POLITECHNIKA ŁÓDZKA INSTRUKCJA Z LABORATORIUM W ZAKŁADZIE BIOFIZYKI Ćwiczenie 7 KALORYMETRIA Kalorymetria I. WSTĘP TEORETYCZNY Kalorymetria jest działem fizyki zajmującym się metodami pomiaru ciepła wydzielanego bądź pochłanianego w trakcie procesów fizycznych (np. zamiana pracy na ciepło), chemicznych (np. ciepło reakcji chemicznych) lub biologicznych. Przekazywaniem ciepła rządzą trzy zasady: 1. Ilość ciepła Q, potrzebna do ogrzania ciała o masie m o ∆T, wyraża się wzorem: Q = c m ∆T Współczynnik c nazywamy ciepłem właściwym i jest ilością ciepła potrzebną go ogrzania 1 kg dowolnego ciała o jeden Kelwin. Jednostką ciepła właściwego jest J · kg-1· K-1 2. Ilość ciepła oddanego przez ciało jest równa ilości ciepła pobranego przez ciała otaczające. 3. Ilość ciepła pobrana przez ciało przy podgrzewaniu od temperatury T1 do T2 jest równa ilości ciepła oddanego przy chłodzeniu w tym samym Zakresie temperatur, jeżeli ciało przechodzi przez te same stany pośrednie w odwrotnej kolejności. Ostatnie dwie zasady wynikają z zasady zachowania energii. W wyniku przemiany materii w organizmach żywych powstaje ciepło, które zostaje zużyte przez organizm na endotermiczne reakcje chemiczne, na pracę mechaniczną, energię elektryczną oraz energię fal elektromagnetycznych. Część ciepła zostaje różnymi drogami odprowadzona na zewnątrz organizmu. Wydzielenie ciepła przez organizm jest podstawowym czynnikiem utrzymywania odpowiedniej temperatury organizmu i stanowi składową część procesów termoregulacji. Poniżej podany jest bilans energii cieplnej przeciętnego organizmu ludzkiego w ciągu 24 godzin. 1 Kalorymetria Pokarm pobrany g kJ Razem kJ Białka 57,8 992 Tłuszcze 140,5 5 472 Węglowodany 81,7 1 403 7 867 Rozchód energii kJ sposoby oddawania ciepła ciepło oddawane z powierzchni ciała 5 753 ciepło wydychanego powietrza 180 ciepło wydalane z moczem i kałem 96 ciepło zużyte na wyparowanie wody przez płuca 758 ciepło zużyte na wyparowanie wody przez skórę 950 poprawki 46 Różnica między całkowitą ilością razem kJ ciepła uzyskanego 7 783 w organizmie i wydzielonego wynika z niedokładności pomiarów. II. OPIS BUDOWY STANOWISKA Pomiary ciepła wykonuje się w kalorymetrach (rys.1.). W celu ograniczenia wymiany ciepła z otoczeniem powleka się zewnętrzne ścianki warstwą srebra lub chromu, a sam kalorymetr stawia się na podstawce izolacyjnej w osłonie przykrytej pokrywką. Niekiedy osłona posiada podwójne ścianki i wypełniona jest wodą. Aby do minimum ograniczyć wymianę ciepła z otoczeniem, stosuje się kalorymetr z termosem ( naczynie Dewara). 2 Kalorymetria termometr mieszadło pojemnik wewnętrzny kalorymetru nr 1 pojemnik zewnętrzny warstwa izolacyjna pojemnik wewnętrzny kalorymetru nr 2 pojemnik z materiału izolacyjnego Rys.1. Schemat układu pomiarowego III. PRZEBIEG ĆWICZENIA A. WYZNACZANIE CIEPŁA TOPNIENIA LODU 1. Wyznaczyć masę m1 osuszonego wewnętrznego naczynia kalorymetru. 2. Nalać wodę do połowy objętości kalorymetru. 3. Wyznaczyć masę m2 naczynia z wodą. 4. Obliczyć masę wody mw mw = m 2 – m 1 5. Naczynie wewnętrzne wstawić do kalorymetru i mierzyć temperaturę wody co 1min. Trzeba pamiętać o mieszaniu. 6. Temperaturę należy odczytywać aż do momentu ustalenia się równowagi cieplnej (stałej temperatury). 7. Osuszyć bibułą kawałki kawałki lodu i wrzucić do kalorymetru mieszając cały czas wodę. 8. Mierzyć temperaturę wody co 1 min. do chwili, gdy temperatura zacznie równomiernie wzrastać. 9. Wyznaczyć masę mk kalorymetru z wodą, a następnie masę stopionego lodu ml = mk – m2. 3 Kalorymetria 10. Wyniki pomiarów przedstawić w tabeli. mk ck mw cw To T1 T2 ∆T m1 [kg] J kg ⋅ K [kg] J kg ⋅ K [K] [K] [K] [K] [kg] 11. Obliczyć ciepło topnienia lodu. 12. Maksymalny błąd bezwzględny ∆c , popełniony przy wyznaczaniu ciepła właściwego topnienia lodu, obliczyć ze wzoru: 2(mk c k + mw c w ) ∆c = + c w ∆T ml 13. Wykonać wykres zależności temperatury wody od czasu. B. WYZNACZANIE ILOŚCI CIEPŁA WYDZIELANEGO PRZEZ ORGANIZM CZŁOWIEKA PRZY WYDYCHANIU 1. Wyznaczyć masę mkw1 wewnętrznego naczynia kalorymetru nr 1. 2. Wyznaczyć masę mw2 wewnętrznego naczynia kalorymetru nr 2. 3. Pojemnik nr 3 (wykonany z tworzywa sztucznego) wypełnić drobno potłuczonym i możliwie suchym lodem i umieścić go w kalorymetrze nr1. Całość umieścić w osłonie i szczelnie zamknąć pokrywą. 4. Na wystającą część rurki pojemnika nałożyć wąż gumowy wraz z ustnikiem. 5. Po upływie 15 minut szybko wymienić wewnętrzne naczynie kalorymetru nr1 na wewnętrzne naczynie nr 2 i w ciągu 15 minut wydychać powietrze do kalorymetru przez wąż gumowy. 4 Kalorymetria Należy pamiętać, aby oddech był jak najbardziej zbliżony do normalnego, a wydychane powietrze było w całości wtłoczone do kalorymetru. 6. Po ukończeniu wydychania wyjąć pojemnik wraz z pozostałą częścią lodu. 7. Wyznaczyć masę mkw1 kalorymetru nr 1 z wodą. 8. Obliczyć masę wody mw1 powstałej ze stopionego lodu w temperaturze otoczenia. 9. Wyznaczyć masę mkw2 kalorymetru nr 2 z wodą. 10. Obliczyć masę mw2 wody powstałej w kalorymetrze podczas wydychania powietrza. 11. Obliczyć masę wody mw powstałej przez wydychanie powietrza przy ochłodzeniu się do temperatury topnienia lodu (to = 0oC) ( m w = m w2 − m1w − m wp ) gdzie: mwp – masa wody powstałej w wyniku skroplenia się pary wodnej zawartej w wydychanym powietrzu; mwp = 5g 12. Odczytać temperaturę otoczenia tp. 13. Znając masę mw obliczyć całkowite ciepło stracone (Qo) Qo = mw٠L gdzie: L – ciepło topnienia lodu; L = 335٠103 J/kg ( ) Q = mw2 − m1w − m wp ⋅ L 14. Ciepło Qo jest równe ciepłu jakie traciłby organizm przez oddychania Gdyby temperatura wydychanego powietrz była 0oC. Ponieważ doświadczenia jest przeprowadzane w temperaturze pokojowej, więc na podstawie proporcji otrzymuje następujący się wzór na ciepło Q wydzielone z organizmu przez oddychanie w temperaturze pokojowej Q = Qo tc − t p tc − to 5 Kalorymetria gdzie: tc – temperatura ludzkiego ciała, tc = 36,6oC tp – temperatura otoczenia to – 0oC [g] [g] [g] [g] mk1 mkw1 mw1 mk2 mkw2 mw2 mwp [kg] mw [kg] tp [oC] Qo [ J] Q [J] IV. SPRAWOZDANIE POWINNO ZAWIERAĆ 1. Krótki wstęp teoretyczny. 2. Cel przeprowadzonego ćwiczenia. 3. Objaśnienie symboli stosowanych w sprawozdaniu. 4. Tabelę z wartościami wielkości mierzonych. 5. Obliczone błędy 6. Wykres zależności temperatury wody od czasu. 7. Dyskusję i wnioski. V. PYTANIA KONTROLNE 1. Podstawowe zasady kalorymetrii. 6 Kalorymetria 2. Definicja współczynnika cieplnego. 3. Definicja ciepło topnienia lodu. 4. Budowa i zasada działania kalorymetru. LITERATURA 1. Z. Jóźwiak: G. Bartosz: Ćwiczenia z podstaw fizyki i biofizyki dla biologów; Wydawnictwo Uniwersytetu Łódzkiego, Łódź 1991 2. R. Respondowski: Laboratorium z fizyki; Politechnika Śląska, Gliwice 1994 3. J. Karniewicz. T. Sokołowski: Podstawy fizyki laboratoryjnej; Politechnika Łódzka, Łódź 1993 7