Ochladí zmrzlá lahev vody místnost?

Při poslední vlně veder se na internetu objevila spoustu nápadů, jak si doma udělat alespoň trochu chladněji. Jeden z nejčastějších byl jednoduchý: postavit do místnosti lahev se zmrzlou vodou a nechat ji ochlazovat vzduch.

Jenže místo dohadů, jestli to funguje, nebo nefunguje, je nejlepší to prostě změřit. Na test jsem použil pět teplotních čidel DS18B20, která jsem rozmístil v pravidelných intervalech od středu místnosti. Právě doprostřed jsem potom umístil lahev se zmrzlou vodou.

Pak už zbývalo jen nechat fyziku pracovat a průběžně zaznamenávat data.

Co vlastně chci zjistit

U podobných nápadů je dobré si hned na začátku říct, co vlastně měřím. Lahev se zmrzlou vodou samozřejmě nějaké teplo z okolí odebere, protože led musí nejdřív roztát a voda se potom postupně ohřívá na teplotu místnosti. Otázka ale je, jestli je ten efekt dost velký na to, aby se to dalo v běžné místnosti vůbec poznat.

Nechci tedy řešit jen pocit, že „u lahve je chladněji“, ale hlavně to, jestli se změna projeví i na naměřené teplotě v okolí. Proto jsem čidla rozmístil v různých vzdálenostech od lahve. Díky tomu bude vidět, jestli se ochlazení drží jen těsně u zdroje chladu, nebo jestli se rozšíří i dál do místnosti.

Výsledek nemusí být nijak dramatický. I malý rozdíl ale může ukázat, jestli má podobný domácí trik reálný měřitelný efekt, nebo jde spíš o pocitové ochlazení v těsné blízkosti lahve.

Použitý hardware a uspořádání měření

Základem celého experimentu je samozřejmě místnost, ve které bude měření probíhat. Nemám doma moc na výběr, takže jsem zvolil dětský pokoj o rozměrech 4,1 x 3 x 2,6 m, což odpovídá přibližnému objemu 32 m³. V místnosti je ale spousta nábytku a dalších věcí, takže skutečný objem vzduchu bude o něco menší. Pro tenhle pokus to ale nevadí, protože mi nejde o přesný výpočet celé místnosti, ale hlavně o porovnání teplot v různých vzdálenostech od zdroje chladu.

Zhruba doprostřed místnosti jsem umístil 1,5 l PET lahev se zmrzlou vodou. Lahev leží na talíři, aby po ní při tání nestékala voda na koberec, a zároveň je postavená na židli, aby nebyla přímo u podlahy, ale přibližně v prostoru místnosti.

V jednom směru od lahve jsem rozmístil pět teplotních čidel DS18B20. Čidla jsou umístěná v pravidelných vzdálenostech od lahve:

• 10 cm od lahve
• 50 cm od lahve
• 100 cm od lahve
• 150 cm od lahve
• 200 cm od lahve

Každé čidlo je na malé DPS a všechna čidla jsou propojená mezi sebou pomocí 1-Wire sběrnice. Díky tomu stačí k Arduinu vést jen společné napájení, zem a jeden datový vodič. Arduino potom postupně čte hodnoty ze všech pěti čidel.

Naměřená data se posílají po sériové lince do počítače, který je umístěný v druhé místnosti. To je docela důležité, protože zapnutý počítač by mohl měřenou místnost zbytečně ohřívat a tím celý pokus ovlivnit. V počítači pak probíhá čtení, ukládání a zobrazení naměřených dat.

Kontrola čidel před měřením

Nešlo mi o laboratorní kalibraci ani o absolutní přesnost čidel. Pro tenhle experiment je ale důležité vědět, jestli všechna čidla ukazují stejně, nebo jestli se mezi nimi objevuje nějaký rozdíl.

Před vlastním měřením jsem proto všech pět čidel DS18B20 umístil vedle sebe na jedno místo a nechal je měřit stejnou teplotu. Tím se dá jednoduše zjistit, jestli některé čidlo neukazuje trvale o pár desetin stupně víc nebo míň než ostatní.

Pokud by se mezi čidly objevil rozdíl, není to žádná tragédie. Stačí si ho zapsat a v programu potom pro konkrétní čidlo přidat malou korekci. Pro vyhodnocení pokusu je totiž důležitější vzájemné porovnání teplot ve vzdálenostech od lahve než absolutně přesná hodnota teploty v místnosti.

Při této kontrole je dobré nechat čidla chvíli v klidu, nesahat na ně rukou a nemít je přímo na slunci, u radiátoru nebo v průvanu. Jinak by se do porovnání mohla zanést chyba, která s přesností samotných čidel vůbec nesouvisí.

Použitý software

Pro měření jsem použil dva jednoduché programy. První běží v Arduinu, čte hodnoty z pěti teplotních čidel a posílá je po sériové lince. Druhý program běží v počítači, přijímá naměřené hodnoty, zobrazuje jejich průběh a ukládá je do CSV souboru.

Program pro Arduino

Program pro Arduino používá knihovny OneWire a DallasTemperature. Všech pět čidel DS18B20 je připojených ke společné 1-Wire sběrnici na digitálním pinu 2.

Každé čidlo DS18B20 má vlastní jedinečnou adresu. Jejich adresy jsem proto nejprve zjistil pomocí jednoduchého scanneru a následně je napevno zapsal do programu. Čidla i skenovací program jsem popsal ZDE. Díky tomu program vždy ví, které čidlo odpovídá které vzdálenosti od lahve, a jejich pořadí se nemůže po restartu náhodně změnit.

Rozlišení všech čidel je nastavené na 12 bitů. Po načtení teplot program u třetího, čtvrtého a pátého čidla provede malé korekce zjištěné při jejich předchozím porovnání:

• Třetí čidlo: +0,07 °C
• Čtvrté čidlo: +0,13 °C
• Páté čidlo: −0,13 °C

Potom Arduino odešle po sériové lince čas od svého spuštění a pět naměřených teplot. Jednotlivé hodnoty jsou oddělené středníkem, takže jeden řádek vypadá například takto:

3428;25.44;25.44;25.19;25.38;24.87

První hodnota je čas získaný funkcí millis() a za ní následují teploty T1 až T5 ve stupních Celsia. Sériová komunikace běží rychlostí 9600 Bd.

Program pro počítač

Pro příjem a ukládání dat jsem napsal vlastní program v Pythonu. Jeho grafické rozhraní používá knihovnu PyQt6, grafy vykresluje pomocí pyqtgraph a komunikaci s Arduinem zajišťuje knihovna pyserial.

Po spuštění program vyhledá dostupné sériové porty. Stačí vybrat port s připojeným Arduinem, nastavit stejnou komunikační rychlost a spustit nové měření.

V hlavním okně se pro každé čidlo zobrazuje aktuální teplota a samostatný graf jejího průběhu. Program zároveň ukazuje délku měření, počet přijatých vzorků, počet chybných řádků a název právě vytvářeného CSV souboru.

Přijatá data program kontroluje. Řádky s nesprávným počtem hodnot, neplatnými čísly nebo teplotou mimo pracovní rozsah čidla DS18B20 nezapíše a pouze je přičte k počtu chyb. Stejně tak odmítne vzorek, pokud by se Arduino během měření restartovalo a poslalo nižší čas než předchozí vzorky.

Každé platné měření se ihned uloží do CSV souboru. Ten obsahuje čas počítače, hodnotu millis() z Arduina, čas od začátku měření a teploty všech pěti čidel. Program po každém vzorku data průběžně uloží do souboru, takže by se většina dat zachovala i při neočekávaném ukončení programu nebo výpadku napájení.

Průběh experimentu

Teplotní čidla jsem připevnil na dlouhou tyč v přesně stanovených vzdálenostech od lahve. Tyč jsem položil přes dvě židle, aby všechna čidla byla ve stejné výšce a neležela přímo na podlaze.

Původně jsem chtěl postavit lahev se zmrzlou vodou nastojato. Při zamrzání se ale kvůli rozpínání ledu vyboulilo její dno, takže stabilně stát nedokázala. Nakonec jsem ji proto položil na bok na talíř, který zachytával vodu vznikající při tání.

Po rozmístění čidel a lahve jsem zavřel dveře, spustil záznam a odešel z bytu, abych svou přítomností měření neovlivňoval. Do místnosti během pokusu nesvítilo přímé slunce a okna i dveře zůstaly zavřené, takže v ní nevznikal žádný výrazný průvan.

Měření probíhalo přibližně 3 hodiny a 25 minut. Za tu dobu program zaznamenal 2963 sad hodnot s rozestupem přibližně 4,15 sekundy.

Výsledky měření

Nejvýraznější změnu zaznamenalo podle očekávání první čidlo umístěné pouhých 10 cm od zmrzlé lahve. Během prvních přibližně 30 minut na něm teplota klesla zhruba z 26,1 °C na 24,2 °C. Potom už se držela téměř beze změny kolem této hodnoty až do konce pokusu.

Ve vzdálenosti 50 cm byl účinek mnohem menší. Po úvodním ustálení se zde teplota pohybovala kolem 24,9 °C. V průměru byla jen asi o 0,07 °C nižší než průměrná teplota naměřená čidly ve vzdálenosti 100 až 200 cm. Tak malý rozdíl už je na hranici toho, co lze v běžné místnosti spolehlivě přisoudit právě zmrzlé lahvi.

Čidla vzdálená 100, 150 a 200 cm se po ustálení pohybovala přibližně mezi 24,9 a 25,1 °C. Mezi jejich průběhy není vidět jasná závislost na vzdálenosti od lahve. Z naměřených dat tedy nelze potvrdit, že by lahev měřitelně ochlazovala vzduch ve vzdálenosti jednoho metru nebo větší.

Výsledky z prvních několika minut je potřeba brát s rezervou. Čidla se po manipulaci a rozmístění teprve ustalovala a například čtvrté čidlo během krátké doby znatelně zvýšilo svou teplotu. Pro posouzení dlouhodobého rozdílu jsou proto důležitější hodnoty zaznamenané přibližně od třicáté minuty.

Během celého pokusu mírně klesala také teplota na vzdálenějších čidlech. Bez kontrolního měření provedeného ve stejné místnosti bez zmrzlé lahve ale nejde určit, jestli tento pokles způsobila lahev, nebo šlo o přirozenou změnu teploty místnosti.

Z výsledků je tedy dobře vidět, že zmrzlá lahev opravdu ochladí vzduch ve své bezprostřední blízkosti. Ve vzdálenosti 10 cm byl rozdíl proti vzdálenějším čidlům přibližně 0,8 °C. Už ve vzdálenosti 50 cm byl ale účinek velmi malý a od jednoho metru dál se v tomto pokusu žádné přesvědčivé ochlazení neprojevilo.

Závěr

Měření ukázalo, že zmrzlá lahev skutečně dokáže ochladit vzduch ve své bezprostřední blízkosti. Ve vzdálenosti 10 cm byl rozdíl proti vzdálenějším čidlům přibližně 0,8 °C. Už v 50 cm byl ale rozdíl velmi malý a od jednoho metru dál se v tomto pokusu žádné přesvědčivé ochlazení neprojevilo.

Lahev s ledem tedy nedokáže znatelně ochladit celou místnost, ale jako jednoduchý lokální zdroj chladu fungovat může. Smysl by mohla mít například v těsné blízkosti pracovního stolu nebo postele, kde člověk sedí či leží přímo u ní.

Zajímavé by bylo pokus zopakovat s ventilátorem foukajícím kolem lahve. Ten by žádný další chlad nevytvořil, ale mohl by ochlazený vzduch roznést do větší vzdálenosti. Led by přitom pravděpodobně roztál rychleji, takže by účinek mohl být intenzivnější, ale kratší.

Související články

• DS18B20 – digitální teploměr pro Arduino