O příspěvku
PDF ke staženíPokusy s teplem aneb co se stane s různými plasty po zahřátí
Příspěvek popisuje několik pokusů s běžně dostupnými plastovými nádobami, které demonstrují odlišné tepelné vlastnosti různých plastů.
Úvod
Denně používáme plastové výrobky. Nápoje zakoupíme v PET láhvích, nápojové automaty nám vydají oblíbenou kávu či čaj v polystyrénovém nebo polypropylenovém kelímku, mléčné výrobky zakoupíme například v obalech označených písmeny PP, PVC či HDPE (význam značek a další základní údaje shrnuje tabulka 2).
Asi každému z nás se zdeformovala (zmenšila) PET láhev, když jsme do ní nalili příliš teplou vodu. A jak je to s dalšími plastovými nádobami? Co se stane, pokud do nich nalijeme vroucí vodu nebo horký olej? Na tyto otázky pomohou odpovědět následující pokusy.
Účinky vařící vody na různé plasty
Úkol
Zjistěte, jak se změní plastové kelímky, když do nich nalijete právě uvařenou vodu z varné konvice.
Pomůcky
Varná konvice, voda, kelímky a láhve od různých potravin, odměrný válec, teplu odolná větší nádoba (např. hrnec nebo pekáč), hadr, teploměr.
Postup
Určete, z jakého plastu jsou nádoby vyrobeny (nejčastěji lze označení plastu nalézt na dně) a jaký mají objem. Oba údaje si zapište do tabulky. Nádoby položte na hadr v hrnci či pekáči. Ve varné konvici uvařte vodu a nalijte ji do kelímků. Pomocí teploměru můžete určit teplotu vody. Po chvíli některé kelímky začnou měnit tvar a objem, voda z nich může vytékat do pekáče. Nechte vodu vychladnout a vylijte ji z kelímků. Opět změřte objem použitých nádob a údaje si zapište do tabulky. Výsledky porovnejte.
Výsledky
Jak je vidět z tabulky 1, pro pokus jsme použili nejrůznější kelímky a láhve z HDPE, PP, PS. PET a PVC. V tabulce jsou uvedeny objemy kelímků před tím, než jsme do nich nalili vařící vodu (původní objem), a po nalití vařící vodu (konečný objem). Relativní změna objemu je poměr změny objemu a původního objemu. Tabulka ukazuje, že nádoby z HDPE a PP prakticky nezměnily svůj objem (viz obr. 1). Kelímky z PS jsou zdeformované a relativní změna jejich objemu je do 10% objemu původního (viz obr. 2). PET láhve výrazně zmenšily svůj objem (relativní změna jejich objemu je přes 30%), ale při zmenšování si přibližně zachovávají původní tvar (viz obr. 3). Kelímek od Termixu vyrobený z PVC se prakticky vyrovnal na placku (viz obr. 4).
Tabulka 1: Změna objemu kelímků po naplnění vařící vodou
| Nádoba |
HDPE (Actimel) |
HDPE (Dobrá máma) |
PP (jogurt Albert) |
PS (kelímek na kávu) |
PS (jogurt Activia) |
PS (průhledný kelímek) |
PET láhev (Poděbradka) |
PVC (Termix) |
| původní objem (ml) |
120 |
213 |
184 |
230 |
160 |
230 |
541 |
123 |
| konečný objem (ml) |
120 |
208 |
182 |
216 |
150 |
212 |
351 |
0 |
| relativní změna objemu |
0,00 |
0,02 |
0,01 |
0,06 |
0,06 |
0,08 |
0,35 |
1,00 |
Obr. 1 Kelímky z HDPE a PP
Obr. 2 Kelímky z PS
Obr. 3 PET láhve před a po
Obr. 4 Kelímek z PVC
Co udělá různě teplý olej s kelímky z PS a PP?
Úkol
Zjistěte, co se stane s různými kelímky, když je vložíte do různě horkého oleje.
Pomůcky
Vařič, hrnec, řepkový olej, sady cca 10 kelímků z PS (např. kelímky na kávu z automatu) a PP (např. kelímky od jogurtů Albert, Florian nebo Selského jogurtu), teploměr s rozsahem alespoň do 300°C, talíř, kleště nebo pinzeta, hadr, lihový popisovač.
Postup
V hrnci na vařiči ohřívejte dostatečné množství oleje, aby se do něj mohl ponořit kelímek (podle tvaru hrnce asi 1l). Ve stejných teplotních intervalech (např. po 10°C) vkládejte do oleje kelímky. Zdeformované kelímky z oleje vyndejte pinzetou a označte je příslušnou teplotou. Porovnejte výsledné tvary kelímků.
Výsledky
Výsledky pokusů záleží na materiálech, ze kterých jsou kelímky vyrobeny. Kelímky na kávu vyrobené z PS se začínají deformovat již při použití právě uvařené vody ve varné konvici (asi při 94°C). Při použití oleje o teplotě 110°C se z kelímku stává mistička. Při použití oleje o vyšších teplotách se mistička zmenšuje. Při teplotě kolem 150°C se kelímek mění na rovnou destičku, jak ukazuje obr. 5. Pokud použijete olej o teplotě 160°C, plast se začíná „trhat“ (viz obr. 6).
Kelímky vyrobené z PP svůj tvar nemění až do teploty 150°C. Při použití oleje o vyšší teplotě kelímek začíná měnit své vlastnosti. Při teplotě 180°C se kelímek v oleji změní v placku. Na rozdíl od PS ale PP nezachovává tvar a po vyndání z oleje se pokroutí. Při teplotě 190°C a vyšších se odtrhává dno od zbytku kelímku (viz obr. 7)
Z pokusu je vidět, že pokud chceme pracovat s vařící vodou, je dobré použít kelímky z PP, které mění tvar při mnohem vyšších teplotách než PS.
Obr. 5 Kelímky na kávu po ponoření do různě teplého oleje.
Obr. 6 Kelímek z PS v oleji 160°C
Obr. 7 Kelímek z PP v oleji 190°C
Poznámky
Pracujete s vařící vodou (cca 98°C) a horkým olejem (i ke 300°C), pozor na bezpečnost.
Pokus lze promítat pomocí kamery.
Pozor na přítomnost vody na kelímcích a dalších pomůckách, které budete ponořovat do horkého oleje.
Při měření teploty oleje doporučuji vkládat teploměr do připravené nádobky s olejem.
Pokusy s PS jsou inspirovány [1] a [2].
Vysvětlení
Plasty dělíme do různých skupin, například podle tzv. nadmolekulární struktury na amorfní a krystalické (semikrystalické).
U amorfních plastů zaujímají jednotlivé makromolekuly náhodné pozice. Mezi amorfní polymery patří například PS (polystyrén) nebo PVC (polyvinylchlorid).
Krystalické (semikrystalické) plasty v sobě obsahují 40 – 90% uspořádaných oblastí (nikdy nebudou dosahovat 100% uspořádanosti). Do této skupiny patří například PP (polypropylén) nebo HDPE (vysokohustotní polyetylen).
Plasty charakterizuje teplota zeskelnatění, která je u semikrystalických látek velice nízká, na rozdíl od amorfních látek. Při této teplotě dochází k porušení mezimolekulárních sil a jednotlivé segmenty se vůči sobě mohou natáčet, materiál se snadno deformuje. Tato viskoelastická deformace je částečně vratná.
Dále určujeme ještě teplotu tání, při které se pevný plast mění na kapalinu. Tento proces se neděje při jedné konkrétní teplotě, ale dochází k němu v určitém teplotním intervalu. Jako teplotu tání označujeme střední teplotu tohoto intervalu. [3]
V případě PVC a PS je velikost pokojové teploty pod teplotou zeskelnatění. Pokud plastovou nádobu naplníme vařící vodou, překročíme teplotu zeskelnatění. Kelímek se začne deformovat až do tvaru, který měl před vytvarováním, tedy do placky.
U ostatních plastů jsme při pokojové teplotě vysoko nad teplotou zeskelnatění. Pokud budeme kelímek ještě více zahřívat (naplníme ho ještě teplejší kapalinou), můžeme dosáhnou teploty tání. Kelímek se nevrátí do tvaru, z kterého byl vytvořen, ale začne se roztékat.
V tabulce 2 jsou uvedeny základní údaje [3], [4], [5] o materiálech použitých kelímků.
Tabulka 2: Základní údaje o materiálech použitých kelímků
| Zkratka |
Název |
Označení pro recyklaci |
Struktura |
Teplota zeskelnatění (Teplota tání) |
| PVC |
Polyvinylchlorid |
3 |
Amorfní |
87°C |
| PS |
Polystyrén |
6 |
Amorfní |
95°C |
| PET |
Polyetylentereftalát |
1 |
Semikrystalické |
(260°C) |
| PP |
Polypropylen |
5 |
Semikrystalické |
-15°C (170°C) |
| HDPE |
Vysokohustotní (lineární) polyetylen |
2 |
Semikrystalické |
-120°C (130°C) |
Tento výstup vznikl v rámci projektu Specifického vysokoškolského výzkumu 2010-261 310.
Literatura
[1] Holubová R.: Vybrané pokusy s polymery, http://fyzweb.cz (22. 5. 2008)
[2] Chajda R.: Fyzika na dvoře. Computer Press, a.s., Brno 2008
[3] http://www.ksp.tul.cz/cz/kpt/obsah/vyuka/skripta_tkp/sekce_plasty/01.htm