1
Názov projektu: CIV – Centrum Internetového vzdelávania FMFI Číslo projektu: SOP ĽZ 2005/1-046 ITMS: 11230100112
Tepelné straty okolo nás
Peter Demkanin, FMFI UK
Človek je teplokrvný tvor. Nato aby existoval, potrebuje si udržovať
stálu telesnú teplotu. V dome keď chceme, aby bola stála teplota,
musíme kúriť, pretože časť energie uniká vo forme tepla, takže je
nutné neustále dodávať vzniknutý deficit energie. Tak isto aj človek
neustále vyrába energiu. Vyrába? Nie, mení iba jednotlivé formy
energie. Ale ako je možné, že ju dokáže meniť a tým získavať energiu
potrebnú pre organizmus? A čo tepelné straty? Takisto i človek je
stroj, ktorý nedokáže pracovať ako perpetuum mobile. Na druhej
strane sú tieto straty dôležité? Mohli by sme existovať aj bez nich?
2
Tepelné straty z hľadiska príčiny môžeme rozdeliť nasledovne:
1. Tepelné straty v dôsledku udržiavania telesnej teploty. 2. Človek je stroj, teda takisto dochádza k energetickým stratám. 3. Ľudské telo je spravidla vždy obklopené prostredím, ktoré má inú
teplotu, čo spôsobí následnú tepelnú výmenu. Úlohou človeka je zamedziť nadmernému tepelnému toku.
Čo je teplo?
Čo je teplo? Niekedy pomerne zložitá otázka, najmä vtedy, keď používame
pojmy, ktorým nerozumieme. Často počujeme, že dochádza k výmene tepla. Je to
zaužívaný zvrat, ale čo si máme pod ním predstaviť? Je to niečo konkrétne, keď sa to
môže vymieňať? Každé teleso je zložené z častíc, či už molekúl, iónov, ktoré sú
chaoticky usporiadané. Tieto častice vykonávajú akýsi pohyb. Práve kinetická energia
všetkých častíc tohto telesa tvorí jeho vnútornú energiu. Čo sa stane, ak zvýšime
vnútornú energiu telesa? Zvýšime ju tak, že v podstate sa zvýši kinetická energia častíc,
ktoré tvoria teleso. Teda musíme ich nejako postrčiť, aby sa pohybovali ešte viac
chaoticky, teda rýchlejšie. Napríklad zatĺkame klinec do dosky. Tlakom kladiva
pôsobíme silovo na častice klinca. My im dodávame energiu, pretože konáme prácu,
a oni za to behajú rýchlejšie. Zo skúsenosti vieme, že tento „ zrýchlený beh“ spôsobí
zahriatie klinca, teda povieme, že tam vzniklo teplo. Keď si uvedomíme, čo sa vlastne
dialo s časticami, zistíme, že sa nestalo nič iné, ako že sme zvýšili vnútornú energiu
klinca. Našou prácou na častice sme zvýšili vnútornú energiu klinca, čo sa prejavilo
zahriatím. Prírastok vnútornej energie tvorí práve teplo. Ak chceme byť korektný, teplo
je určitá forma energie, teplo sa koná, nedochádza k výmene tepla, lebo teplo ako také
neexistuje tak, ako nenájdeme v prírode silu, ktorá je iba mierou interakcie častíc.
Nemôžme povedať, že teplo je v podstate iba prácou. Príkladom je zdvíhanie napríklad
10 kg závažia do výšky 2 m. Človek vykoná prácu veľkosti 200 J, ktorá sa ale premení
na zvýšenie potenciálnej energie. Svojím spôsobom je teplo niečo záhadné. Je to určitá
forma energie, ktorá nie je ale úplne prácou, iba za určitých podmienok, ktorým sa
nebudeme venovať, ale takisto to nie je niečo, čo môžeme preniesť z miesta na miesto.
Na šírení tepla majú zásluhu častice, ktoré interagujú s inými. Možno sa zdá, že pojmy
3
ako teplo, výmena tepla sú neadekvátne pomenovania istých javov. Ale ak rozumieme,
čo nám chcú povedať, je jednoduchšie ich používať, ako opisovať, čo znamenajú.
Dôležité na zapamätanie si je, že teplo nemožno odovzdať ani prijať
(odovzdáva sa energia), pretože teplo sa koná. Predstavuje časť kinetickej energie
neusporiadaného pohybu častíc látky.
Už bolo spomenuté, že ak nejakým spôsobom zvýšime kinetickú energiu častíc
látky, tak tá sa zohrieva. Práve mierou neusporiadaného pohybu týchto častíc je teplota,
ktorá charakterizuje danú látku. Teplotu možno merať vo viacerých stupniciach. Vo
fyzike sa stretávame najmä s termodynamickou teplotnou stupnicou, v bežnej praxi
používame Celsiovu teplotnú stupnicu, ale napríklad v USA často používajú
Fahrenheitovu stupnicu,
Dôležitou veličinou v spätosti s teplom je tepelný tok. Predstavuje množstvo tepla,
ktoré prejde plochou za jednotku času. Jednotkou je watt [W].
1. Udržiavanie telesnej teploty
Ako bolo spomenuté, vzniknuté tepelné straty musia byť nahradené novou
energiou a tú človek získava z jedla. Potrava sa spracuje, dochádza ku chemickým
reakciám, pri ktorých sa uvoľňuje energia. Proteíny sa premenia na aminokyseliny,
uhľovodíky na cukry a tuky, glycerol na mastné kyseliny. Tieto chemické látky sú
okysličované v bunkách kyslíkom zo vzduchu, ktorý dýchame. Tento proces sa nazýva
aeróbne spaľovanie, teda za prítomnosti kyslíka. Je opakom fotosyntézy u rastlín, kde
sa ukladá slnečná energia a následne je premenená na kyslík. Najdôležitejšia je
oxidačná reakcia glukózy, pri ktorej sa uvoľní asi 17 MJ z 1 kg glukózy. Jedlo
nemôžme považovať priamo za zdroj energie, pretože následné chemické reakcie sú
pomalé, nestihnú ihneď reagovať na takéto požiadavky. Energia uvoľnená pri spaľovaní
je určená na vytváranie fosfátových väzieb v molekule zvanej adenozín trifosfatáza
(ATP). Na vytváranie takýchto väzieb tak, ako na všetko, je potrebná energia. Preto
organizmus potrebuje viac energie na tú ktorú činnosť ako je nutné, práve kvôli
vytváraniu týchto väzieb. ATP je prenášaná krvou kdekoľvek je nutná energia, ktorá sa
4
získa opätovným rušením fosfátových väzieb. Asi 55% z energie získanej z ATP sa
stráca pri premene vo forme tepla, zvyšok je určený na prácu v tele, či prácu svalov.
Nie vždy môžeme dlho čakať na prísun potrebnej energie, pretože k tomu je veľmi
potrebný kyslík. No niekedy máme kyslíka nedostatok. Napríklad pri náročných
cvičeniach športovcov, ale aj my poznáme situáciu, keď ideme na tzv. kyslíkový dlh,
napríklad pri šprinte. Tento proces sa nazýva anaeróbne spaľovanie, teda bez
prítomnosti kyslíka, premieňa sa glukóza na mliečne kyseliny. Je to veľmi neefektívny
proces, pretože z 1 kg glukózy získame iba 800 kJ! Takisto zo skúsenosti vieme, že na
kyslíkový dlh môžeme bežať iba niekoľko sekúnd. Takto môžeme dosiahnuť výkon až
7 000 W, ako niektorí vrcholoví športovci, ale iba na krátko. Samozrejme nie všetka
energia je premenená na „užitočnú“ prácu. Viac ako 50 % sa premení na iné formy
energie, ako je napríklad teplo.
Človek aj keď nič nerobí, potrebuje energiu, aby udržal základné telesné procesy
ako napríklad dýchanie, tlkot srdca, udržovanie telesnej teploty... Tieto chemické
procesy, ktoré sa dejú v telových bunkách spadajú pod tzv. bazálny metabolizmus. Je
meraný vo wattoch a pre každého človeka je iný. Závisí od pohlavia, veku... Pri
akejkoľvek telesnej aktivite dochádza ku zvyšovaniu hranice metabolizmu. Ak energia
dodaná z potravy je nižšia, ako organizmus potrebuje, musí sa čerpať zo zásob, teda
spaľovaním tukov, vtedy chudneme. Naopak pri prebytku sa ukladá do zásoby.
V nasledujúcej tabuľke je uvedených niekoľko hodnôt výkonu človeka pri
niektorých aktivitách. Je jasné, že niektoré z nich nemôže vykonávať dlho, preto aj keď
sa zdajú niektoré hodnoty nereálne, ak si zrátame energiu za daný čas, výjde nám
približne okolo 20 MJ pre ťažkú prácu, 10 MJ pre ľahkú a minimálna je okolo 6 MJ.
Aktivita Výkon P / W
minimum 60 - 90
sedenie 80 - 150
prechádzanie 100 – 300
domáce práce 150 – 450
plávanie 300 – 550
chodenie po schodoch 400 – 850
5
beh, squash 400 - 1400
Denne potrebuje organizmus približne 10 MJ. Predstavte si, že dodáte takéto množstvo vo forme potravy, ale okrem toho sa ešte vydáte na cyklotúru, pričom sa bicyklujete dve hodiny. Tejto aktivite zodpovedá metabolická hodnota 7,6 W.kg-1. Koľko tuku spálite, ak energetický ekvivalent tuku je 38,9 kJ?
Závislosť bazálneho metabolizmu od veku
Na grafe vidíme, že deti majú oveľa vyšší bazálny metabolizmus, preto najmä
v tomto období musia mať vyšší prísun energie ako dospelí. Deti majú väčší povrch tela
vzhľadom k objemu tela, teda strácajú oveľa viac tepla a teda potrebujú viac energie na
udržanie telesnej teploty. Takisto i malé osoby majú pomer povrch / objem pomerne
veľký, takže tepelnú energiu strácajú rýchlejšie ako väčšie osoby. Napríklad radiátory
slúžia k tomu, aby dokázali vykúriť miestnosť. Musia dostatočne vyžarovať teplo
a k tomu je nutný dostatočný povrch, cez ktorý sa môže vyžarovať energia. Preto sú
skonštruované tak, aby mali čo najväčší povrch. Ak by mali tvar jednoduchého kvádra,
ich povrch by bol niekoľkokrát menší, ako keď majú viacero článkov. Vidíme to aj na
motoroch, tie takisto nemajú hladký povrch, práve kvôli chladeniu. Podobne je to aj
s človekom: čím má väčší povrch vzhľadom k objemu, tým viac tepla vyžaruje.
Prečo krtko zje oveľa viac potravy ako je jeho telesná hmotnosť, keď človeku stačí iba niekoľko stotín?
Stále sa hovorí, že je nutné udržovať telesnú
teplotu. Ale prečo je to tak dôležité? Odpoveďou sú
Vek / roky
BM / W.m-2
muži
ženy
6
chemické procesy, ktoré sú veľmi závislé od teploty. Napríklad zmena teploty o 1°C
zmení bazálny metabolizmus (BM) až o 10 %. Teda ak človek má teplotu 40 °C, jeho
bazálny metabolizmus je o 30 % vyšší ako normálne. Naopak pokles o 3 °C spôsobí
pokles BM o 30 %. Tento postup vysvetľuje správanie zvierat, ktoré sa pripravujú na
prezimovanie tým, že znížia telesnú teplotu a tým ich organizmus vyžaduje oveľa menej
energie ako v bežných podmienkach. Čo by sa stalo, keby teplota tela bola naozaj mimo
prijateľných limít? Ak človek má vysokú horúčku (hyperthermia alebo hyperpyrexia)
spôsobí, že proteínové bunky v tele sa zrútia. Napríklad teplota 41 °C môže viesť ku
krvácaniu do tkaniva, čo by mohlo viesť k poškodeniu mozgu. Pri teplote 44 °C nastáva
smrť už v priebehu pár hodín. Opačným prípadom je hypothermia, teda nízka telesná
teplota. Pri 30 °C systém regulovania teploty sa zrúti, je zasiahnutá činnosť srdca
a dýchanie. Pri 27 °C sa objaví smrť.
Takže už každý chápe, že je nutné udržovať stálu teplotu. Ale ako je možné, že
môžeme existovať v prostredí, ktoré má niekedy aj o niekoľko desiatok stupňov menej?
Náš organizmus je skonštruovaný tak, aby jednotlivé chemické procesy pri spracovaní
potravy dokázali poskytnúť dostatok energie, aby bol prekonaný aj tento problém.
Telo je prispôsobené tak, aby vedelo správne regulovať teplotu, takže akékoľvek
zmeny musia byť zaregistrované a následne spracované. Toto spracovanie, či
prispôsobenie tepelného toku z orgánov nastáva stiahnutím alebo naopak rozšírením
krvných ciev, nachádzajúcich sa práve pod kožou. Keď sa cievy rozšíria, tepelné straty
môžu byť päť až šesťkrát vyššie. Najdôležitejšiu úlohu pri regulácii teploty zohráva
hypotalamus, ktorý je časťou mozgu. Monitoruje a kontroluje teplotu krvi v strede tela,
posiela odkazy nervami, aby sa rozšírili alebo zúžili krvné cievy blízko kože. Teda ak sa
zvýši teplota v strede tela, krvné cievy sa začnú rozširovať, aby sa zvýšil krvný tok
a tým aj tepelný. Ak takáto strata nie je dostatočná, hypotalamus pošle signály, aby sa
produkovalo viac potu – tak ako keď sme chorí: teplota sa zvýši a aby to nenarušilo
procesy v tele, telo sa bráni a začne produkovať pot, čo je dosť efektívna metóda na
zníženie teploty.
Počas letných horúčav príde najviac vhod okúpať sa niekde na kúpalisku. Keď vyjdeme po dlhšej dobe von, je nám zima. Ako je to možné, veď vonku je okolo 30 °C?Viete to vysvetliť? Ako to súvisí s tepelnými stratami?
7
Prerátajte hodnoty bazálneho metabolizmu (pri rôznych typoch aktivít) z MJ na kW.h a porovnajte s údajom spotreby elektriny u vás doma na jednu osobu. Koľko by ste zaplatili elektrárňam za „fungovanie“ vášho organizmu?
8
2. Človek ako stroj
Ako už názov tohto projektu hovorí, je nutné hovoriť aj o tepelných stratách, ktoré
odvádzajú časť získanej energie. Je známe, že všetky telesá, ktoré sú zohriate na určitú
teplotu, žiaria alebo svietia. Takisto aj človek svieti ako teleso zohriate na teplotu 37 °C,
takže toto je jeden spôsob straty tepla. Aké sú ďalšie formy? Ľudské telo dokáže
regulovať teplotu najmä tromi metódami: vedením, prúdením a žiarením. Dodatočne
cez vyparovanie, dýchanie a vylučovanie. Úroveň straty tepla musí byť v rovnováhe
s udržiavaním telesnej teploty.
Prvá metóda regulovania teploty je vedenie tepla. Pri styku dvoch telies s rôznymi
teplotami dochádza k prenosu tepla. Ak sa chytíme kovovej lyžice, ktorá je vo vriacej
vode, popálime sa, i keď sme sa vody ani nedotkli. Sú látky, ktoré vedú teplo lepšie, ako
napríklad kovy, ale aj izolanty, ako napríklad drevo, textil, či vzduch. Keďže človek
sa dostáva do styku práve s takýmito látkami, výdaj tepla vedením je u človeka malý.
Rýchlosť prenosu tepla závisí od rozdielu teplôt medzi dvoma koncami telesa, od
vzdialenosti, prierezu a od tepelnej vodivosti materiálu. Vedenie nastáva pri všetkých
skupenstvách látok.
Ďalšou metódou je prúdenie tepla, ktoré nastáva iba pri kvapalinách a plynoch.
Niekedy je ťažké rozlíšiť, či sa jedná o prúdenie, či vedenie. Ako vieme, teplota úzko
súvisí s chaotickým pohybom častíc. Ak je látka teplejšia, jednotlivé molekuly sa
pohybujú rýchlejšie. Preto pri styku s pomalšími molekulami dochádza k odovzdávaniu
tepelnej (kinetickej) energie častíc. Pri vedení bola látka v pokoji, teplo sa prenášalo
vzájomnými zrážkami molekúl. Pri prúdení prúdi vzduch a so sebou „prenáša“ aj
vnútornú energiu z miesta na miesto. Klasickým príkladom prúdenia tepla je ústredné
kúrenie, či komíny, kde teplo sa prenáša horúcou vodou, či horúcim vzduchom.
Napríklad vzduch v blízkosti radiátora sa zohrieva, čiže klesá jeho hustota a stúpa
nahor. Naopak studený vzduch je „ťažký“, teda prúdi (padá) na miesta, kde bol teplý
vzduch. Postupne dochádza ku cirkulácii vzduchu. Niečo podobné je aj pri komínoch.
Teplý vzduch sa rozpína, klesá jeho hustota, a preto stúpa nahor. Dochádza ku
zrýchleniu prúdenia vzduchu (na základe Archimedovho zákona a závislosti tlaku
9
vzduchu od výšky), čím na miestach s teplým vzduchom klesá tlak, a to na základe
Bernoulliho rovnice. Potom ostatný vzduch je doslova vťahovaný nahor. Čím vyšší
komín, tým lepší ťah. Možno to vidieť napríklad na vysokých továrenských komínoch,
ktoré samozrejme okrem iného musia byť ohľaduplné k životnému prostrediu.
U človeka sa teplo odvádza prúdom krvi. Z činných orgánov ako svaly, pečeň, sa
rozvádza do ostatných častí tela, takisto aj do kožných kapilár, ktorými sa odvádza do
okolitého prostredia. Podobne aj okolo človeka prúdi vzduch. Zahriate molekuly sa
vzďaľujú od telesného povrchu, na ich miesta prichádzajú chladnejšie. Tento proces
prebieha neustále, ale môže byť zrýchlený, napríklad ak fúka vietor, dochádza oveľa
rýchlejšie ku výmene vzduchu. Podobne aj v prúdiacej vode sa odvod tepla výrazne
zvyšuje. Prúdením stráca človek približne 15 % utvoreného tepla, pri vedení iba 1 %.
Žiarenie (radiácia, sálanie): Človek podobne ako každé teleso vydáva do okolia
infračervené (tepelné) žiarenie. V horúcom lete budovy, cesty... sálajú teplo, takisto aj
Slnko. Pomocou neho sa zohrieva zemský povrch a poskytuje život obyvateľom Zeme.
Človek využíva zákonitosti prírody a riadi sa nimi. Napríklad je výhodné mať vinič na
južnej stene domu nielen preto, že najviac svetla a tepla dopadá práve tu, ale aj preto, že
stena pohlcuje časť slnečného žiarenia počas dňa a potom v noci vyžaruje infračervené
žiarenie, ktoré takisto napomáha rastu viniča. Podobne v zime počas tuhých mrazov je
lepšie, keď nie je snehová prikrývka, lebo tá všetko slnečné žiarenie odráža a tak v noci
sú oveľa silnejšie mrazy ako cez deň. Príčinou je práve sálanie Zeme, ktoré ale
potrebuje energiu, aby bolo čo vyžarovať.
Množstvo odvedeného tepla u človeka závisí od radiačnej plochy kože a od
rozdielu teploty medzi kožou a okolitými predmetmi. Napríklad pri stoji či sede je to
80% skutočného povrchu, poležiačky 60 – 65 %, pri schúlení 50 %. Strata tepla (v
pokoji) tvorí až 55 – 60 % utvoreného tepla.
Aký je rozdiel medzi žiarením a vedením a prúdením? Vedenie a prúdenie
najčastejšie vystupujú spolu pre rôzne podobnosti. Spoločné je hlavne prostredie,
v ktorom sa šíria. Nato sa odovzdávala energia, sú nutné častice, cez ktoré by sa tak
vykonával tento proces. Teda na ich „šírenie“ je potrebné hmotné prostredie, či už
vzduch, tuhé látky... Naopak žiarenie nezávisí od prostredia, môže sa šíriť aj vo vákuu,
tak ako aj svetlo.
10
Efektívnou regulačnou metódou, dodatočnou, je vyparovanie. Je to veľmi účinný
mechanizmus výdaja tepla. Vyparenie 1 l vody pri teplote 35 °C spôsobí stratu asi 2,43
MJ (skupenské teplo vyparovania). Najdôležitejší mechanizmus vyparovania je potenie,
zo skúsenosti poznáme najmä ak sme chorí. Človek dokáže vypotiť maximálne až 12 l!
V horúcom prostredí okolo 5 l, čo je strata asi 12,14 MJ. Vyparovanie veľmi závisí od
vlhkosti okolitého vzduchu. Ak sa nachádzame vo vlhkom prostredí, vyparovanie sa
znižuje. Ak sme v saune, kde je vlhkosť 3 – 5%, dokážeme zniesť teplotu vzduchu až
120 °C.
Človek sa nevyparuje iba z povrchu tela, ale dochádza aj k vyparovaniu z pľúc.
Vydychujeme vzduch, ktorý je teplý a nasýtený vodnou parou. Pri tejto činnosti sa
stráca denne až 804 kJ.
Počas 24 hodín je priemerná strata tepla nasledovná:
Z pokožky, vyžarovaním a prúdením 73 %
Z pokožky, vyparovaním potu 14 %
Vyparovanie vody v pľúcach 7,5 %
Zohrievanie vzduchu v pľúcach 3,5 %
Vylučovanie (moč) 2 %
Ako vidieť z tabuľky, najväčší podiel straty tepla je cez povrch prúdením
a žiarením. Faktory, ktoré ovplyvňujú straty tepla, sú viaceré. Napríklad vedenie tepla,
ako jedna z metód tepelných strát, je závislé od teplotného ho rozdielu medzi telom
a okolím, od veľkosti povrchu pokožky, ktorá je odhalená. Prúdenie okrem teplotného
rozdielu závisí od rýchlosti toku vzduchu okolo tela. Žiarenie závisí od absolútnej
teploty a od charakteru povrchu, teda či je drsný, hladký, suchý, vlhký. Takisto aj
vyparovanie závisí od vlhkosti vzduchu, od teplotného rozdielu medzi telom a okolím
a tiež od plochy vystavenej pokožky. Dýchanie takisto závisí od vlhkosti a od
teplotného rozdielu.
Mnohí športovci, napríklad atléti, po namáhavom výkone stratia veľké množstvo
energie, najmä cez dýchanie. Aby sa neznížila ich telesná teplota, niekedy používajú
reflexné prikrývky, ktoré odrážajú žiarenie, sálajúce z tela. Podobne ako aj za
radiátormi sú hliníkové fólie, aby sa teplo nestrácalo cez stenu, ale aby prúdilo do
miestnosti.
11
V prírode bola nameraná najvyššia teplota 57 °C. Keď si predstavíme naše horúčavy okolo 30 °C, je ťažké predstaviť si, že niekto takúto teplotu prežije bez ujmy na zdraví. Zaujímavé je, že anglickí fyzici Blagden a Chantry dokázali, že ľudské telo dokáže pri pozvoľnom zohrievaní zniesť teplotu vyššiu ako je teplota varu, vraj 160 °C, čo je teplota, kedy sa uvarí vajce, či iné jedlo. Za akých podmienok by to bolo možné? (teoreticky, neodporúčam skúšať v praxi!)
3. Tepelná výmena a obliekanie
Prečo sa obliekame? Otázka, na ktorú vedeli odpoveď už v dávnych dobách. Tak
ako sa menili klimatické podmienky, menili sa aj nároky na odievanie. Ľudia si
uvedomovali, že sa musia pred poveternostnými podmienkami chrániť. Niekedy je však
ťažké určiť, čo je vhodné. V súčasnosti sa veľký dôraz kladie na šetrenie energiami.
S nárastom cien si začíname akosi viac uvedomovať, že sú aj účinnejšie prostriedky na
zníženie tepelných strát. Jedná sa najmä o naše domy, paneláky...Keď chceme mať
doma teplo, musíme kúriť. No takisto vieme, že nestačí zakúriť a bude teplo na celý
deň. Aj dom vyžaruje energiu, stráca ju, a preto je nutné ju neustále dodávať tým, že
kúrime. Oveľa jednoduchšie by bolo, keby ku žiadnym stratám nedochádzalo. Keby
sme mohli teplo vidieť, videli by sme, koľké množstvá unikajú cez okná, dvere,
nezateplené steny. A prečo vôbec základným stavebným materiálom sú tehly? Prečo sa
zatepľuje pomocou polystyrénu, či sklenej vaty? Ako môže akýsi ľahký tenký kus
polystyrénu ušetriť peniaze? Odpoveď sa skrýva v nasledujúcej tabuľke.
Materiál: Tepelná vodivosť λ
[W.m-1.k-1]
Rovnaký tepelný odpor pri hrúbke materiálu [mm]
Polyuretán: 0,019 - 0,022 50
Polystyrén: 0,037 - 0,040 80
Minerálna vlna: 0,033 - 0,045 90
Korok 0,038 - 0,043 100
Stavebné drevo 0,1 - 0,15 280
Porobetón 0,3 750
Tehlové murivo 0,7 1700
12
V tabuľke vystupuje veličina tepelná vodivosť λ. Vyjadruje schopnosť materiálu
viesť teplo. Čím je vyššia, tým viac tepla uniká, teda lepšie vedie teplo. Napríklad kov
má omnoho vyššiu tepelnú vodivosť ako vzduch. V treťom stĺpci je závislosť tepelného
odporu (ako sa vie materiál brániť proti šíreniu tepla) od hrúbky. Ak by sme chceli
zabezpečiť, aby množstvo odvedeného tepla, napríklad pri polystyréne a tehlovom
murive, bolo rovnaké, museli sme použiť takú hrúbku ako je v tabuľke. Teda hrúbka
polystyrénu stačí asi dvadsaťkrát menšia ako u tehál. Pre porovnanie tepelná vodivosť
vzduchu je 0,025 W.m-1.K-1. Na základe tabuľky je jasné, že je dobré používať
materiály ľahké ako vzduch, s nízkou tepelnou vodivosťou, porovnateľnou so
vzduchom. Keďže nemôžme stavať „vzdušné zámky“, čo by bolo najideálnejšie,
použijeme materiál, ktorý spĺňa nielen estetické kritéria, ale aj fyzikálne.
Prečo sú termosky vyrobené najmä z kovu, keď vieme, že kov je dobrý tepelný vodič? Neprotirečí to s predchádzajúcimi úvahami? Nájdite si informácie o konštruovaní termosiek!
Keď sú podmienky vhodné pre fungovanie človeka, nemôžme povedať, že by
nedochádzalo k tepelným stratám. Neustále vyžarujeme teplo. A jednou z možností, ako
zabrániť nadmernému tepelnému toku, je oblečenie. Ak je vhodné, zodpovedajúce
ročnému obdobiu, či počasiu, tepelná strata je okolo 400 W ako ukazuje nasledujúca
tabuľka (nie vždy musí byť práve 400 W, je to iba náhoda!):
FFoorrmmyy ssttrraattyy eenneerrggiiee
SSttrraattyy pprrii 3333 °°CC//WW
SSttrraattyy pprrii ––1100 °°CC//WW
Žiarenie 32 32
Vedenie a prúdenie 40 200
Vyparovanie 320 8
Dýchanie 8 160
Napríklad v lete, kedy hrozí prehriatie organizmu v dôsledku veľkých horúčav,
najväčšie straty podliehajú vyparovaniu. Preto nosíme len ľahké oblečenie, neustále
dopĺňame pitný režim, keďže naše telo sa počas dňa viac vyparuje a stráca vodu – náš
základný stavebný kameň. Naopak v zime, kedy hrozí najviac strata tepla vedením
a prúdením, je nutné obliekať sa teplejšie. Preto obliecť si napríklad tričko s krátkym
rukávom by nebola asi tá najsprávnejšia voľba: veľké množstvo tepla by bolo odvedené
13
povrchom tela, čo by mohlo viesť k zníženiu teploty v strede tela a následne by to
spôsobilo podchladenie. Ako sa môžeme brániť, keď nie sme dostatočne oblečení? Je
nutné zmenšiť napríklad plochu odkrytej časti tela, teda zvinúť sa do klbka, keďže guľa
má malý povrch vzhľadom na objem. Správnym riešením určite nie je napríklad požitie
alkoholu, ktorý spôsobuje rozširovanie ciev a ako bolo vyššie spomenuté, to má za
následok zvýšenie tepelného toku cez povrch tela. Práve toto je častý problém úmrtí
bezdomovcov, ktorí zdanlivým zohriatím organizmu v podstate svoju situáciu ešte
zhoršia. Správnym riešením je vhodné oblečenie, vhodné sa myslí fyzikálne správne.
Tak napríklad v noci sme prikrytí perinou, ktorá má dobre izolačné vlastnosti. Prečo
perie áno a napríklad kov určite nie? Ak chceme, aby materiál bol dobrým izolátorom,
je nutné aby obsahoval komponenty, ktoré sú zlým tepelným vodičom. Tak ako pri
zatepľovaní domov sa ukazuje, že vzduch je dobrý izolant, tak i materiály, ktoré
obsahujú vzduch dokážu lepšie zahriať. No musíme zabrániť, aby sa tento vzduch
pohyboval, teda aby neprenášal teplo prúdením. Preto tak ako v tehlách sú malé
komôrky, tak i v látkach sú vlákna, čím sa úplne sťaží prenos tepla. Takéto materiály sú
napríklad vlna, bavlna, iné textílie, perie. Keďže sú plné vzduchu, sú ľahké, tak ako
polystyrén, či izolačná vata.
Schopnosť materiálu viesť teplo vyjadruje veličina tepelná vodivosť, ako bolo
spomenuté, vyjadruje sa v jednotkách W.m-1.K-1.Nasledujúca tabuľka prináša niekoľko
hodnôt:
MMaatteerriiááll TTeeppeellnnáá vvooddiivvoossťť λλ
WW..mm--11..KK--11 Pokožka 0,042
Vlna 0,029
Bavlna 0,041
Polyester 0,040
Vzduch 0,025
V predchádzajúcom odseku bolo spomenuté, že materiály, ktoré obsahujú vzduch,
lepšie zahrejú. Je to naozaj pravda alebo je to iba akýsi slovný zvrat, často používaný?
O pravdivosti, či nepravde tohto výroku nás môže presvedčiť nasledujúci experiment:
14
máme kocky ľadu. Chceme zistiť, kedy sa skôr roztopí – v kožuchu alebo voľne
položená v miestnosti alebo dokonca pod plechom. Prirodzenou odpoveďou býva
kožuch. Každý má vsugerované, že kožuch je teplý. No keď tento experiment
prevedieme, vidíme, že kožuch naopak spomalí topenie ľadu, keďže je dobrým
izolátorom. Teda nezabráni iba odvedeniu tepla z tela človeka, ale aj naopak neprepustí
teplo (chlad) z okolitého prostredia. Takže kožušina je dobrý tepelný izolátor a práve
táto vlastnosť sa využíva pri tvorbe odevníckych materiálov – aby zbytočne nebolo
teplo odvádzané z tela človeka a naopak aby chránil telo pred nepriaznivými vplyvmi
počasia.
Najlepším typom na obliekanie je viacero vrstiev. Dôležitá je teplota medzi prvou
vrstvou a telom, smerom k ďalším vrstvám klesá. Preto ak máme oblečenú iba jednu
vrstvu, spomínaná teplota bude nízka, takže pociťujeme chlad. Naopak ak máme
viacero vrstiev, teplotný rozdiel medzi okolím a prvou vrstvou nebude až tak veľký.
Takisto pri obmedzovaní tepelných strát je nutné uvedomiť si, že vzduch, ktorý
prúdi vo vláknach má až tridsaťkrát menšiu tepelnú vodivosť ako voda! Teda ak máme
mokré topánky, či iný odev, teplo je oveľa rýchlejšie odvádzané do okolia a tak nám je
väčšia zima.
V odievaní je teda dobré, ak sa používajú materiály, ktoré majú malú tepelnú
vodivosť, teda sú ľahké ako perie. Takéto sú napríklad aj vlna, či bavlna, ktoré vďaka
vzduchovým kanálikom vo vláknach dokážu oveľa lepšie sať pot ako umelé vlákna.
Aj keď si to niekedy neuvedomujeme, intuitívne sa vieme brániť proti
nepriaznivým podmienkam. Ak nám je zima, zvinieme sa do klbka, oblečieme si
hrubšiu vrstvu oblečenia, ktoré je z vhodných materiálov. Teda robíme všetko preto,
aby tepelné straty neboli obrovské, a to pritom nepotrebujeme poznať ani nejaký
fyzikálny vzťah.
15
Určite ste si všimli, v rôznych filmoch z púšte, domorodcov, ktorí sú poriadne naobliekaní. Ak si uvedomíme, že teplota dosahuje viac ako tridsať či štyridsať stupňov, môžeme povedať, že im je zima?
Vysvetliť sa to dá tým, že v tropickom podnebí býva vzduch teplejší ako naše telo. Preto náš organizmus nie je schopný odovzdávať teplo do okolia, naopak vzduch zohrieva telo, čo by mohlo viesť k prehriatiu organizmu. Preto čím väčšie množstvo vzduchu príde do styku s telom, tým zanecháva väčší pocit tepla. Preto ľudia v takýchto oblastiach nosia teplé oblečenie, ktoré plní funkciu izolátora, teda zamedzuje tepelnej výmene. Teda toto je ďalší dôkaz toho, že oblečenie nehreje, ale
izoluje, to my ho svojím teplom zohrievame.
Prečo nosia beduíni na púšti čierny plášť a nie biely, keď čierny má vyššiu žiarivosť, takže sa viac zohrieva?
Výskumy dokázali, že čierny plášť beduínov, môže byť až o 6 °C teplejší než biely. Beduíni ho nosia preto, lebo vzduch pod sebou zahrieva viac ako biely. Teplejší vzduch pod plášťom stúpa rýchlejšie, odvádza sa von poréznou látkou, zatiaľ čo chladnejší vzduch je vťahovaný zdola pod plášť. Tým sa vytvára cirkulácia vzduchu pod plášťom, ktorá bráni beduínom v prehriatí účinnejšie ako biely plášť.
Táto časť bola venovaná tepelným stratám. V úvode bolo spomenuté, že energiu získavame z jedla. Vyberte si niektorý deň a zapíšte si energetické hodnoty jednotlivých jedál. Hodnoty zistíte buď priamo z obalu, alebo ich vyhľadáte v tabuľkách. PROJEKT: Nielen ľudský organizmus potrebuje energiu pre život. Takisto aj zvieratá sa snažia získavať potravu, človek pre väčší komfort využíva rôzne formy energie a hľadá stále nové alternatívy. Pripravte si krátky projekt o energii! Na výber máte množstvo oblastí, niektoré boli spomenuté okrajovo aj v tejto kapitole.