Wyznaczenie ciepła topnienia lodu za pomocą kalorymetru

Politechnika Łódzka
FTIMS
Kierunek: Informatyka
rok akademicki: 2008/2009
sem. 2.
Termin: 4 V 2009
Nr. Ćwiczenia: 212
Temat Ćwiczenia:
Wyznaczenie ciepła topnienia
lodu za pomocą kalorymetru
Nr. studenta: . . .
Nr. albumu: 150875
Grupa: II
Nazwisko i imię:
Ocena z kolokwium: . . .
Graczyk Grzegorz
Ocena z raportu: . . .
Nr. studenta: . . .
Nr. albumu: 148976
Grupa: I
Nazwisko i imię:
Ocena z kolokwium: . . .
Krasoń Katarzyna
Ocena z raportu: . . .
Data wykonania ćw.:
Data oddania raportu:
Uwagi:
4 V 2009
11 V 2009
Wstęp
Celem ćwiczenia było zapoznanie się ze zjawiskami topnienia i krzepnięcia oraz poznanie
zasady bilansu cieplnego. A następnie wyznaczenie ciepła topnienia lodu.
Opis metody i przebieg pomiarów
W ćwiczeniu tym, ciepło topnienia lodu wyznaczone zostaje w oparciu o zasadę zachowania
energii cieplnej. Jeżeli do kalorymetru o masie mk i cieple właściwym ck , w którym znajduje
się woda o masie mw , cieple właściwym cw oraz temperaturze T1 , wprowadzony zostanie lód
o masie mL i temperaturze T0 = 273K, to wówczas po pewnym czasie, ustali się temperatura
T2 . Lód ulegnie całkowitemu stopieniu (kosztem ciepła jakie oddaje kalorymetr i znajdująca się
w nim woda), natomiast powstała z niego woda ogrzeje się od temperatury topnienia T0 do
temperatury końcowej T2 . Zgodnie z zasadą bilansu cieplnego możemy zapisać:
mk ck ∆Tw + mw cw ∆Tw = lmL + mL cw ∆TL ,
(1)
skąd wyznaczamy wzór na ciepło topnienia lodu:
(mk ck + mw cw )(T1 − T2 )
− cw (T2 − T0 ).
(2)
mL
W powyższych wzorach zaniedbujemy wartość ciepła oddanego prze termometr ponieważ,
w porównaniu z ciepłem oddanym przez kalorymetr oraz znajdującą się w nim wodę, jest ono
bardzo małe.
l=
W ćwiczeniu tym, wykorzystane zostały: kalorymetr, mieszadełko, woda destylowana, lód,
waga techniczna oraz kuchenka elektryczna.
Rysunek 1: Schemat układu pomiarowego.
W skład kalorymetru wodnego, przedstawionego na Rysunku 1, wchodzą: naczyńko z cieczą
- 5, umieszczone na cokole - 6 i otoczone płaszczem wodnym - 1, pokrywa - 2, termometr - 3
oraz zatyczka - 4.
Grzegorz Graczyk i Katarzyna Krasoń, Ćw. 212
2/4
Do kalorymetru wlewamy wodę na ok 2/3 wysokości, a następnie podgrzewamy kalorymetr
z wodą do temperatury 40-50◦ . Zdejmujemy kalorymetr z kuchenki elektrycznej i wstawiamy go
do osłony. Wrzucamy do kalorymetru lód o temperaturze topnienia T0 i czekamy aż ustali się
temperatura końcowa T2 , notując przez cały czas trwania doświadczenia temperaturę oraz czas.
Wyniki pomiarów
t[s]
0
30
60
90
120
150
180
210
240
300
330
435
510
525
535
545
555
570
600
630
660
690
720
750
780
810
840
870
900
T[◦ C]
47
46.7
46.6
46.3
46.1
45.9
45.7
45.6
45.4
45.1
45.0
44.6
42.1
41.9
41.6
41.6
41.6
41.5
41.5
41.4
41.3
41.3
41.2
41.2
41.2
41.1
41.1
41.0
41.0
Na podstawie tabelki tworzymy wykres, z którego możemy odczytać wartości T1 i T2 :
Grzegorz Graczyk i Katarzyna Krasoń, Ćw. 212
3/4
Otrzymujemy w ten sposób zestaw wszystkich danych potrzebnych do wykonania obliczeń:
mk
[kg]
0.07994
ck
[J/kgK]
452
mw
[kg]
0.23149
cw
[J/kgK]
4186
T0
[K]
273.2
T1
[K]
317.4
T2
[K]
314.9
∆T
[K]
0.05
mL
[kg]
0.00486
Obliczenia
Zgodnie z (2):
l = 342 · 103 J/kgK
∆l = 21 · 103 J/kgK
Zatem:
l = (342 ± 21) · 103
J
kg · K
Wnioski
• Wartość ciepła topnienia lodu odczytana z tablic to 333.7 kJ/kgK. Ponieważ mieści się ona
w zakresie błędu możemy domniemywać, iż doświadczenie zostało wykonane poprawnie.
• Pomiar błędu nie uwzględnia błędu pomiarowego masy i czasu. Ponadto samo doświadczenie nie uwzględnia pewnych drobnych czynników - na przykład chwilowego otwarcia, a
zatem wymianie ciepła z otoczniem przez wodę.
• Ciepło wydalone do otoczenia przez układ wspomniane w poprzednim wniosku zostało w
obliczeniach potraktowane jako ciepło wykorzystane na topnienie lodu, zatem wypływ tej
wymiany powoduje otrzymanie większego wyniku niż prawidłowy. Zgodnie z przypuszczeniem otrzymany wynik jest większy, niż wartość odczytana z tablic.
Grzegorz Graczyk i Katarzyna Krasoń, Ćw. 212
4/4