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.