Instrukcja dla studentów

Pracownia fizyczna dla optyków okularowych
Termodynamika
Instrukcja dla studentów
Tematy ćwiczeń:
I. Badanie procesów termodynamicznych
Doświadczenie 1. Badanie przemiany izobarycznej gazu
Doświadczenie 2. Badanie przemiany izochorycznej gazu
Doświadczenie 3. Badanie przemiany izotermicznej gazu
II. Sporządzanie bilansu cieplnego do wyznaczania ciepła właściwego, ciepła topnienia,
ciepła parowania wody w temperaturze wrzenia
Doświadczenie 4. Wyznaczanie ciepła właściwego wybranej substancji (stali,
aluminium)
Doświadczenie 5. Wyznaczanie ciepła właściwego wody
Doświadczenie 6. Wyznaczanie ciepła parowania wody
Doświadczenie 7. Wyznaczenie ciepła topnienia lodu
III. Wyznaczanie gęstości ciał stałych, ciekłych i gazowych
Doświadczenie 8. Wyznaczenie gęstości wybranych ciał stałych
Doświadczenie 9. Wyznaczanie gęstości ciała stałego o nieregularnym kształcie
z wykorzystaniem prawa Archimedesa
Doświadczenie 10. Wyznaczanie gęstości oleju i denaturatu z wykorzystaniem prawa
równowagi cieczy w naczyniach połączonych
Doświadczenie 11. Wyznaczanie gęstości powietrza
IV. Badanie anomalnej rozszerzalności wody
Doświadczenie 12. Badanie zależności objętości wody od temperatury V(T) oraz
gęstości od temperatury d(T)
I. Badanie procesów termodynamicznych
Doświadczenie 1. Badanie przemiany izobarycznej gazu
Celem doświadczenia jest zbadanie zależności objętości stałej masy gazu od temperatury w
przemianie izobarycznej.
Przemiana izobaryczna to taki proces w którym pod stałym ciśnieniem wraz ze zmianą
temperatury zmienia się objętość gazu.
Metoda: doświadczenie polega na mierzeniu zmian objętości odpowiadających kolejnym
przyrostom temperatury. Przyrost objętości gazu jest równy ilości wody wypchniętej z
menzurki.
Przyrządy:
menzurka, dwie duże zlewki, zakorkowana kolba(około 200 cm³), wąż gumowy, termometr
rys .1 Schemat aparatury do badania przemiany izobarycznej gazu
Przebieg doświadczenia:
 Zbudować układ składający się z zakorkowanej kolby i dwu dużych zlewek. Kolba
zamknięta jest gumowym korkiem ze szklaną rurką w środku.
 Przymocować jeden koniec kawałka węża gumowego do końca szklanej rurki a drugi
wprowadzić do menzurki napełnionej wodą i zanurzonej w zlewce odwróconej do
góry dnem.
 Gaz zamknięty w kolbie ogrzewać w kąpieli zmieniając temperaturę 6-7 razy.
 Przed pomiarem przyrostu objętości gazu należy odczekać około 3 minut, aby doszło
do wymiany ciepła między wodą w zlewce, a powietrzem w kolbie.
 Zmiany temperatury powinny zawierać się w granicach 20-45º ze względu na dużą
rozszerzalność gazu.
Tabela pomiarów:
Temperatura T
Przyrost objętości ΔV
V = Vı + ΔV
Korzystając z danych zawartych w tabeli przedstawić wykres zależności objętości od
temperatury V(T). Punkty pomiarowe wyznaczają linię prostą.
Otrzymana prosta jest wykresem równania:
V = Vı + Vı α t = Vı (1 + α t )
a α jest współczynnikiem rozszerzalności objętościowej gazu zależnym od rodzaju gazu.
Sens fizyczny α - względny przyrost objętości przypadający na jednostkowy przedział
temperatur, jednostką jest 1/K
α = ΔV / Vı Δt
wartość αVı jest równa tangensowi kąta nachylenia prostej do osi OX.
Korzystając z wykresu, można wyznaczyć współczynnik α .
oraz odczytać temperaturę objętości gazu równej zeru, jest ona równa w przybliżeniu - 273ºC
Wnioski:
W przemianie izobarycznej stałej masy gazu objętość jest wprost proporcjonalna do
temperatury.
Wymagania do kolokwium wstępnego:
Prawo przemiany izobarycznej,
Współczynnik rozszerzalności objętościowej gazu,
Równanie stanu gazu doskonałego.
Doświadczenie 2. Badanie przemiany izochorycznej gazu
Celem doświadczenia jest zbadanie zależności pomiędzy temperaturą i ciśnieniem
w przemianie izochorycznej.
Przemiana izochoryczna to proces, w którym nie zmienia się objętość określonej masy gazu,
zmienia się natomiast temperatura i ciśnienie pod wpływem dostarczania lub odprowadzania
energii na drodze cieplnej.
Przyrządy:kolba zamknięta korkiem ze szklaną rurką w środku, termometr, zlewki, długa
giętka, przezroczysta rurka (około 2,5 m)wypełniona wodą
rys. 2 Schemat aparatury do przemiany izochorycznej gazu
Przebieg doświadczenia:






pat
Zamocować przezroczysty wąż do szklanej rurki znajdującej się w korku.
Temperaturę gazu zamkniętego w kolbie należy zmieniać zanurzając kolbę w zlewce z
ciepłą wodą.
Zmieniając 6-7 razy temperaturę wody w zlewce powodujemy zmianę temperatury
gazu w kolbie. Należy odczekać około 3-5 minut do ustalenia się temperatury gazu.
Każdej zmianie temperatury odpowiada zmiana ciśnienia i objętości co daje się
zauważyć w zmianie poziomu wody w ramionach rurki.
Aby objętość się nie zmieniała należy odpowiednio podnosić lub opuszczać prawe
ramię zestawu aby w lewym połączonym z kolbą pozostawał stały poziom.
Odczytać na barometrze wartość ciśnienia atmosferycznego.
= ……….
Wyznaczyć ciśnienie gazu w kolbie z zależności:
p = pat + h d g, gdzie h – różnica wysokości poziomów wody w rurce przezroczystej
g – przyspieszenie ziemskie, d – gęstość wody
Tabela pomiarów:
t [ º C]
h
p
Sporządzić wykres zależności ciśnienia od temperatury p(t), punkty pomiarowe układają się
na linii prostej.
Odczytać wartość ciśnienia w punkcie przecięcia prostej z osią OY w temperaturze 0ºC
Współczynnik kierunkowy prostej jest równy tangensowi kąta nachylenia jej do osi OX
i zależy od rodzaju gazu i od ciśnienia w temperaturze 0º C.
Równanie prostej ma postać:
p = po + po β t = p (1 + β t ),
β to współczynnik termicznej prężności gazu, jest on równy względnemu przyrostowi
ciśnienia przypadającemu na jednostkowy przyrost temperatury. Jednostką jest 1/K.
Wnioski :
W izochorycznej przemianie stałej masy gazu ciśnienie jest wprost proporcjonalne do jego
temperatury.
Wymagania do kolokwium wstępnego:
Prawo przemiany izochorycznej.
Współczynnik termicznej prężności.
Równanie stanu gazu doskonałego.
Doświadczenie 3. Badanie przemiany izotermicznej gazu
Celem doświadczenia jest ustalenie związku pomiędzy ciśnieniem i objętością pewnej stałej
masy gazu.
Metoda: ściskanie powietrza w strzykawce lekarskiej podczas przesuwania tłoka.
Przyrządy : sztywna listwa z podpórką, odważnik 1-2 kg, linijka, szklana strzykawka
lekarska o pojemności 10-20 cm3
Przebieg doświadczenia:


Zakorkować gumowym korkiem strzykawkę. Nad tłokiem została zamknięta pewna
masa powietrza.
Nacisnąć powoli tłok co spowoduje zmniejszenie objętości powietrza w strzykawce
oraz zwiększenie ciśnienia.



Odczytać objętość gazu na skali strzykawki.
Przygotować układ stanowiący dźwignię dwustronną, który pozwoli zmierzyć
ciśnienie.
Umieścić na jednym końcu dźwigni odważnik i naciskać tłokiem strzykawki drugi jej
koniec aż do zrównoważenia dźwigni.
rys. 3 Schemat aparatury do badania przemiany izotermicznej gazu
Poprzez zmianę położenia strzykawki na dźwigni uzyskujemy różne wartości objętości
powietrza oraz odpowiadające jej wartości ciśnienia.
Wartości tych wielkości obliczamy z następujących zależności:
p = pat + Fi / S,
gdzie pat - ciśnienie atmosferyczne, S – powierzchnia tłoka
RP = ri Fi
i = 1, 2, 3,…, n
Fi = PR / ri
p= pat + PR/ ri S,
gdzie ri to odległość tłoka strzykawki od osi dźwigni.
Objętość powietrza pod tłokiem wyliczamy z zależności:
V = l S,
gdzie l to długość słupka powietrza.
Tabela pomiarów:
p = …..,
ri
R = …..,
F
i
p at
= …..,
S = …..
p
l
V
pV
Nanieść wyniki pomiarów na wykres zależności ciśnienia od objętości p(V)
Otrzymana krzywa to hiperbola.
Wnioski:
W przemianie izotermicznej stałej masy gazu ciśnienie i objętość są do siebie odwrotnie
proporcjonalne.
pV = const.
W izotermicznej przemianie ustalonej masy gazu iloczyn ciśnienia i objętości jest stały.
Uzyskany związek pomiędzy ciśnieniem i objętością nazwany jest prawem
Boyle’a i Mariotte’a od nazwisk pierwszych odkrywców.
Uwaga! można ciśnienie powietrza w kolbie odczytywać bezpośrednio na manometrze
umieszczonym u ujścia kolby. Odczytujemy wówczas wartości przyrostu ciśnienia.
Wymagania do kolokwium wstępnego:
Prawo przemiany izotermicznej.
Warunek równowagi dźwigni dwustronnej.
Równanie stanu gazu doskonałego.
II. Sporządzanie bilansu cieplnego do wyznaczenia ciepła właściwego, ciepła topnienia
oraz ciepła parowania w temperaturze wrzenia
Doświadczenie 4. Wyznaczanie ciepła właściwego ciał stałych (stali, aluminium, ołowiu)
Celem doświadczenia jest wyznaczenie ciepła właściwego wybranej substancji z bilansu
cieplnego ułożonego dla wymiany energii pomiędzy tym ciałem ogrzanym do temperatury
wrzenia, a kalorymetrem napełnionym wodą o niższej temperaturze.
Ciepłem właściwym nazywamy ilość energii potrzebną do zmiany temperatury
1 kilograma substancji o 1 kelwin
c w = J / kg K
Energią wewnętrzną nazywamy wielkość charakteryzującą stan ciała lub układu ciał, która
jest równa sumie wszystkich rodzajów energii cząsteczek i atomów tworzących ten układ.
Przyrządy: kalorymetr, śrut ołowiany, nity aluminiowe lub stalowe nakrętki, waga,
termometr, grzałka, naczynie z wodą
rys. 4 Schemat aparatury do wyznaczania ciepła właściwego substancji
Przebieg doświadczenia:
 Wyznaczyć za pomocą wagi masę badanego ciała: nitów aluminiowych, śrutu
ołowianego lub stalowych nakrętek.
 Wyznaczyć masę pustego kalorymetru (jego wewnętrznej części) oraz kalorymetru
napełnionego do połowy wodą, wyznaczyć masę kalorymetru oraz wody.
 Do naczynia z wodą wrzucić badane ciało i podgrzewać do temperatury wrzenia przez
5 minut.
 Zmierzyć temperaturę wody oraz kalorymetru t p tuż przed wrzuceniem ogrzanych
do temperatury wrzenia stalowych nakrętek (lub innego ciała).
 Temperatura wody w kalorymetrze będzie równa temperaturze kalorymetru, jeśli
pomiaru dokonamy po kilku minutach (8-10) od wlania wody do kalorymetru.
 Wrzucić ogrzane ciało do wody w kalorymetrze i dokonać pomiaru temperatury po
około 3-5 minutach.
 Sporządzić bilans cieplny dla wymiany energii pomiędzy rozgrzanym ciałem a
kalorymetrem wypełnionym wodą.
Tabela pomiarów:
Masa
Masa
Masa
badanego kalorymetru wody
ciała
mx
mk
mw
Temperatura Temperatura Ciepło
początkowa końcowa
właściwe
wody
tp
tk
cw
Ciepło
Cx
właściwe
kalorymetru
c Al
Ilość energii oddana przez rozgrzane badane ciało o masie mx o temperaturze t100 ,
ochłodzone od temperatury końcowej tk jest równa Q 1 = mx ∙ cx ∙ (t100 - tk )
Energia pobierana przez wodę jest równa: Q2 = m w ∙ c w ∙ (t k - t p )
Energia pobierana przez kalorymetr jest równa Q3 = m k∙ c k ∙ ( t k - t p )
zatem
Q1 = Q2 + Q3
mx ∙ cx ∙ (t100 - t k ) = m k∙ c k ∙ ( t k - t p ) + m w ∙ c w ∙ (t k
- tp)
stąd szukane ciepło właściwe cx jest równe:
cx = ( m k ∙ c
k
+
m
w ∙
cw)( tk
--
t
p) /
m
x (t100
-
t
k)
gdzie:
mx – masa badanego ciała
m w- masa wody w kalorymetrze
m k – masa kalorymetru
t k - temperatura końcowa wody, kalorymetru oraz badanego ciała
t p – temperatura początkowa wody i kalorymetru
cx – ciepło właściwe badanej substancji
c k – ciepło właściwe substancji z której wykonany jest kalorymetr (z aluminium)
c w – ciepło właściwe wody
Odszukać w tablicach fizycznych wartość ciepła właściwego dla badanej substancji,
obliczyć błąd bezwzględny, względny oraz procentowy.
Wymagania do kolokwium wstępnego:
Energia wewnętrzna.
Ciepło właściwe.
Bilans cieplny.
I i II zasada termodynamiki.
Doświadczenie 5. Wyznaczanie ciepła parowania wody w temperaturze wrzenia
Celem doświadczenia jest wyznaczenie ciepła parowania wody poprzez doprowadzenie jej do
wrzenia za pomocą grzałki o znanej mocy.
Ciepło parowania c p jest to ilość energii, która musi być doprowadzona do cieczy, aby jeden
kilogram przeszedł w stan pary (w stałej temperaturze)
Przyrządy: wysoka, wąska zlewka z wodą, grzałka, waga laboratoryjna, minutnik
Przebieg doświadczenia:




Wysoką zlewkę odizolować od otoczenia owijając ją rulonem z waty lub umieszczając
w pojemniku ze styropianu.
Wlać wodę do wysokiej zlewki i zważyć zlewkę z wodą.
Doprowadź do wrzenia wodę za pomocą grzałki o znanej mocy w czasie t = 5 minut.
Ponownie zważyć zlewkę z wodą.
Tabela pomiarów:
masa zlewki
z wodą
m1
[kg]
masa zlewki
z wodą po
odparowaniu
m2
[kg]
masa pary
moc grzałki
P [ W]
czas wrzenia
t [ s]
Δ m= m1 – m2
[kg]
Sporządź bilans cieplny związany z wymianą energii podczas wrzenia wody.
Energia wydzielona przez grzałkę
Q=Pt,a
Q=cpm
gdzie P oznacza moc grzałki, a c p- ciepło parowania w temperaturze wrzenia,
stąd
c p= P t / Δ m
Porównać otrzymaną wartość z wartością w tablicach fizycznych, obliczyć błąd
bezwzględny, względny i procentowy.
Wymagania do kolokwium wstępnego:
Energia wewnętrzna.
I zasada termodynamiki.
Przejścia fazowe I rodzaju.
Sporządzanie bilansu cieplnego.
Doświadczenie 6. Wyznaczenie ciepła topnienia lodu
Celem doświadczenia jest wyznaczenie ciepła topnienia lodu z bilansu cieplnego.
Przyrządy: kalorymetr, termometr, waga laboratoryjna
Ciepło topnienia c t jest równe ilości energii potrzebnej na stopienie jednego kilograma
substancji w stałej temperaturze.
Przebieg doświadczenia:
Wyznaczyć masę kalorymetru m k (jego wewnętrznej części).
Wyjąć z zamrażalnika 3 kostki lodu i odczekać do pojawienia się na nim warstewki wody
by można było uznać, że ma temperaturę 0 0 C.
Nalać do ¼ kalorymetru wody i ponownie wyznaczyć masę.
dokonać pomiaru temperatury wody w kalorymetrze t p.
Kalorymetr wstawić do wewnętrznej osłony i wrzucić do niego 3 kostki lodu i szczelnie
zamknąć.
Zmierzyć temperaturę końcową t k do której oziębiła się woda w kalorymetrze oraz
kalorymetr po stopieniu lodu.
Wyznaczyć ponownie masę kalorymetr z wodą i stopionym lodem w celu obliczenia masy
lodu.
Tabela pomiarów:
Masa
Masa
Masa
kalorymetru kalorymetru wody
z wodą
mk
m2
mw
Temperatura
początkowa
wody
i
kalorymetru
t1
Masa
Masa
kalorymetru lodu
wody
i lodu
Temperatura
końcowa
wody i lodu
mr
t2
ml
Sporządzić bilans energii pobranej i oddanej podczas topienia lodu.
oznacz: przez Q 1 =
Q2 =
Q 3=
Q 4=
m lct
- energię pobrana przez lód do stopienia
0
m l c w ( t k – 0 C ) - energia pobrana przez wodę powstałą z lodu
m w c w ( t p -t k)
- energia oddana przez wodę
m k c Al. (t p - t k )
- energia oddana przez kalorymetr
zatem
Q1
+
Q2
=
Q3
+
Q4
m
l
c
t
+ m l c w ( t k – 0 0 C ) = m w c w ( t p -t k)
+
m k c Al. (t p - t
k),
gdzie c t to ciepło topnienia .
Obliczyć wartość ciepła topnienia lodu, porównać otrzymaną wartość z wartością
w tablicach fizycznych. Oblicz błąd bezwzględny, względny oraz procentowy.
Wymagania do kolokwium wstępnego:
ciepło topnienia,
energia wewnętrzna,
I i II zasada termodynamiki,
sporządzanie bilansu cieplnego.
III. Wyznaczanie gęstości ciał stałych, ciekłych i gazowych
Doświadczenie 8. Wyznaczenie gęstości wybranych ciał stałych
Celem części 1 doświadczenia jest wyznaczenie gęstości substancji z których wykonane są
bryły o regularnych kształtach
Przyrządy : waga laboratoryjna, suwmiarka, klocek drewniany i metalowy, menzurka, kulka
plasteliny
Przebieg doświadczenia:
 Przygotować wagę laboratoryjną do pomiaru.
 Wyznaczyć masę klocka drewnianego oraz masę klocka metalowego.
 Za pomocą suwmiarki wyznaczyć długość, szerokość oraz wysokość klocków w celu
obliczenia objętości klocków.
Tabela pomiarów:
dla klocka drewnianego:
Długość
cm
Szerokość
cm
Wysokość
cm
Objętość V
cm 3
Masa m
[g]
Gęstość
ρ= m/V
dla klocka metalowego:
Długość
cm
Szerokość
cm
Wysokość
cm
Objętość V
cm 3
Masa m
[g]
Gęstość
ρ= m/V
Celem części 2 doświadczenia jest wyznaczenie gęstości substancji z której wykonana jest
bryła o nieregularnym kształcie np. kulki plasteliny.
Przebieg doświadczenia:
 Wyznaczyć masę bryłki plasteliny.
 Zanurzyć bryłkę plasteliny w menzurce z wodą odczytując wysokość słupa wody
przed i po zanurzeniu.
 Obliczyć objętość bryłki plasteliny.
Tabela pomiarów:
Wysokość słupa
wody przed
zanurzeniem
plasteliny
Wysokość słupa
wody po
zanurzeniu
plasteliny
Objętość
bryłki
plasteliny V
[ cm 3]
Masa bryłki
plasteliny
[g]
Gęstość
ρ= m/V
Doświadczenie 9. Wyznaczanie gęstości ciała stałego o nieregularnym kształcie
z wykorzystaniem prawa Archimedesa
Przyrządy: waga laboratoryjna, przedmiot o nieregularnym kształcie (np. w kształcie
kotwicy), zlewka z wodą.
Przebieg doświadczenia:
Zważyć przedmiot ( np. w kształcie kotwicy) na wadze.
Zawiesić przedmiot na nitce i nitkę podwiesić do belki wagi. Zlewkę z wodą tak ustawić by
przedmiot był całkowicie zanurzony w wodzie i nie dotykał dna zlewki. Można zlewkę
trzymać w dłoni lub ustawić na stoliku nad szalką wagi.
Doprowadzić wagę do równowagi, co pozwala wyznaczyć siłę F, która jest ciężarem
zmniejszonym o siłę wyporu przedmiotu zanurzonego w wodzie.
Tabela pomiarów:
Ciężar
przedmiotu
w powietrzu Q
Ciężar
przedmiotu
w wodzie F
F=Q- V ρwg
Siła wyporu
V ρwg
Objętość
przedmiotu
V=Q-F/gρw
Szukana gęstość
ρx=( Q/Q-F) ρw
Doświadczenie 10. Wyznaczanie gęstości oleju i denaturatu z wykorzystaniem prawa
równowagi cieczy w naczyniach połączonych
Celem doświadczenia jest wyznaczenie gęstości cieczy mieszających się i nie mieszających
się metodą naczyń połączonych.
Przyrządy i materiały: rurka w kształcie litery U, naczynia połączone w kształcie litery U
odwrócone ramionami w dół, 2 małe zlewki, woda, olej, denaturat, miarka centymetrowa.
rys. 5 Rurka w kształcie litery U
Przebieg doświadczenia:
cz.1 Wyznaczanie gęstości oleju przy założeniu znanej gęstości wody



Wlać wodę do rurki U do połowy wysokości a następnie ostrożnie dolać z jednej
strony rurki niewielką ilość oleju.
Po uzyskaniu równowagi cieczy nie mieszających się tzn. oleju i wody zmierzyć
nierówne wysokości ich słupków od tego samego poziomu.
Korzystając z porównania wartości ciśnienia hydrostatycznego dwóch cieczy na tym
samym poziomie można obliczyć szukaną gęstość cieczy.
hw g ρw = ho g ρo
stąd
hw / ho = ρo / ρw
h w oznacza wysokość słupka wody
ρ w oznacza gęstość wody
h o oznacza wysokość słupka oleju
ρo oznacza gęstość oleju
,
Tabela pomiarów:
h wody
h oleju
ρ wody
ρoleju = ρ wodyhw/ho
cz.2. Wyznaczanie gęstości cieczy mieszających się




Wlać wodę do jednej niewielkiej zlewki, do drugiej denaturat.
Oba ramiona rurki U-kształtnej zanurzyć w zlewkach z cieczami.
Zassać ciecze do rurek korzystając z gumowej rurki oraz kranika.
Zmierzyć wysokości słupków cieczy w ramionach rurek.
rys. 6 Schemat aparatury do wyznaczania gęstości cieczy mieszających się
Błąd pomiaru
Tabela pomiarów:
h wody
h denaturatu
ρ wody
ρd = ρw hw/hd
Błąd pomiaru
Wymagania do kolokwium wstępnego:
Ciśnienie hydrostatyczne.
Prawo naczyń połączonych.
Prawo Archimedesa.
Budowa ciał stałych, ciekłych i gazowych.
Pojęcie gęstości i sposoby jej wyznaczania.
Doświadczenie 11. Wyznaczanie gęstości powietrza
Celem doświadczenia jest wyznaczenie gęstości powietrza z wykorzystaniem metalowej butli.
Przyrządy i materiały: metalowa butla, pompka rowerowa, butelka o znanej pojemności,
miska z wodą, waga
Przebieg doświadczenia:
 Napełnić metalową butlę za pomocą pompki rowerowej.
 Wyznaczyć masę butli z powietrzem za pomocą wagi.
 Plastikową butelkę o znanej pojemności napełnić wodą, odwrócić do góry dnem i
umieścić w misce z wodą w taki sposób aby woda się nie wylała.
 Wypuścić 1dm3 powietrza z metalowej butli do butelki z wodą.
 Zważyć metalową butlę po wypuszczeniu 1dm3 powietrza.
rys.7 Schemat aparatury do pomiaru objętości powietrza
Tabela pomiarów:
Masa butli
z powietrzem
m1
Masa butli po
wypuszczeniu
powietrza
m2
Masa powietrza
Objętość
powietrza
Gęstość
powietrza
Δm = m1- m2
V
ρ= Δ m/V
Porównaj otrzymaną wartość gęstości powietrza z wartością odszukaną w tablicach
fizycznych.
IV. Badanie anomalnej rozszerzalności wody
Doświadczenie 12. Badanie zależności objętości wody od temperatury V(T)
oraz gęstości od temperatury d(T)
Zależność zmian objętości wody od temperatury zachowuje się inaczej niż innych
substancji. W zakresie temperatur od 4 0 C do O 0 C objętość wody zamiast maleć, rośnie
przy obniżaniu temperatury. W temperaturze 4 0 C woda zajmuje najmniejszą objętość
osiągając więc w tej temperaturze największą gęstość. Związane jest to z budową wewnętrzną
substancji oraz rodzajami oddziaływań pomiędzy cząsteczkami.
Przyrządy i materiały: kolba około 300 cm3 ze szczelnym korkiem, termometr elektroniczny,
mieszadło magnetyczne, kapilara ze skalą, woda destylowana, pokruszony lód, sól
kuchenna(kilka łyżeczek).
Zalecany poziom wody destylowanej w kapilarze w temperaturze pokojowej - 25 cm powyżej
korka.
Metoda pomiaru: Na mieszadle magnetycznym ustawiona jest kuweta, a w niej kolba z
kapilarą wypełnioną woda destylowaną. Kolba obłożona jest mieszaniną chłodzącą, która
może osiągnąć temperaturę kilkunastu stopni poniżej zera w skali Celsjusza. Mieszadło
magnetyczne powoduje ruch wody w kolbie, ułatwia wymianę ciepła z mieszaniną i zapewnia
wyrównanie temperatury wody w całej kolbie. Zanurzony w wodzie czujnik termometru
pozwala na pomiar temperatury z dokładnością do 0,10 C. Zmiany objętości wody
towarzyszące zmianom temperatury odczytujemy, obserwując zmiany poziomu wody w
kapilarze.
rys. 8 Aparatura pomiarowa: Z – kuweta, K – kolba, M.CHŁ. –mieszanina chłodząca,
CT – czujnik termometru, R – regulacja obrotów mieszadła.
Przebieg doświadczenia:
 Ustawić naczynie plastikowe wraz z umieszczoną w nim kolbą pomiarową na
mieszadle magnetycznym.
 Obłożyć kolbę rozdrobnionym lodem.
 Lód posypać kilkoma łyżeczkami soli.
 Włączyć mieszadło magnetyczne oraz ustawić jego obroty.




Rozpocząć pomiar wysokości słupa wody w kapilarze, gdy temperatura wody w
kolbie obniży się do około 110 C.
Wyjąć kolbę z mieszaniny chłodzącej, gdy woda osiągnie temperaturę + 0,10 C
(uwaga! zamarzająca woda może rozsadzić kolbę).
Ustawić kolbę na mieszadle magnetycznym (bez naczynia z lodem).
Kontynuować pomiary wysokości słupa wody w kapilarze podczas ogrzewania się
kolby do temperatury + 110 C
Tabela pomiarów:
Temperatura
[0 C]
110 C
Wysokość słupa wody w
kapilarze h [mm]
Zmiany objętości wody ΔV
[cm3 ]
Dokonać pomiarów wysokości słupa wody w kapilarze
od 110 C co 0,20 C(chłodzenie), aż do +0,10 C
oraz od 0,10 C do 110 C (ogrzewanie)
Opracowanie wyników pomiaru:
Sporządzić wykres zależności wysokości wody w kapilarze od temperatury podczas
ochładzania i ogrzewania.
Na osi rzędnych umieścić odpowiadające zmianom wysokości słupa wody zmiany objętości
ΔV, na osi odciętych temperaturę.
ΔV obliczyć na podstawie wartości średnicy wewnętrznej kapilary równej 1,7 mm i zmian
wysokości h słupa wody.
Wyznaczyć temperaturę odpowiadającą maksymalnej gęstości wody .
Obliczyć względną zmianę gęstości wody pomiędzy 40 C i 10 0 C, przyjmując, że cała
objętość wody w kolbie jest równa 300 cm3 .
Oszacować niepewności pomiarowe i zaznaczyć na wykresie.
Wymagania do kolokwium wstępnego:
Budowa cieczy.
Struktura cząsteczki wody i lodu.
Rodzaje wiązań atomowych w cząsteczce.
Energia wiązania.
Oddziaływania międzycząsteczkowe.
Wpływ czynników zewnętrznych na właściwości fizyczne cieczy.
Anomalna rozszerzalność wody.
Literatura:
A. Kaczorowska, Termodynamika cz. A i B Wydawnictwo Edukacyjne Zofii Dobkowskiej
Warszawa 1995.
Sz. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna, t. II, PWN Warszawa 1976.
S. Przestalski, Fizyka z elementami biofizyki i agrofizyki, PWN Warszawa 1987.
Źródło rysunków: Beata Harasim, Cezary Pokropek, Maszynopis.
A. Kaczorowska, Termodynamika cz. A i B Wydawnictwo Edukacyjne Zofii Dobkowskiej
Warszawa 1995.