Malé každodenní zázraky. Proč se voda lépe ohřívá než chladí?

Ohřát vodu je jednoduché. Zapnete vařič, zapálíte dřevo nebo plyn a vodu dáte do blízkosti zdroje tepla. S ochlazením je to složitější. (délka blogu 3 min.)

V dnešní technické době není ohřev vody na bod varu nic složitého. Zapneme vařič a postavíme na něj konvici s vodou. Trvá to většinou jen několik minut než se voda začne vařit. Jistě jste si ale všimli, že se zpátky na svou původní teplotu ochlazuje daleko pomaleji. Než dosáhne dvaceti stupňů Celsia, může to trvat i několik hodin (podle konstrukce varné konvice). Jak to, že se voda ohřívá rychle ale chladne tak pomalu?

Opověď dá (jako tak často) fyzika.

Rychlý ohřev a pomalé ochlazování

Podívejme se na příklad kovové konvice naplněné vodou. Voda, která se ohřívá z běžné pokojové teploty (kolem 20 stupňů Celsia) na bod varu musí překonat rozdíl 80 stupňů. Přitom pohltí určité množství energie, která se převede na pohybovou energii molekul vody.

Teplo potřebné k ohřátí tělesa o určitou teplotu lze vypočítat pomocí následujícího vztahu:

Q = hmotnost tělesa *  měrná tepelná kapacita * rozdíl teplot

Z tohoto jednoduchého vzorce vyplývá hned několik zajímavých souvislostí. Čím těžší těleso ohříváme, tím více tepla se spotřebuje. Různé látky mají různou “spotřebu” energie. Čím je požadovaná výsledná teplota vyšší, tím více tepla musíme vynaložit na ohřev.

Stejně funguje také ochlazování. S jedním malým rozdílem - teplo se tentokrát vyzařuje horkou vodou do okolí konvice.

Při ochlazování je proto situace odlišná než při zahřívání vody. Teplota varné desky dosahuje běžně několik set stupňů Celsia. Může tedy vodě předávat značné množství energie a celkem svižně ji ohřát až na teplotu, při které se začíná vypařovat: bod varu, sto stupňů Celsia. K podobně rychlému ochlazení bychom potřebovali podobně vysoký rozdíl teplot - a náš chladič by musel mít teplotu mínus několik set stupňů Celsia. Nic takového v přírodě samozřejmě nenajdeme. Nejnižší dosažitelná teplota se pohybuje nepatrně nad - 273,15 °C. Navíc vykazuje naše chladící médium (vzduch kolem konvice) teplotu kolem +20 °C. Ochlazování tedy musí probíhat daleko pomaleji než ohřev vody.

Teplo a Energie

Energie, kterou spotřebuje voda při ohřátí o jeden stupeň Celsia je mimochodem dost podceňována. Na ohřátí 1 kg vody o 1 stupeň je potřeba 4187 J. To nevypadá na první pohled moc zajímavě.

Představme si ale, že stejnou energii investujeme do zrychlení (kinetické energie). Podle vzorce E=(m*v2)/2 dosáhne nebohý kilogram vody rychlosti 329 km/h. To je rychlost, kterou dosahují za optimálních podmínek na některých tratích vlaky typu ICE.

Podobně můžeme stejné množství energie vynaložit na překonání gravitačního pole Země. Kilogram vody by se pak ocitl ve výšce 426 metrů. To je mimochodem výška mrakodrapu 432 Park Avenue v New Yorku.

Ano - pořád ještě mluvíme o energii, která je potřebná k navýšení teploty vody o jeden jediný stupeň. Pro srovnání - naše těla jsou běžně o 20 stupňů teplejší, než okolí. V 70 kilogramech “živé váhy” se tedy skrývá opravdu úctyhodné množství energie.