¶ 1. Změny skupenství vody v závislosti na teplotě a tlaku
Chemický vzorec nejdůležitější kapaliny na Zemi je H₂O — to znamená, že každá molekula vody se skládá ze dvou atomů vodíku (H) a jednoho atomu kyslíku (O). Přesto, že se to zdá jednoduché a voda je všude kolem nás, tak všem vlastnostem vody vědci dodnes plně nerozumí. V následujícím textu se budeme věnovat jen těm základním vlastnostem vody, které dokážeme jednoduše a spolehlivě popsat. Celou řadu dalších zajímavostí o vodě najdete například v článku Struktura a anomálie vody (Hlas vesmíru, 2014)
Voda je úplně zvláštní kapalina — vědci jí dokonce říkají „anomální", protože se chová jinak než většina ostatních látek. Jednou ze zvláštností je závislost měrné hustoty vody na teplotě. U většiny látek je tuhá forma těžší než kaplaná. U vody to neplatí, největší objemovou hustotu má tekutá voda při čtyřech stupních Celsia. To znamená, že při teplotě 4 °C je voda nejtěžší, s teplotou klesající k nule se opět začne roztahovat a její měrná hustota klesá — jako by se připravovala na přeměnu v led, který zabírá větší objem na jednotku hmotnosti než voda o teplotě okolo 4 °C. Díky tomu rybníky zamrzají jenom na povrchu a ryby přežijí zimu v tekuté vodě u dna, kde si voda drží teplotu kolem čtyř stupňů.
Zdroj: Struktura a anomálie vody (Hlas vesmíru, 2014)
Kromě toho je překvapivé, že voda je při běžné teplotě kapalná, protože podobně malé molekuly jako methan nebo sirovodík jsou za stejných podmínek plyny. Voda se drží pohromadě tekutá díky silným přitažlivým silám mezi svými molekulami. Díky tomu také dokáže pojmout obrovské množství tepla — proto trvá tak dlouho, než se hrnec vody uvaří. Tyto zvláštní vlastnosti nejsou jen bezvýznamné kuriozity z učebnice — bez nich by život na Zemi pravděpodobně nikdy nevznikl v podobě, jakou známe.
Voda láme skály. Voda zateče až do nejjemnějších štěrbin ve skále a v nich zmrzne. Led má větší objem než voda a skála pukne podobně jako zapomenutá láhev limonády v mrazáku. Pozorujeme, jak se holé skály na horách drolí a uvolňují se z nich kameny.
Voda se kolem nás vyskytuje ve třech podobách, kterým říkáme skupenství: jako kapalina (voda v řece), jako pevná látka (led) a jako plyn (vodní pára, která je neviditelná). Přechodu mezi těmito podobami říkáme změna skupenství.
O tom, v jakém skupenství se voda právě nachází, rozhodují dvě věci: teplota a tlak okolního prostředí. Když kapalnou vodu zahříváme, její molekuly se pohybují stále rychleji, až se od sebe uvolní a unikají do vzduchu — voda se mění v páru, která vybublává na povrch. Tomuto ději říkáme var a teplotě bod varu. Bod varu závisí na tlaku a teplotě. Čím vyšší je okolní tlak, tím těžší je pro molekuly vody uniknout do vzduchu a voda proto potřebuje vyšší teplotu, aby se začala vařit.** Opačně, když vodu ochlazujeme, molekuly zpomalují, přitahují se k sobě stále těsněji a nakonec vytvoří pravidelnou pevnou strukturu — led. Tomu říkáme tuhnutí a teplotě bod mrazu. Bod mrazu vody závisí na na okolním tlaku jen nepatrně.
Při běžném pozorování atmosférický tlak našimi smysly nevnímáme. Tlak okolního vzduchu na nás totiž působí stejně ze všeach stran a jsme na něj přizpůsobeni. Při potápění pod vodou cítíme tlak vody s rostoucí hloubkou. Projevy atmosférického tlaku však můžeme pozorovat kolem sebe. V tlakovém hrnci se vaří jídlo kratší dobu, protože voda se vaří při teplotě až kolem 120 °C. Naopak při menším tlaku (například na horách, kde je nad námi méší vrstva vzduchu) se voda vaří už při nižší teplotě. Až budete třeba v Alpách, tak si všimněte, že vajíčka na horách musíte vařit o něco déle než v nížinách. Přesným teploměrem můžete zjistit teplotu vody, ve které vajíčka vaříte, bude nižší než 100 °C.
Důležitý je pojem vypařování, které na rozdíl od varu probíhá při jakékoli teplotě, ale pouze z povrchu kapaliny. Proto mokré prádlo uschne i ve studeném počasí — nejrychlejší molekuly mají dost energie, aby z povrchu unikly do vzduchu. V meteorologii měříme relativní vlhkost vzduchu v procentech [%], která nám říká, kolik vodní páry už je ve vzduchu a jak snadno se bude další voda vypařovat. Je-li relativní vlhkost 100% znamená to, že vzduch za danné teploty a tlaku již nepojme žádnou vodní páru - mokré prádlo nebude schnout. Relativní vlhkost 100% bývá po dešti. Naopak za suchého a slunného dne bývá relativní vlhkost méně než 20%.
Existují i přeměny, které „přeskočí" jedno skupenství. Sublimace je přeměna ledu přímo v páru bez toho, aby led nejprve roztál — tak mizí sníh v mrazivých, ale slunečných zimních dnech. Opačný děj, desublimace, nastává, když se vodní pára mění přímo v led — tak vzniká jinovatka na větvích nebo námraza na oknech.
Může se voda vařit a přitom mrznout? MŮŽE a není to zázrak, jen k tomu potřebujeme vakuovou komoru, ve které hodně snížíme tlak. Pokus provedený v Geofyzikální ústav AV ČR v.v.i. popisuje Mgr. Petr Brož, Ph.D. "Jakmile tlak klesal (a my mířili k ~1.5 mbar), voda se začala extrémně vařit (uvolňovat se pára). A protože odpařování odebírá teplo, voda se sama ochlazovala… až začala zamrzat. A to dost jinak, než jak jsme ze Země zvyklí." ... posuďte sami (publikováno na FB 17.4.2026 ).
¶ 2. Co vytváří barometrický tlak, vztah hmotnosti a tlaku
Země je obklopená vrstvou vzduchu, které říkáme atmosféra. Vzduch se nám zdá lehký, ale ve skutečnosti má hmotnost — celá atmosféra váží přibližně 5 × 10¹⁸ kilogramů, tedy pět trilionů tun. Gravitace Země tento vzduch přitahuje dolů a vzduch proto svou vahou tlačí na vše pod sebou ... a kolem sebe, protože tlak se šíří všemi směry.
Představte si postupně řídnoucí vrstvu vzduchu sahající od země až do vzdálenosti přibližně 10 000 km od povrchu Země, to je celá atmosféra Země až na její hranici, kde začíná "vzduchoprázdno". Celý tento sloupec vzduchu má hmotnost, protože gravitace ho přitahuje k povrchu Země. Na každý čtvereční centimetr zemského povrchu tak působí síla odpovídající přibližně hmotnosti jednoho kilogramu. Že to my sami necítíme, je proto, že vzduch kolem nás tlačí rovnoměrně ze všech stran a stejný tlak je i uvnitř našeho těla. Tomuto tlaku říkáme barometrický (nebo atmosférický) tlak. Klesajicí hustotu vzduchu a tedy klesající atmosférický tlak můžeme pozorovat při výstupu do hor, kde se nám hůř dýchá, je zde méně vzduchu (tedy i kyslíku), a horolezci se musí postupně aklimatizovat na nedostatek kyslíku ve velehorách.
Mezi hmotností a tlakem je přímý vztah: tlak (značime P, jednotky Pa) je síla (značíme F, jednotky N) rozprostřená na určitou plochu (jednotky N/m²). Čím víc vzduchu (tedy čím větší hmotnost) je nad námi, tím větší silou na nás tlačí a tím vyšší je tlak. U hladiny moře je to přibližně 10 329 kg/m² což odpovídá tlaku 1013 hPa. S rostoucí nadmořskou výškou se zmenšuje sloupec vzduchu a klesá tlak — na vrcholu hory je nad námi méně vzduchu než v údolí. Blízko povrchu Země přibližně platí, že s každými 100 metry výšky klesne tlak asi o 12 hektopascalů (tedy asi o 1,2 % průměrné hodnoty na hladině moře). Na vrcholu Sněžky (1603 m n. m.) je proto tlak o 16 x12 =192 hPa nižší než u hladiny moře.
Barometrický tlak na jednom místě se také mění ze dne na den, protože se mění teplota a proudění vzduchu v atmosféře. Teplý vzduch je lehčí a stoupá vzhůru (tlak klesá), studený vzduch je těžší a klesá k zemi (tlak roste). Právě proto měření tlaku pomáhá předpovídat počasí: klesající tlak (tlaková níže) obvykle znamená přicházející srážky, stoupající tlak (tlaková výše) naopak zlepšení počasí. Tyto změny atmosférického tlaku jsou maximálně několik procent, obvykle však méně než 1% během dne. Rychlá změna atmosférického tlaku znamená změnu počasí, typicky bouřku.
¶ 3. Závislost bodu mrazu a bodu varu na atmosférickém tlaku
Bod mrazu (tuhnutí) a bod varu jsou teploty, při kterých voda mění skupenství. Většina lidí zná hodnoty 0 °C pro mrznutí a 100 °C pro var vody. Tyto hodnoty, ale přesně platí pouze při jedné konkrétní hodnotě tlaku — při tzv. normálním atmosférickém tlaku na hladině moře, což je 101 325 Pa (pascalů).
Bod varu závisí na tlaku velmi významně. Aby voda vřela, musí tlak páry uvnitř bublinek překonat tlak okolního vzduchu, který na hladinu tlačí. Při nižším atmosférickém tlaku tento odpor klesá a voda se vaří při nižší teplotě. Na vrcholu Mount Everestu (8 849 m n. m.), kde je tlak jen asi 34 000 Pa (třetina normálu), voda vře už kolem 70 °C — při takové teplotě si v ní pořádný čaj ani vajíčko neuvaříte. Naopak v tlakovém hrnci, kde je maximální tlak nastaven pojistným ventilem na přibližně 200 000 Pa, voda vře až kolem 120 °C, a proto se v něm jídlo vaří mnohem rychleji.
Pro naše měření z toho plyne praktický závěr: pokud měříme na místě s nadmořskou výškou například 500 m, bod varu vody tam bude asi 98,3 °C místo 100 °C — tato odchylka odpovídá poklesu bodu varu přibližně o 1 °C na každých 300 výškových metrů. Bod mrazu se s nadmořskou výškou téměř nemění a bude vždy 0 °C, bez ohledu na nadmořskou výšku.
Bod mrazu (tuhnutí) se tlakem mění také, ale u vody jen velmi málo. Voda má v tomto ohledu neobvyklou vlastnost: při vyšším tlaku se její bod tuhnutí mírně snižuje (zatímco u většiny ostatních látek se zvyšuje). Je to proto, že led zabírá větší objem než stejné množství kapalné vody a zvýšený tlak proto „upřednostňuje" skupenství s menším objemem, tedy kapalinu. Tento efekt je ovšem velmi malý — ke snížení bodu mrazu o pouhý jeden stupeň Celsia je potřeba zvýšit tlak přibližně o 13 000 000 Pa (asi 130 atmosfér). Pro běžné meteorologické podmínky proto můžeme říci, že voda na Zemi mrzne prakticky vždy při 0 °C bez ohledu na to, zda jsme v údolí nebo na horách.
Bod mrazu vody 0 °C je nesmírně zajímavý pro ověření přesnosti našeho teploměru. Tuto teplotu totiž naprosto přesně dokážeme vytvořit, když necháme rozpouštět ledovou tříšť. Až do úplného rozpuštění ledu má tato směs teplotu přesně 0 °C. to znamená, že správně kalibrovaný = nastavený teploměr zasunutý do směsi ledu a vody musí ukazovat přesnou nulu ... 0 °C. viz. předešlý odstavec. Podobně můžeme ověřit i teplotu varu, pokud očekávanou teplotu upravíme podle nadmořské výšky (od 100 °C odečteme cca -1 °C na každých 300 m výšky nad mořem) .
¶ 4. Vztah jednotek °C, K, Pa, atm, bar, N a kg
Při sledování počasí a půdy se setkáváme s různými jednotkami. Pojďme si vysvětlit, co která znamená a jak spolu souvisí.
¶ Teplota — stupně Celsia (°C), kelviny (K) případně stupně Fahrenheita (°F)
Celsiova stupnice pro měření teploty je nám nejbližší. Je založena na dvou stavech vody, bodu mrazu 0 °C a bodu varu 100 °C při tzv. normálním atmosférickém tlaku na hladině moře, což je 101 325 Pa.
Anders Celsius představil svou teplotní stupnici ve své práci Královské švédské akademii věd v roce 1742. Jeho původní stupnice byla však oproti dnešní obrácená — bod varu vody označil jako 0° a bod mrazu jako 100°. Stupnice byla převrácena do dnešní podoby krátce po Celsiově smrti (1744), přičemž tato úprava se nejčastěji připisuje Carlu Linnéovi nebo Jeanu-Pierru Christinovi.
Carl Linné (1707–1778) byl švédský přírodovědec, kterého dnes považujeme za otce moderní taxonomie — tedy systému třídění a pojmenovávání živých organismů. Zavedl takzvanou binomickou nomenklaturu, což je systém dvojslovných latinských názvů, který se v biologii používá dodnes. Například člověk je Homo sapiens, domácí kočka je Felis catus a tak dále. Linné působil na univerzitě v Uppsale a ve své době byl jedním z nejslavnějších vědců v Evropě.
Jean-Pierre Christin (1683–1755) byl francouzský fyzik, matematik a muzikolog z Lyonu. Byl členem Lyonské akademie věd a zajímal se mimo jiné o meteorologii a měření teploty.
Ve fyzice se často používá Kelvinova stupnice navržená v roce 1848 Williamem Thomsonem, pozdější lord Kelvin. Stupnice začíná na absolutní nule, což je nejnižší teplota, jaká může ve vesmíru existovat protože pohyb molekul už prostě nemůže být menší než žádný. V praxi se k absolutní nule 0 K = −273,15 °C vědci dokázali v laboratorních podmínkách přiblížit neuvěřitelně těsně — na milióntiny nebo dokonce miliardtiny stupně od ní. Přesně na teplotu absolutní nuly se však dostat nelze, to je jeden ze zákonů fyziky. Při teplotách blízko absolutní nuly se dějí úžasné věci — některé látky začnou vést elektřinu úplně bez odporu, což se nazývá supravodivost, nebo se kapalné helium začne chovat jako by nemělo žádné tření a dokáže samo vylézt po stěnách nádoby ven, čemuž se říká supratekutost.
Kelvinova a Celsiova stupnice mají stejně velké „dílky" (jeden kelvin je stejně velký jako jeden stupeň Celsia), takže převod je jednoduchý: k hodnotě v Celsiích přičteme 273,15 a dostaneme kelviny. Pokojová teplota 20 °C je tedy přibližně 293 K. Kelvin je základní jednotkou teploty v mezinárodní soustavě jednotek (SI), kterou používají vědci na celém světě.
Pro měření teploty se omezeně používají také jednotky Fahrenheit. Stupnice je pojmenovaná po německo-polském fyzikovi Danielu Gabriel Fahrenheitovi (1686–1736), který ji navrhl v roce 1724. Za nulový bod své stupnice zvolil teplotu směsi ledu, vody a salmiaku (chloridu amonného) −17,8 °C, což byla nejnižší teplota, kterou dokázal v laboratoři spolehlivě reprodukovat. Bod mrazu čisté vody 0 °C pak na jeho stupnici odpovídá 32 °F a bod varu je 212 °F, přičemž mezi těmito dvěma body je tedy 180 dílků oproti 100 dílkům na Celsiově stupnici. Do mezinárodní soustavy jednotek SI byly jako praktičtější zvoleny stupně Celsia resp. Kelvina a tak se dnes Fahrenheitovu stupnice používá už jen ve Spojených státech amerických a několika málo dalších zemích (například na Bahamách, v Belize či na Kajmanských ostrovech).
Zajímavostí je, že stupnice s jednotkami C a F se potkávají na hodnotě -40. Tedy -40 °C je také -40 °F. Hodnota −40 je historickou kuriozitou a neplyne ze žádné fyzikální zákonitosti. Kdyby Fahrenheit zvolil jiný nulový bod nebo jiný počet dílků, průsečík dvou teplotních stupnic by ležel jinde.
¶ Tlak — pascal (Pa), atmosféra (atm) a bar
Fyzikální veličina tlak vyjadřuje, jak velká síla působí na určitou plochu. Základní jednotkou v mezinárodní soustavě SI je pascal (Pa), pojmenovaný po francouzském vědci Blaisi Pascalovi. Jeden pascal odpovídá síle jednoho newtonu rozložené na plochu jednoho čtverečního metru. Tlak můžete pozorovat, když si na ruku položíte závaží, na závaží působí síla gravitace, která tlačí do vaší ruky. Tak zvaný barometrický tlak atmosféry bežně nevnímáme, neboť působí rovnoměrně na celé naše tělo a my jsme na něj zvyklí.
Normální barometrický nebo také atmosférický tlak na hladině moře činí 101 325 Pa. V meteorologii se běžně používá jednotka hektopascal (hPa), tedy sto pascalů. Starší jednotka atmosféra (atm) byla definována právě jako tento normální tlak na hladině moře, tedy 1 atm = 1013,25 hPa. Méně používaná jednotka bar se je svázána s jednotkou pascal: 1 bar = 100 000 Pa, takže 1 atm ≈ 1,013 bar.
V meteorologii se při měření tlaku nejčastěji setkáme s hektopascaly (což je totéž co milibary: 1000 hPa = 1000 mbar = 1 bar).
¶ Hmotnost a síla — kilogram (kg), newton (N) a jeho vztah k tlaku
Kilogram je základní jednotka hmotnosti. S tlakem souvisí přes pojem síly: těleso o hmotnosti 1 kg je na povrchu Země přitahováno gravitační silou přibližně 9,81 newtonu. Pokud tato síla působí na plochu 1 m², vytváří tlak 9,81 Pa. Když si představíme sloupec vzduchu nad jedním čtverečním metrem zemského povrchu, jeho celková hmotnost je asi 10 330 kg — a právě tíha tohoto sloupce vytváří atmosférický tlak přibližně 101 325 Pa. Hmotnost vzduchu a tlak jsou tedy přímo provázány: více vzduchu nad námi znamená jeho větší hmotnost, působí větší silou a tím vytváří vyšší tlak.
Zemská gravitace zrychluje každé těleso při volném pádu o 9,81 m každou sekundu směrem do středu Země. Říkáme tomu gravitační zrychlení [g], které má tedy hodnotu 9,81 m/s. Staticky se zrychlení projevuje jako síla, která kterou působí těleso na podložku a my ji měříme jako hmostnost.
¶ Shrnutí jednotek a převodů pro zapamatování a rychlou orientaci:
Teplota (T): používáme stupně Celsia [°C] ... 1 °C = 1 K, bod mrazu 0 °C = 273,15 K, absolutní nula 0 K = - 273,15 °C
Tlak (P): používáme pascal [Pa] ... atmosférický tlak na hladině moře 101 325 Pa = 1 atm = 1013,25 hPa ≈ 1,013 bar
Hmotnost (m): používáme kilogram [kg] ... sloupec vzduchu nad 1 m² u hladiny moře váží přibližně 10 329 kg
Síla (F): používáme newton [N] ... sloupec vzduchu nad 1 m² u hladiny moře působí silou 10 329 kg x 9,81 m/s = 101 325 N
¶ Vtipná historka pro koumáky
Pomůže zapamatovat si vztah síly (F) v newtonech [N] a tlaku (P) v pascalech [Pa]
Newton, Archimedes a Pascal hrají na schovávanou. Piká Archimedes. Newton se schová. Pascal si stoupne za pikolu a udělá kolem sebe čtverec 1x1 metr. Archimédes dopiká, otočí se a zvolá „deset, dvacet Newton“. Newton se zasměje a řekne „spálená jíška, Newton na metr čtvereční je Pascal“.
Tyto tři významné osobnosti vědy se ve skutečnosti nemohly nikdy potkat. I. Newtonovi bylo sotva 20 let když B. Pascal zemřel a Archimédés žil před naším letopočtem. Všichni tři však měli hodně společného. Na jejich poznatcích můžeme dnes stavět naše vědecká pozorování.
Archimédés žil přibližně v letech 287–212 př. n. l. v starověkých Syrakusách na Sicílii. Byl jedním z nejvýznamnějších matematiků a fyziků starověku. Mimo jiné formuloval tzv. Archimédův zákon o tělese ponořeném do kapaliny. Formuloval také zákon páky a připisuje se mu výrok: „Dejte mi pevný bod a pohnu celou Zemí."
Blaise Pascal (1623–1662). Byl francouzský matematik, fyzik, filozof a teolog. Zemřel velmi mladý, ve věku pouhých 39 let, přesto zanechal obrovský odkaz – mimo jiné v teorii pravděpodobnosti, hydrostatice (Pascalův zákon) a po něm je pojmenována i jednotka tlaku.
Isaac Newton (1643–1727). Byl anglický fyzik, matematik a astronom, považovaný za jednu z nejvlivnějších osobností v dějinách vědy. Formuloval zákony pohybu, zákon všeobecné gravitace a podílel se na vývoji infinitezimálního počtu (diferenciální a integrální výpočty).