Ćwiczenie 12 v

VIII LO 2015

Ćwiczenie 5 Wyznaczanie ciepła przemiany fazowej oraz ciepła właściwego

Co powinieneś wiedzieć przed przystąpieniem do wykonywania ćwiczenia: 1. Co to jest bilans cieplny? 2. Co to jest ciepło topnienia? 3. Co to jest ciepło parowania? 4. Co to jest kalorymetr? 5. Jak można obliczyć pracę wykonaną przez prąd elektryczny? 6. Co to jest ciepło właściwe? Podaj wzór na ciepło właściwe 7. Co to jest temperatura? Jaka jest podstawowa skala temperatur? 8. Jak działa termometr? Lista przyrządów: 1. Kalorymetr z mieszadełkiem 2. Termometr 3. Lód 4. Grzałka elektryczna 5. Waga 6.Naczynie na wodę (drugi kalorymetr) 7. Garść nakrętek Opis ćwiczenia. Celem ćwiczenia jest wyznaczenie ciepła topnienia lodu , ciepła parowania wody oraz ciepłą właściwego metalowych nakrętek używając dostępnych przyrządów. Aby przygotować się do ćwiczenia, należy kilka godzin wcześniej wstawić napełniony wodą pojemnik na lód do zamrażalnika. Przyrządem niezbędnym do przeprowadzenia tego doświadczenia jest kalorymetr. Jest on zbudowany z dwóch naczyń (patrz rysunek). Wszystkie czynności wykonywane w czasie ćwiczenia mają być robione w naczyniu wewnętrznym. Kalorymetr jest tak zbudowany, aby oddzielić (odizolować) badaną substancję od otoczenia.

Przemiana fazowa to inaczej zmiana stanu skupienia. W tym ćwiczeniu będziemy badać topnienie, czyli zamianę ciała stałego w ciecz, oraz parowanie, czyli zamiana cieczy w gaz. Kluczową wielkością fizyczną w tym ćwiczeniu jest temperatura. Temperatura to miara średniej energii kinetycznej ruchu wszystkich cząsteczek danej substancji. Podstawową skalą temperatury jest skala Kelvina. Natomiast przyrządem, służącym do jej pomiaru jest termometr. Wykorzystuje on zjawisko polegające na tym, że prawie wszystkie substancje (np. rtęć, alkohol) zwiększają swoją objętość wraz ze wzrostem temperatury. Topnienie Bilans cieplny jest to jedna z wersji zasady zachowania energii stosowana w termodynamice. Mówi on, że gdy stykają się ze sobą dwa ciała o rożnych temperaturach to wówczas następuje między nimi wymiana ciepła. Ciało o wyższej temperaturze oddaje ciepło ciału o niższej temperaturze. Gdy układ jest izolowany od otoczenia to ciepło oddane przez ciało o wyższej temperaturze jest równe ciepłu pobranemu przez ciało o niższej temperaturze. W naszym doświadczeniu ciepło będzie oddawać woda, natomiast pobierać je będzie lód. Należy dodać, że lód pobierze ciepło i wykorzysta je do dwóch rzeczy: do stopienia się, oraz do ogrzania wody, która z niego powstała. Ciepło topnienia jest to ilość energii jaka należy dostarczyć do 1 kg ciała stałego aby zamienić je w ciecz bez zmiany temperatury. Określenie „bez zmiany temperatury” oznacza, że w czasie topnienia się ciała stałego jego temperatura się nie zmienia i wynosi tyle ile wynosi temperatura topnienia danego ciała. Parowanie Badanie ciepła parowania będzie opierało się na dostarczanie wodzie energii elektrycznej za pomocą grzałki. Pracę wykonaną przez prąd możemy obliczyć ze wzoru: W  Pt . Natomiast ilość energii potrzebna do zamiany cieczy w gaz możemy obliczyć ze wzoru: Q  mc p , gdzie m to masa cieczy, która zamieniła się w gaz, a cp to ciepło parowania, które należy w ćwiczeniu wyznaczyć. Aby wykonać odpowiednie obliczenia, należy założyć, że ilość energii dostarczonej przez prąd elektryczny jest równa ilości ciepła pobranego przez wodę. Ciepło właściwe metalu Wyznaczanie ciepła właściwego metalu, z którego wykonane są nakrętki będzie polegało na wrzuceniu gorących nakrętek do zimnej wody. Ciepło właściwe jest to ilość energii jaką należy dostarczyć do 1 kg substancji aby zwiększyć jej temperaturę o 1 K (czyli 1OC). Ale ciepło właściwe to także ilość energii, którą oddaje 1 kg substancji schładzając sie o 1K. Wzór na ciepło właściwe to:

gdzie: Q - ciepło pobrane lub oddane przez substancję, m - masa substancji ΔT - różnica temperatur substancji Częściej można spotkać taką wersję tego wzoru: Gdy gorące nakrętki znajdą się w zimnej wodzie, wówczas nastąpi przepływ ciepła. Nakrętki oddadzą swoją energię wodzie. W tej sytuacji ponownie będzie miał zastosowanie bilans cieplny czyli

Ciepło pobrane to energia pobrana przez zimną wodę i kalorymetr, który także ma temperaturę wody. Wzór na to ciepło:

mw - masa zimnej wody cww - ciepło właściwe wody ΔT - różnica temperatur wody i kalorymetru mk - masa kalorymetru cwk - ciepło właściwe kalorymetru (aluminium) Ciepło oddane to energia oddana przez nakrętki:

mn - masa nakrętek cwn - ciepło właściwe nakrętek ΔTn - różnica temperatur nakrętek

Aby dowiedzieć się ile energii pobiera woda w czasie ogrzewania przez grzałkę wystarczy skorzystać ze wzoru na pracę prądu elektrycznego : W  Pt Całą ta praca jest zamieniana na ciepło, dlatego możemy przyrównać ją do wzoru

Przebieg ćwiczenia: Wyznaczenie ciepła topnienia. 1. Do kalorymetru należy wlać wodę. Do obliczeń będzie potrzebna znajomość masy wody i jej temperatura, dlatego trzeba je zmierzyć

2. Następnie do wody należy wrzucić lód (4 kostki). Lód wyjęty z zamrażalnika ma temperaturę niższą niż 0OC, dlatego należy go ogrzać do temperatury 0OC. Efekt ten uzyskujemy przez ogrzanie go w rękach. Lód osiąga temperaturę 0OC gdy pojawiają się na nim kropelki wody. Należy wówczas osuszyć kostki i wrzucić do wody znajdującej się w kalorymetrze. 3. Następnie czekamy aż cały lód się stopi. Możemy przyśpieszyć ten proces mieszając mieszaninę mieszadełkiem. Po stopieniu lodu czekamy, aż temperatura mieszaniny się wyrówna. Gdy to stwierdzimy odczytujemy wskazanie termometru. W obliczeniach potrzebna będzie masa lodu, dlatego należy teraz zważyć kalorymetr. Masa lodu to otrzymany wynik pomniejszony o masę kalorymetru i masę początkową wody 4. Aby obliczyć ciepło topnienia lodu należy skorzystać z bilansu cieplnego ,który mówi, że ilość ciepła pobranego przez lód jest równa ilości ciepła oddanego przez wodę. Należy zauważyć, że lód pobiera ciepło w dwóch etapach: aby sie stopić, oraz aby się ogrzać do temperatury końcowej. Należy również uwzględnić fakt, że ciepło jest także oddawane przez kalorymetr, który razem z wodą sie schładza. W obliczeniach skorzystaj ze wzorów:

Wyznaczenie ciepła parowania.

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Skontaktuj się z nauczycielem - w ćwiczeniu należy użyć grzałki, a to jest niebezpieczne Przygotuj grzałkę elektryczną. Odczytaj jej moc. Włóż do kalorymetru grzałkę i nalej do niego tyle wody, aby grzałka była zakryta, ale kalorymetr nie był pełny (woda nie powinna rozchlapywać się w czasie wrzenia) Postaw kalorymetr na wadze, a następnie włącz grzałkę Gdy woda zacznie wrzeć odczytuj co 30s wskazania wagi. Wyłącz grzałkę zanim jej cześć zacznie wystawać wody. Z otrzymanych wyników sporządź wykres. Na osi poziomej zaznacz masę odparowanej wody, na pionowej dostarczoną energię Dla każdego przedziału czasu oblicz ciepło parowania. Przy obliczeniach skorzystaj ze wzoru:

Mając wszystkie wartości oblicz wartość średnią. 7. Oblicz niepewność pomiaru ciepła parowania korzystając ze wzoru (uproszczona metoda logarytmiczna):

8. Sporządź drugi wykres – tym razem przedstaw jak zmieniała się temperatura w czasie wrzenia. Udowodnij, że temperatura przemiany fazowej jest stała. Wyznaczanie ciepła właściwego metalowych nakrętek 1. Ogrzewanie nakrętek a. Do kalorymetru 1 nalej wodę oraz wrzuć nakrętki b. Umieść grzałkę w wodzie i wraz z nią podgrzewaj nakrętki (przed włączeniem grzałki skontaktuj się z nauczycielem)

2. 3. 4.

5. 6. 7. 8.

c. Czekaj aż woda osiągnie temperaturę około 90OC. W czasie ogrzewania nakrętek zmierz masę kalorymetru 2, nalej do niego wodę oraz zmierz masę kalorymetru z wodą Zmierz temperaturę wody w kalorymetrze 2 Po ogrzaniu nakrętek do odpowiednio wysokiej temperatury umieść nakrętki w kalorymetrze z zimną wodą. UWAGA! Pamiętaj, żeby sie nie oparzyć. Przed wykonaniem tej czynności skontaktuj się z nauczycielem. Włóż termometr do kalorymetru i mieszaj zawartość mieszadełkiem Poczekaj na wyrównanie się temperatur a następnie odczytaj wskazaną temperaturę. Wylej wodę i zmierz masę nakrętek. Oblicz ciepło właściwe substancji, z których wykonane są nakrętki . Określ z jakiej substancji mogą być wykonane nakrętki. W obliczeniach możesz skorzystać ze wzoru: