Ako teplo z výparov produkuje chlad
Doteraz sme zistili, že na odparenie vody je potrebné teplo. Vieme však, že voda sa dokáže odpariť aj pri veľmi nízkych teplotách. Slnko odparuje vodu. Keď však slnko nesvieti, voda musí získať tepelnú energiu z iných zdrojov. Takým spôsobom túto vec ochladí tak, ako sa to napríklad deje s našou pokožkou, keď vyjdeme z bazéna. V našom dome využijeme tento smäd vody po teple ako našu výhodu. Táto kapitola sa zaoberá použitím tepla z odparovania pre ochladzovanie. Vyvinieme klimatizačný systém a chladničku a otestujeme ich výkon.
20. máj: Slnečnice pokryli celé pole svetlozeleným kobercom do výšky členkov. Je to odroda slnečníc s krátkou stonkou, napriek tomu každý deň vyrastú o 1 cm.
1. jún: Náš dom sa stal cieľom exkurzie pre mnohých domácich ostrovanov. Dnes k nám prišiel starší pekár s cestom so záujmom, či by mohol upiecť chlieb v našej solárnej rúre. Položili sme cesto do nádoby a tú sme dali do väčšej, ktorá už bola čierna a začmudená od uhlia. O hodinku a pol bol chlieb hotový. To presvedčilo aj posledného skeptika, že naša solárna rúra je jednoducho skvelá.
11. jún: majiteľ obchodu má ešte stále dosť prášku do pečiva. Ann objavila recept, ako ho použiť pre výrobu sódy z obyčajnej vody. Dávame ju do fliaš. Takto sa z našej dažďovej vody stáva perlivá minerálka. Oxid uhličitý dostáva fľašu pod tlak. Keď ju otvoríme, oxid uhličitý vyšumí na sklo a pomáha ho ochladiť.
Poháňanie vzduchu ventilátorom
Systém klimatizácie potrebuje ventilátor. Keďže potrebuje elektromotor, musíme pozerať dopredu. Až o dve kapitoly neskôr v časti „Energetické konvektory“ sa bližšie pozrieme na elektrický prúd. Tu budeme jednoducho predvídať a akceptovať prúd ako zdroj energie pre náš motor. Nuž zostrojme si ventilátor a pozorujme ho pri práci.
Potrebujete:
Dom so skleníkom
Držiak batérií (diel č. 23) s baterkou, pozri str. 61 pre správne zostavenie
2 pružinky, diel č. 29
Spojovacie káble, diel č. 33
Držiak na skúmavky, diel č. 11
Nosník žeriava, diel. č. 12 (alebo trám, diel č. 1)
Elektromotor, diel č. 26
Vrtuľa s 4 lopatkami, diel č. 34
1 prúžok papiera, nie je súčasťou balenia
Umiestnite vrtuľu na hriadeľ motora a ventilátor máte pripravený. Vložte motor do držiaka skúmavky a strčte tento držiak do otvoru v drevenom nosníku alebo tráme. Teraz tomu dajte „šťavu“. Do držiaka na batérie vložte baterku, ako je to popísané na strane 61 a pripojte káble k motoru. Kam smerujú lopatky vrtule, doprava alebo doľava? Fúka silno alebo len trochu? Dopredu alebo dozadu?
Teraz vymeňte prepojenie káblov. Čo sa stane? Otáča sa v opačnom smere. Fúka silnejšie naľavo alebo napravo a kam vzduch smeruje? Podržte kúsok papiera pred alebo za ventilátorom a zistite smer otáčania a na ktorej strane sa papier najviac hýbe. Teraz otočte vrtuľu na hriadeli, takže k motoru smeruje teraz druhá strana. Všimnite sa, že sa zmení aj smer prúdenia vzduchu. Teraz pozorujte, odkiaľ fúka vrtuľa najsilnejšie smerom od motora. Ste zmätení? Potíte sa? Teraz si môžete trochu vzduchu z ventilátora pustiť na svoje čelo.
Klimatizácia
Prosím, pripravte si:
Dom so skleníkom (už so zasadenými kartónovými oknami a dverami)
Držiak na batérie (s jednou batériou typu AA), pozri str. 61
Motor s vrtuľou so 4 lopatkami, diely č. 26 a 34
Spojovacie káble, diel č. 33
Drevená špajdľa, diel č. 9
Vreckovku, nie je súčasťou balenia
Sklenená nádoba s otvorom, do ktorej sedí polystyrénový kryt, nie je súčasťou balenia, skúste sklíčka z detskej výživy
Kruhový polystyrénový kryt, diel č. 46
Tmel alebo modelovacia hmota
Najprv odstráňte strechu domu. Do vnútra posaďte ventilátor miesta v stene tak, aby vrtuľa bola vo vnútri a mohla silné fúkať smerom od motora ku „klimatickej komore“ (takto nazveme miestnosť v našom dome). Použite tmel pre zakrytie otvorov okolo veľkého otvoru pre chladničku v prednej stene domu. Prestrčte špajdľu cez otvor nad ventilátorom až k zadnej stene a skrz prednú stenu v rovnakej výške. Namočte vreckovku a prikryte ňou špajdľu. Zatlačte nádobu do otvoru v stene domu. Použite tmel na utesnenie, ak je to nutné. Práve ste si namontovali chladničku, ktorú budeme v ďalších pokusoch skúmať.
Otvorte vnútorné klimatické dvere vo vnútornej stene domu a tiež domové dvere, ale len trochu. teraz ste vytvorili cestičku pre prúd vzduchu: musí smerovať od ventilátora cez zadnú stenu do klimatickej komory, unášaný vlhkou vreckovkou a skrze klimatické dvere do stredu domu až nakoniec vzchádza dvermi v prednej stene. Klimatizačný systém je teraz pripravený na pokusy. Dom teraz uzavrime.
Systém klimatizácie funguje bez ventilátora. Otvor v hornej časti veže zachytáva vietor a vedie ho vždy skrze chladné pozemné tunely, odkiaľ už prúdi ako čerstvý vzduch do budovy.
Pohľad na náš klimatizačný systém. Modrá šípka ukazuje smer prúdenia studeného vzduchu.
Takto pripojíte ventilátor od držiaka batérie k drôtom.
Veci sa v našom dome ochladzujú
Budete potrebovať klimatizáciu (viď predchádzajúcu stranu) a teplomer.
Najprv nechajte svietiť slnko alebo lampu na dom, motor nechajte vypnutý. Vnútorné okná v skleníku a domové dvere nechajte uzavreté. Sklenenú nádobu predstavujúcu chladničku nechajte dnu. Napriek tomu, že je dom úplne uzavretý, začne sa zvnútra otepľovať, pretože strecha a južná stena privedú určité množstvo tepla dovnútra. Simulujeme si horúci letný deň. Po štvrťhodine vložte teplomer cez otvor na meranie na vrchu strechy až po podlahu. Odčítajte teplotu a poznačte si ju. Teraz nám je už príliš teplo a zapneme klimatizačný systém. Navlhčite vreckovku vodou, ale tak, aby nepretiekla. Prikryte ňou špajdľu tak, aby jej koniec bol tesne nad podlahou. Ak je príliš veľká, zložte ju. Musíte nechať nejaký priestor na prednej a zadnej strane. Ak je to nutné, vreckovku otočte. Experimentujte s ňou. Namiesto vreckovky môžete tiež použiť papierové kuchynské utierky.
Opäť zatlačte strechu späť na dom, vložte teplomer a spustite klimatizačný systém tak, aby podporovalo prúdenie vzduchu do domu. Uistite sa, že vnútorné klimatizačné dvere sú otvorené a domové dvere len trochu. lampu nechajte svietiť na strechu (alebo nechajte dom na slnku) – to znamená, že náš horúci letný deň pokračuje. Nechajte systém bežať polhodiny, potom odčítajte teplotu z teplomera, o koľko stupňov sa znížila teplota. Vnútro domu má už teplotu podlahy. Cítime sa už lepšie?
Vidíte, že je možné schladiť sa vodou a vetrom. Čo sa vlastne stalo? Otvorte strechu a dotknite sa vreckovky. Je stále vlhká ako na začiatku? Určite nie, pretože časť vody sa odparila a bola unesená prúdom vzduchu. A toto odparovanie má chladiaci účinok. Alebo povedané inak: použilo sa teplo. V sekcii o dôležitých termínoch sa dozviete, čo je to „Teplo z odparovania“.
Naše chladiace experimenty spotrebovali teplo a teda viedli k ochladeniu. To sa stalo vďaka odparovaniu vody. Ventilátor vzduchu musí obsahovať vodu.
Aby sme preukázali obsah vodu vo vzduchu, musíme zmerať vlhkosť vzduchu pomocou zariadenia zvaného vlhkomer.
Hustý vzduch: pokus s vlhkosťou
Budete potrebovať presne to, čo v predchádzajúcom pokuse a navyše váš podomácky vyrobený vlhkomer.
Keď sa ochladzujeme klimatizáciou, musíme odpariť vodu. To znamená, že vlastne naplníme vzduch vodou, alebo, presnejšie, neviditeľnou vodou, parou. Tento typ ochladzovania má svoje nevýhody. V lete síce môže byť veľmi pohodlné. Ale ak je vzduch vlhký ako napríklad v tropických lesoch a vaša pokožka je lepkavá, potom to už nie je príjemné. Poďme zistiť, aký „skok“ urobíme z vlhkomerom vďaka vlhkému vzduchu z klimatizácie.
Zopakujeme si predchádzajúci experiment. Tentokrát ale vložíme vlhkomer spolu s teplomerom, opäť zo stiahnutou strechou, na podlahu v strede domu. O päť minú skontrolujte čo indikátor vlhkomeru ukazuje. Potom vlhkomer vyberte, zapnite klimatizáciu na polhodiny. Než ju zastavíme, opäť odstráňte strechu a vložte vlhkomer späť. Nechajte ventilátor bežať ďalšie dve minúty a odčítajte hodnotu na vlhkomere. Aby ste zistili, ako to urobiť, prečítajte si sekciu „Zostrojte si to!“ v časti o vlhkomere. Aký to bola teda zmena, veľká alebo malá? Za normálnych okolností sa vlhkomer nevynáša z miestnosti a potom prinesie naspäť. Ale náš nástroj je vyrobený z lepenky a ak sa navlhčí, mohlo by to viesť k chybným meraniam.
1. Nalepte indikátor na plastové koliesko. (Poznámka: indikátor na kartóne 1 sa skladá len z polovičného segmentu. Ak je vratná sila na indikátore kolesa príliš nízka, môžete neskôr dolepiť chýbajúci segment. Stačí si vziať kus kartónu.)
2. Vložte kolík
3. Nalepte kryt vlhkomeru
4. Vložte krátky kolík a čap
Vlhkomer
Potrebuješ
1 plastové koleso, diel č. 36
Drevenú špajdľu, diel č. 9
Predrezanú lepenku, diel č. 1
1 dlhý ľudský vlas, nie je súčasťou balenia
Nožnice, nie sú súčasťou balenia
Lepidlo, diel č. 17
Šmirgľový papier, diel č. 40
Ihlu na šitie, nie je súčasťou balenia
1 veľkú misku alebo nádobu, nie je súčasťou balenia
1 tanierik, nie je súčasťou balenia
1 vlhkú utierku, nie je súčasťou balenia
Najprv nalepte červený polkruh z kartónu s ihlou indikátora na plastové koleso, ako je ukázané na obrázku 1. pomocou silných nožníc alebo pílky odrežte 3cm dlhý kus drevenej špajdle: vyhlaďte odrezaný koniec šmirgľovým papierom vložte kus do otvoru na kolese, ako je znázornené na obrázku 2. Teraz vložte väčší kus hriadeľa otvorom ložiska na stupnicovej strane krytu. Zadnú stranu otočte a druhý koniec hriadeľa vložte do zodpovedajúceho otvoru ložiska. Zlepte kryt dohromady, ako to vidíte na obrázku 3, a potom ho prilepte k základnej doske.
Teraz odrežte 3 cm dlhý kus drevenej špajdle. Nezabudnite konce ošmirgľovať. Kus vtlačte do voľných otvorov v spodnej časti krytu, ako je to znázornené na obrázku č. 4. To bude kotviaci bod pre vlasy. Teraz prebite diery kolíkom zvonku v mieste označenom krížom na prednej a zadnej strane krytu a vložte ihlu z prednej strany cez oba otvory.
Teraz potrebujete ľudský vlas dlhý približne 15cm. Ak nemáte také dlhé vlasy, iste sa vo vašom okolí niekto taký nájde. Samozrejme sa najprv opýtajte. Tenšie a svetlejšie vlasy fungujú lepšie ako hrubé vlasy. Prilepte jeden koniec vlasu lepidlom k prednej strane hriadeľa. Počkajte, kým uschne, potom obtočte vlas dva alebo trikrát okolo hriadeľa v protismere hodinových ručičiek. Teraz je už napojený. Rovnakým spôsobom pripojte druhý koniec ku kotviacemu bodu. Vložte voľne visiaci vlas do ihly a otočte kotviacim bodom, až kým nebude vlas napnutý. Teraz otočte hriadeľom, až pokým indikátor nesmeruje nahor k stredu stupnice a v tejto polohe ho podržte. Druhou rukou otočte kotviaci bod až tak, aby ste cítili napätie, akoby ste držali indikátor v druhej ruke (je možné, že budete musieť otočiť kotviaci bod opäť trochu vzad). Teraz niekoľkokrát jemne poklepte po kryte, aby vlas zapadol. Ak sa indikátor vzdiali od stredového bodu, môžete ho vrátiť späť povolením závitu vľavo alebo vpravo na kotviacom bode, aby sa „zaplomboval“.
Ak chcete vlhkomer „kalibrovať“ alebo indikovať počiatočné a konečné hodnoty na stupnici, musíte ho vložiť na miesto so 100% relatívnou vlhkosťou a na miesto s 0% vlhkosťou.
Najprv si vytvoríme priestor s relatívnou vlhkosťou 100%. Začnite tým, že obrátite misku hore nohami, položíte ju do hrnca a zalejete vodou až do úrovne, ktorá pokryje dno, ale umožní miske ostať nad hladinou a v suchu. Potom na hrniec položte mokrý uterák a nechajte ho takto cez noc. Nasledujúci deň rýchlo trochu nadvihnite uterák a do misky vložte vlhkomer. Po pár minútach uterák odstráňte, vezmite vlhkomer a odčítajte hodnotu. Kým je nástroj stále v hrnci, urobte na stupnici čiaru. Táto bude označovať „100% relatívnu vlhkosť.“ Akékoľvek ďalšie merania túto hranicu neprekonajú.
Teraz prejdeme na priestor s 0% vlhkosťou. Tú si môžeme priblížiť nastavením skleníka so zavretými oknami, vlhkomerom vo vnútri, na slnku (alebo pod lampou) a z času na čas položením vlhkej vreckovky na vrchnú stranu krytu. Po polhodine odčítajte hodnotu na vlhkomere a označte „nulovú hranicu“ na stupnici. Ak ste trpezlivý, môžete si vlhkomer označiť značkami pre 10, 20, 30... až 90%.
Pred odčítaním hodnôt by ste vždy mali ľahko poklepať palcom na stenu vlhkomeru na prekonanie „vnútornej zotrvačnosti“ (dôvodom je trenie dreveného hriadeľa v ložiskových otvoroch). Teraz je váš vlhkomer pripravený na použitie.
5. Pripevnite vlas k indikačnému hriadeľu kvapkou lepidla. (Dôležité: nech sa vám lepidlo nedostane na steny kartónu, inak sa hriadeľ nebude otáčať).
6. Takto vyzerá pripevnený vlas
Otestujte si chladničku
Budete potrebovať dom s namontovaným klimatizačným systémom pripojeným na držiak batérie, ďalej teplomer, gumičky (diel č. 28) a vodu.
Ak si dokážeme ochladiť celý náš dom systémom klimatizácie, musí to rovnako fungovať aj pri chladničke. Za týmto účelom uzavrite vnútorné klimatizačné dvere medzi klimatizačnou miestnosťou a stredom domu a opäť otvorte vetracie otvory okolo otvoru na chladničku. Tentokrát obtočte vlhkú handru okolo sklenenej nádoby a zaistite ju dvomi gumičkami. Naplňte nádobu 3 čajovými lyžičkami vody a odmerajte teplotu vody v nádobe. Položte strechu na dom a zapnite ventilátor. Teraz bude chladný vzduch vychádzať von z vetracích otvorov. Na teplomere vidíte, že teplota v chladničke pomaly klesá. Po polhodinke vyberte nádobu vonku, trochu ňou pretrepte, otvorte ju a odmerajte teplotu vody. O koľko stupňov klesla?
Pohľad do našej chladničky.
Rosa. Voda, vodná para a relatívna vlhkosť
Vzduch stále obsahuje určité množstvo vody vo forme plynu, teda vodnú paru. Tá je väčšinou neviditeľná. Ale vzduch nie je schopný absorbovať neobmedzené množstvo vodnej pary. V určitom objeme sa dosiahne „bod nasýtenia“ a vzduch nedokáže absorbovať viac. Potom bude vzduch nasýtený. „Maximálna vlhkosť vzduchu“ bola dosiahnutá. Táto úroveň takisto závisí na teplote: teplý vzduch môže obsahovať viac vodnej pary ako studený. Jeden meter kubický vzduchu je nenasýtený pri teplote 20˚C a jeho ochladenie v noci môže dosiahnuť bod nasýtenia. Počas tohto postupu môže skutočné množstvo obsiahnutej vody, čo je „absolútna vlhkosť vzduchu“, ostať rovnaké. Ak je vzduch ochladzovaný ešte viac, para bude kondenzovať pri najbližšej príležitosti, napríklad ako rosa na streche auta alebo na okne. Alebo môže kondenzovať na malé prachové častice v atmosfére, ktoré ostávajú uzavreté vo vode a padajú na zem vo forme dažďa. Ak je žiadúce vyjadriť, ako je vzduch nasýtený vodou v percentuálnych hodnotách, používa sa termín „relatívna vlhkosť vzduchu.“ Táto hodnota môže byť vypočítaná vydelením hodnoty absolútnej vlhkosti vzduchu hodnotou maximálnej vlhkosti vzduchu. V zdravom vnútornom prostredí je relatívna vlhkosť vzduchu 50%.
23. jún: Je začiatok leta a slnko dosiahlo svoj najvyšší bod. Naše maslo a syr sa nám už niekoľko dní roztápajú. Je dobré, že Daniel s Bennym urobili chladničku. Pozostáva z kovovej nádoby s plášťom z dreveného uhlia, ktoré pohromade držia drôteným pletivom. Uhlie je pravidelne sypané a nasycuje sa vodou, ktorá sa potom vyparuje zo svojho veľkého porézneho povrchu. Chladnička na uhlie visí na vetve stromu pred našim domom, čo je vzdušné miesto v tieni. Zalievanie je v súčasnosti trochu ťažkopádne. Čoskoro ale napojíme elektrické čerpadlo.
25. jún: Dnes fúka silný, ale teplý južný vietor. Báli sme sa, že sa jedlo v chladničke zase roztopí a pokazí. Práve naopak! Vonku je v tieni 95˚F (35°C), ale v chladničke len 60˚F (15°C). Daniel povedal, že chladnička funguje najlepšie pri teplom suchom vzduchu, pretože vtedy sa vyparuje najväčšie množstvo vody. Skoro ráno sme si boli zaplávať v oceáne. Potom sme sa postavili do vetra, no namiesto teplého vzduchu sme dostali husiu kožu. Pár minút sme sa cítili ako chodiace chladničky.
Husia koža a teplo odparovania
Teplo, ktoré je potrebné na vyparenie alebo odparovanie kvapaliny sa volá „teplo odparovania.“ Toto teplo musí odniekiaľ pochádzať. Už ste určite cítili tepelnú stratu na svojom tele, keď ste vyšli vody po plávaní a dostali ste husiu kožu. V našom systéme klimatizácie je teplo extrahované z mokrej vreckovky pomocou prúdu vzduchu. Podobne je to aj pri chladení. Funguje to ale aj opačne: keď vlhký vzduch neskôr narazí na chladný povrch, môže sa otočiť a zbaviť sa vody. Ale toto takzvané „kondenzačné“ teplo sa opäť uvoľní. Hoci sa voda môže odparovať pri 0˚C, najviac tepla absorbuje pri vare, čo je pri teplote 100˚C. Preto moderné chladničky a klimatizačné jednotky neodparujú vodu, ale namiesto toho používajú špeciálne chladiacu kvapalinu. Tradičný chloroflorokarbón (CFC) a propán, ktorý je šetrnejší k životnému prostrediu, sa odparujú pri nízkych záporných teplotách. Väčšina z nich prechádza uzavretým kruhom v dvoch fázach. V prvej fáze prebieha odparovanie a chladenie vo vnútri chladničky alebo domu. V druhej fáze prebieha opäť kondenzácia a teplo sa uvoľňuje von. Ako viete, horúci vzduch stúpa vždy za chladničkou a odpadový vzduch z profesionálnych systémov klimatizácie je oveľa silnejší. A možno ste videli aj toto: všetky klimatizačné systémy majú odvod vody. Prečo?