviditelného záření a tepla jiné povahy než zářivé.
Jak září Slunce
Sluneční záření vnímáme hlavně očima. To, že i hřeje, víme sice také, ale uvědomujeme si to většinou méně.
Z filmů o indiánech si možná vzpomínáte na scény, kdy zajatec se zavázanýma očima byl později schopen říci, kam jeli na koních, protože cítil, že slunce ho po cestě hřálo např. do levého lalůčku.
Pomůcka: černá šála
Vyzkoušejte si také, jak vnímáte slunce se zavázanýma očima. Ještě citlivější než ušní lalůčky bývá celý obličej. Zkuste i jiné části těla. Nejste-li sami, požádejte pomocníka, ať s vámi několikrát zatočí (třeba na otočné židli) a zkuste ukázat, kde je na nebi Slunce. Zkuste to i v případě, že máte důkladně shora zakrytou celou hlavu.
Pak zkuste poznávat, kdy na váš obličej (ucho, ruku, ...) dopadá stín nebo polostín. Plný stín poznáte hned, ale zkuste i stín malého předmětu (prstu nebo prstů) pokrývající jen část obličeje nebo polostín předmětu (ruky) v dálce (polostín vzniká tehdy, když už předmět nezakrývá celý sluneční kotouč).
Další pomůcky: tabulky 15 cm imes 20 cm z obyčejného skla, silně železnatého skla, neželeznatého skla, skla s tvrdou vrstvou nízké emisivity, z Lexanu (tj. dutinkové polykarbonátové desky), poly-etylénové, -propylénové a -esterové fólie.
Pak zkuste předměty, které sluneční záření zčásti propouštějí, jako jsou okenní tabule nebo různé plastové fólie. Je zajímavé porovnat i různé druhy skel, případně různý počet vrstev.
(Poznámka pro zvídavé: Čím menší obsah železa, tím menší je pohlcování krátkovlnného infračerveného záření v něm, tedy neviditelné části slunečního záření. Obyčejným sklem projde kolmo devět desetin světla ale jen osm desetin celkového slunečního záření, sklem s nízkým obsahem železa projde i celkového záření přes 90 %. Ta necelá desetina se ztratí hlavně vinou odrazu na obou plochách skla.)
Spolehlivým způsobem, jak určit, které průhledná či průsvitná vrstva propustí více slunečního záření, je pohybovat před pozorovatelem (který pozoruje jen svou pokožkou) daným předmětem -- čím je změna znatelnější, tím spolehlivěji by měl pozorovatel oznámit okamžik, když na něj dopadne slabý stín, případně tím menší zastíněná plocha stačí na odhalení stínu.
Jak září ruce a tvář
Že září slunce, všichni vědí. Jen snad nevědí, že hlavní část slunečního záření, které nás hřeje, vnímáme též jako světlo (vinou historického omylu, kdy se mluvilo o ,,tepelném záření`` jako o něčem odlišném od světla).
Září ale také všechny předměty kolem nás a my sami, jen to naše záření má tolikrát větší vlnovou délku než sluneční, kolikrát je nižší naše teplota (absolutní teplota -- naše je kolem 300 K, sluneční kolem 6000 K, záříme tedy na vlnových délkách dvacetkrát větších než Slunce).
Každý si asi vzpomíná na to, jak hřejí horká kamna, i když na nás neproudí horký vzduch od nich. Kamna na nás totiž září.
Záření něčeho, co horké není, zaznamenáte nejsnáze, když před svou tváří pomalu přejedete rukou. I když se nedotknete, přesto přítomnost ruky na tváři ucítíte -- ruka vás bude hřát. Samozřejmě jen za předpokladu, že ji zrovna nemáte studenou.
Podobný pokus lze udělat naopak s předmětem velmi chladným, třeba s kusem ledu. Stačí ale i předmět vytažený z chladničky, jakýkoliv, který je o dost studenější než stěny nebo jiné předměty okolo vás. Tehdy ucítíte na tváři chlad -- studený předmět na vás totiž září méně než teplejší zdi. Záření s teplotou přibývá velmi rychle (hustota zářivého toku z předmětu je úměrná čtvrté mocnině jeho absolutní teploty) a možná poznáte i teplotní rozdíl několika stupňů, tak citlivá může být jemná pokožka.
Na tváři ale můžete cítit i záření vaší vlastní tváře. Potřebujete k tomu jen vhodné zrcadlo. Nestačí obyčejné, protože vrstva skla je pro vaše (dlouhovlnné infračervené) záření nepropustná a odráží je jen málo, chová se podobně jako vypnutá obrazovka vůči světlu. Zrcadlem pro vaše záření je jen čistá kovová vrstva. Tedy nejsnáze ,,alobal``. Přejeďte před svou tváří hliníkovou fólií, a vjem bude podobný, jako od teplé dlaně.
S pomocí asistenta pak můžete naslepo zkoušet poznat, kdy je před vaší tváří předmět odrážející její záření, i jak moc odráží -- kromě alobalu to může být kus plechu z jiného kovu, plastová fólie s napařenou vrstvou hliníku (zkuste plastovou i pokovenou stranu fólie), případně kovová vrstva zakrytá nějakým nátěrem. Zjistíte asi, že většina nátěrů odrazivost čistého kovu zcela znehodnotí. Zkuste i různé nekovové předměty, a zvláště pak tabulku skla opatřeného onou speciální (téměř neviditelnou) vrstvou odrážející dlouhovlnné infračervené záření (viz pomůcky výše).
Vyzkoušejte si i to, jak většina materiálů i v tenké vrstvě dlouhovlnné infračervené záření pohlcuje. Mezi dlaní a tváří protáhněte list papíru, tabulku skla a různé plastové fólie, tlustší i velmi tenké. Které z nich se chovají jako propustné, tj. že jejich přítomnost neucítíte? (Místo dlaně, která zas tak moc teplá není, můžete použít teplejší předmět, např. PET láhev s teplou vodou.)
Měříme radiometrem
Aby si člověk mohl spolehlivě vybrat mezi různými roletami a žaluziemi, které by mohly plnit funkci tepelné izolace, hodilo by se mu jistě nějaké přesnější zjištění odrazivosti různě upravených kovových povrchů. Zkusit to pomocí tváře je pro orientaci dobré, ale rozlišit drobné rozdíly mezi jednotlivými materiály tak jde dost těžko. Na odrazivosti přitom hodně záleží -- pokud před studené okno stáhnete roletu s odrazivostí přes 90 %, bude vám u rolety tepleji než jinde u vnější zdi místnosti. V roletě budete cítit svůj vlastní odraz a kolem něj odraz vnitřních stěn místnosti.
Pomůcka: jednoduchý radiometr z reflektoru a elektronického teploměru
Citlivou lidskou pokožku lze pro taková měření nahradit technickým zařízením sestávajícím z pokoveného zrcadla ve tvaru rotačního paraboloidu (takové mívají velké baterky a světlomety aut), v jehož ohnisku je umístěno malinké čidlo elektronického teploměru. Jestli je čidlo v ohnisku, lze ověřit např. namířením radiometru na pouliční lampu (na nezakryté Slunce ne, čidlo by se spálilo). Pro snazší míření zrcadla (čili reflektoru) je vhodné je umístit do roury asi třikrát delší, než je jeho průměr. Namíříme-li takové zařízení na hodně teplý předmět, např. horká kamna nebo plotnu vařiče, začne údaj na teploměru rychle stoupat. Čidlo se ohřívá dlouhovlnným infračerveným zářením z kamen.
Tempo, jakým údaj teploty stoupá, je tím větší, čím je tok záření mohutnější. Teploměr měří teplotu čidla v pravidelných intervalech, stačí proto jen zapisovat všechny hodnoty od začátku měření, dokud se teplota téměř v každém kroku mění. Před dalším měřením je pak nutno nechat teploměr vystydnout, nejsnáze tak, že se nechá namířený stále stejně, ale záření se přeruší tlustou izolační vrstvou.
Před dalším měřením pak lze vložit záření do cesty nějakou vrstvu, jejíž propustnost chceme zkoumat, a opět zaznamenávat vzrůst teploty. Zjistíte asi, že jen některé tenké plastové fólie propouštějí znatelně záření z kamen.
Zkoumání odrazivosti je ještě jednodušší, jen je potřeba umístit radiometr tak, aby na něj bylo možno vždy stejně odrážet záření z horké plochy. Pokud se odrazná vrstva odloží, čidlo vždy znovu vystydne.
Tempo vzrůstu teploty čidla říká spolehlivě, které materiály odráží více a které méně. Jak ale zjistit přesně, jak moc odrážejí? Které odráží jen zpoloviny tak dobře jako jiná?
Zhruba platí, že poloviční tempo nárůstu teploty znamená poloviční odrazivost. Ale lze dojít i k přesnějším údajům. K tomu využijeme masku s otvory, kterou dáme před tubus radiometru. Pokud otvory budou zabírat polovinu průřezu tubusu, pak víme, že na čidlo se dostává jen polovina záření. A pokud se v této sestavě s nejlépe odrážející vrstvou (lesklý rovný hliník) ohřívá čidlo stejným tempem, jako bez masky a s vrstvou znehodnocenou třeba nátěrem, pak je jasné, že odrazivost této vrstvy je právě poloviční oproti odrazivosti čistého hliníku.
Stejným postupem lze měřit i propustnost či odrazivost různých vrstev pro sluneční záření. Jen je potřeba dbát na to, aby se čidlo teploměru ohřívalo vhodným tempem a nemohlo se zničit. Nejjednodušší je nemířit rovnou na Slunce, ale nejspíše na jeho obraz v hrbaté hliníkové fólii. Jen pokud se měří propustnosti velmi nízké, na úrovni zlomku procenta, lze mířit i přímo do Slunce, těžko se to ale trefuje.
Sledujeme vrstvy v oknech
Kdo se už dobře seznámil nejen s viditelnou částí elektromagnetického záření, ale i se zářením delších vlnových délek, ležícím ve spektru za (doslova pod, proto se mu říká infračervené) viditelným červeným koncem, může porozumět i tomu, jak vlastně hřeje a izoluje okno.
Předchozí pokusy nám ukázaly, že přes skleněné souvrství projde většina slunečního záření, ale že dlouhovlnné infračervené záření z místnosti ven nemůže, hned první sklo je valnou většinou pohltí a zbytek (asi jednu šestinu) odrazí do zpět do místnosti.
Teplo přesto oknem ven odchází, je-li tam chladněji než uvnitř. Vnitřní, teplejší sklo září na vnější, chladnější, a to pak zase ven do ještě chladnějšího světa. Kromě toho se teplo šíří také prostřednictvím vzduchu. Těsně u skla se uplatňují jen nárazy jeho molekul na sklo a dál vzájemné srážky molekul vzduchu (tomu se říká vedení tepla), ale více než půl centimetru od skla začíná hrát roli i stoupání ohřátého vzduchu či klesání ochlazeného, tedy proudění zvané konvekce. Venku navíc bývá ohřátý vzduch odnášen od skla větrem, ale i u vnitřní plochy okna přispívá pohyb vzduchu v místnosti k ohřívání vnitřního skla.
Pokud je dutina mezi skly těsná, lze vzduch nahradit argonem, jehož těžší molekuly se pohybují pomaleji a argon proto vede teplo méně. Argon je levný, naplnit jím dutinu mezi skly znamená znatelné zdražení okna jen z toho důvodu, že je potřeba použít dvou různých tmelů místo jednoho (jeden z tmelů jen brání úniku argonu).
Většina toku tepla skrz okno se ale stejně odehrává právě zářením a ne prostřednictvím plynu. Jak omezit tento hlavní tok tepla, už víte: přidáním vrstvy, která funguje jako zrcadlo. Dokonale jej vyloučí např. čistě aluminiová žaluzie mezi oběma skly. Tehdy se ale ztratí funkce okna a vyloučí ohřev místnosti sluncem, a tak je takové opatření omezeno obvykle jen na noc.
Jak jste si ale vyzkoušeli, na skle může být vrstva, která odráží dlouhovlnné infračervené záření podobně jako hliník a přitom (téměř) není vidět. V dutině mezi skly, kde je argon a žádná vodní pára, může být taková vrstva úplně rovnocenná hliníku. Jedna strana dutiny v lepeném souvrství má být takto vždy upravena. Pak je zářivý únik tepla z vnitřního skla na vnější snížen až desetkrát, čímž se stane zanedbatelným.
Kvalitní okna, v nichž je hlavní viník špatného izolování (čili zářivý tok) zneškodněn, se na pohled téměř neliší od obyčejných špatných. Když ale vezmete vhodný předmět, např. hranu korunové mince, a zvenku jej přiblížíte k temnému oknu, uvidíte dobře několik odrazů -- na každé ploše v okně jeden. U obyčejného dvojskla tedy čtyři odrazy.
Podle vzdálenosti odrazů můžete dobře odhadnout tloušťku dutiny: odrazy od ploch, které ji omezují, jsou od sebe právě dvakrát dál. Odhadnout tloušťku skel je těžší, záleží totiž na úhlu, pod kterým hledíte. Podíváte-li se hodně zešikma, odrazy od obou ploch skla se k sobě velmi přiblíží. Díváte-li se pod úhlem asi 45 stupňů, jsou od sebe asi tak daleko, jak je sklo tlusté. Při pohledu téměř kolmo ke sklu jsou o třetinu blíž k sobě, než je dvojnásobek tloušťky skla. Místo odhadování můžete rovnou měřit, pokud si budete prohlížet odraz pravítka nebo jiného měřítka. Zkuste takto změřit tloušťku dutin v různých dvojsklech, která potkáte na budovách a v dopravních prostředcích, a výsledky si poznamenejte. Jak asi závisí izolační vlastnosti dvojskel na tloušťce dutiny v nich?
Pokud má jeden z odrazů na vnitřních plochách v okně zřetelně jinou barvu, je to znamení přítomnosti oné speciální vrstvičky, která se vůči dlouhovlnnému infračervenému záření chová jako hliníková, tedy jako dokonalé zrcadlo. Zkuste si takto prohlédnout nová okna na různých budovách. Majitele můžete pochválit, že instalací alespoň dvakrát lépe izolujících oken přispěl k omezení růstu skleníkového jevu. Zaručeně taková okna potkáte ve vlacích EuroCity.
Pomůcky: Vzorky okenních souvrství
Izolační vlastnosti okna se ještě zlepší, když se vrstva argonu v okně rozdělí na dvě, tím se potlačí proudění plynu. Takové okno má pak kromě obou krajních skel ještě prostřední průhlednou vrstvu. Může to být také sklo, výhodnější je ale vrstva plastová -- téměř nic neváží a nepřidává ani nic na tloušťce. Rozumí se, že je potřeba současně přidat vrstvu odrážející dlouhovlnné infračervené záření v nové dutině, pokud plastová vrstva není pro záření zcela propustná (a nestačí tedy dosavadní jediná odrazná vrstva). Existuje plastová fólie oboustranně opatřená ,,infračerveným zrcadlem`` (má označení hm88tc), která pak už může být mezi obyčejnými skly a vyloučí zářivý únik tepla oběma dutinami.
Taková hi-tech trojitá okna nejsou o nic těžší než běžnější hi-tech dvojitá, izolují ale ještě alespoň o třetinu lépe. Aby mohla být stejně tenká, plní se místo levným argonem mnohem dražším kryptonem, který k izolačním schopnostem oproti argonu ještě o trochu přispěje. Izolují čtyřikrát až pětkrát lépe než ta, která asi máte ve škole. I za zimních mrazů jimi uteče ven méně tepla, než přinese přes den dovnitř sluneční záření, a to i po dni, kdy nebylo ani chvíli jasno. Právem se jim proto říká superokna. V domě, kde jsou zvenčí tlustě izolované zdi a na jih velká superokna, nejsou potřeba radiátory.
Jak co izoluje
Pomůcky: Vzorky izolačních a stavebních materiálů, vč. pěnového skla a řady materiálů přírodních.
Do chladné místnosti nebo v zimě ven si nachystejte řadu různých materiálů, které se používají ke stavění nebo k tepelnému izolování.
Až vystydnou, sáhněte si prstem postupně na různé z nich. Napište, které studí více a které méně. Jsou takové, které ,,hřejí`` i když jsou chladné? Tok tepla z prstu pryč skrz ně je asi menší než únik z holého prstu zářením a vzduchem do okolí.
V první sekundě přísně vzato nejde jen o izolační schopnosti materiálu, ale také o to, kolik tepla je potřeba na prohřátí vrstvičky, která je v kontaktu s prstem. Zkuste proto rozlišit dojem v prvním momentu a pocity po pěti a deseti sekundách. (U kovových předmětů to ale v mrazu nepřehánějte, ať nepřimrznete.)
Někteří lidé se ještě stále domnívají, že dostatečně dobře izolují i cihly, třeba ty moderní se spoustou děr. Připadají vám jejich izolační schopnosti srovnatelné např. s polystyrénem, nebo třeba alespoň se dřevem? Které materiály byste označili za skutečně dobře tepelně izolující? Je některý z nich podobně pevný jako cihly?
(Poznámka pro zvídavé: Proč některé látky dobře izolují? Říká se, že je to proto, že obsahují hodně vzduchu, který nemůže proudit. Nám je teď už jasné, že to není všechno, musí přece také bránit proudu záření. To znamená, že stěny bublinek či vlákna musí být pro dlouhovlnné infračervené záření dostatečně neprostupné a musí jich být hodně, aby záření nemohlo rovnou z teplých míst do chladných. A konečně, vlákna či stěny bublin musí vést teplo jen málo, i když samotný jejich materiál vede teplo mnohem lépe než vzduch. Materiálu musí být tedy co nejméně, pomůže také, když cesta stěnami či vlákny od teplého kraje izolace ke studenému je velmi složitá a dlouhá. Příkladem může být dřevo -- to sice nepovažujeme za izolační materiál, ale můžete si na něm vyzkoušet, že po směru vláken a kolmo k nim izoluje různě mnoho. Pro úplnost dodejme, že některé izolanty obsahují na počátku nějaký lépe izolující plyn než vzduch, např. freony, ale to vydrží obvykle jen pár let, než nad takovým plynem v bublinkách převáží vzduch.)
Jeník Hollan, Hvězdárna a planetárium M. Koperníka v Brně (www.hvezdarna.cz) a Ekologický institut Veronica (www.veronica.cz), září 2000