Konrad Piątkiewicz wydział: Mechaniczny
ĆWICZENIE 24
WYZNACZANIE CIEPŁA TOPNIENIA LODU
Ciepło właściwe to wielkość określająca ilość energii jaką należy dostarczyć do danego ciała (o określonej masie), aby temperatura tego ciała wzrosła o jednostkę temperatury.
W układzie SI ciepło właściwe to wielkość określająca ilość energii jaką należy dostarczyć do pewnego ciała o masie jednego kilograma, aby jego temperatura wzrosła o jeden kelwin.
Natomiast ciepłem topnienia nazywamy ilość ciepła potrzebna do zmiany 1 kg ciała stałego danej substancji o temperaturze topnienia na ciecz o tej samej temperaturze.
Wynika z tego, ze Q=ctm (gdzie Q-ciepło potrzebne do stopienia danego ciała stałego o masie m, ct-ciepło topnienia tego ciała).
Na energię wewnętrzną ciała stełego składa się:
· energia kinetyczna cząstek (związana z drganiami cieplnymi)
· energia potencjalna wzajemnego oddziaływania cząstek.
Podczas podgrzewania ciała stałego można zauważyć zmianę jego objętości. Wynika to z tego, ze podgrzewając dostarczamy energii, którą przejmują cząsteczki ciała znajdujące się w sieci krystalicznej (drgają z coraz większą amplituda - potrzebują więcej miejsca) w efekcie tego objętość ciała wzrasta.
Podczas dalszego ogrzewania ciała dochodzi się do pewnej charakterystycznej temperatury (zwanej temperatura topnienia) w której zachodzi zjawisko topnienia - czyli proces przejścia ze stanu stałego ciała w stan ciekły. Ciekawe jest, ze towarzyszy temu stała temperatura. Jest to spowodowane tym, iż podczas tego zjawiska energia dostarczana przechodzi tylko w energie potencjalna oddziaływań cząstek między sobą i w wyniku tego zniszczone zostają wiązania miedzycząsteczkowe (ciało przechodzi w ciecz przy stałej temperaturze).
Okazuje się, ze temperatura topnienia zależy od ciśnienia w jakim ta przemiana następuje. Zależność tą oddaje równanie Clausiusa-Clapeyrona:
gdzie: T-temperatura przemiany przy ciśnieniu p
Dp-przyrost ciśnienia względem p
DT-Przyrost temperatury przemiany spowodowany przyrostem ciśnienia o Dp
q-ciepło przemiany (np. ciepło topnienia)
V1,V2-objetosci ciała przed i po przemianie
Ciepło topnienia lodu wyznaczamy z bilansu cieplnego dla procesu stopienia pewnej ilości lodu w kalorymetrze:
- równanie bilansy cieplnego
gdzie: DQ1-cieplo potrzebne do stopienia lodu
DQ2-cieplo potrzebne do ogrzania powstałej z lodu wody
DQ3-cieplo dostarczone przez wodę w naczyniu kalorymetrycznym
DQ4-cieplo dostarczone przez kalorymetr z mieszadłem
DQ5-cieplo dostarczone przez zanurzona część termometru (praktycznie zbiorniczek z rtęcią i szkło-oprawa termometru)
Przebieg ćwiczenia :
1. Zważyć puste, suche naczynie kalorymetryczne wraz z mieszadłem.
2. Wlać do około 2/3 objętości naczynia kalorymetrycznego lekko podgrzana wodę destylowana i zważyć. Obliczyć masę wody.
3. Naczynie kalorymetryczne z woda i mieszadłem wstawić do kalorymetru, odczytywać co minutę temperaturę.
4. Potłuc i osuszyć niewielka ilość lodu (około 1/4 objętości naczynia kalorymetrycznego).
5. Po upływie 6 minut od chwili rozpoczęcia pomiarów temperatury i otworzyć kalorymetr, wsypać przygotowany lód, zamknąć kalorymetr i mieszając wodę odczytywać temperaturę co 10-15 sekund. Gdy zmiany temperatury staną się ponownie niewielkie, temperaturę odczytywać jeszcze przez 5 minut w odstępach minutowych.
6. Wyjąc naczynie kalorymetryczne i zważyć je ponownie (razem z mieszadłem bez uchwytu oraz bez termometru).
7. W celu wyznaczenia pojemności cieplnej termometru zmierzyć objętość zbiornika rtęci używając malej menzurki.
8. Wyznaczyć (metoda graficzna, opisana w "Wiadomościach wstępnych o pomiarach kalorymetrycznych" (Skrypt - p.23.1)) temperaturę początkowa i końcową wody w kalorymetrze.
9. Obliczyć ciepło topnienia lodu.
10. Cale doświadczenie powtórzyć.
WARTOSCI STALE PRZYJETE DO OBLICZEN :
ciepło właściwe wody cw = (4185 +- 8) J/kg K
pojemność cieplna właściwa zbiornika z rtęcią termometru R = (1.93 +- 0.08)*1000000 J/kg K
ciepło właściwe kalorymetru :
· aluminiowego (879 +-1) J/kg K
· mosiężnego (390 +-1) J/kg K
· miedzianego (380 +-1) J/kg K
· szklanego (8.0 +-1) J/kg K
POMIARY :
1. Masa kalorymetru mk = 90.52 g = (0.09052 +- 0.00001)kg
2. Masa kalorymetru z woda m(k+w) = 354.3 g = (0.3543 +- 0.00001) kg
3. Masa wody mw = m(k+w) - mk = 354.3 - 90.52 = 263.78 g = (0.26378 +- 0.00001) kg
ostatecznie mw = (0.26378 +- 0.00001) kg
4. Pomiary temperatury wody i wody z lodem w kalorymetrze
Przed wrzuceniem lodu :
t [min]
0
1
2
3
4
5
t [s]
60
120
180
240
300
T[° C]
43.4
43.2
43.0
42.9
42.8
42.6
Wrzucenie lodu - w czasie t = 330 s Po wrzuceniu lodu (pomiar co 15 s) : t [min]
6
6.15
6.30
6.45
7.00
7.15
360
375
390
405
420
435
29
27.8
27
26.6
26.4
Po wrzuceniu lodu (pomiar co 1 min) :
8.15
9.15
10.15
11.15
12.15
495
farfalla88