Wyznaczanie ciepła parowania i ciepła topnienia

Wyznaczanie ciepła parowania i ciepła topnienia
Cel:




Poznanie procesów topnienia i wrzenia jako przykładu przemian fazowych.
Poznanie zasady sporządzania bilansu cieplnego.
Wyznaczenie ciepła parowania wody przy użyciu kalorymetru.
Wyznaczenie ciepła topnienia lodu przy użyciu kalorymetru.
Pytania i zagadnienia kontrolne:





Trzy podstawowe stany skupienia i przejścia fazowe między nimi.
Definicja ciepła właściwego, ciepła parowania i ciepła topnienia.
Zasada sporządzania bilansu cieplnego.
Wyznaczenie ciepła parowania wody – ułożyć bilans cieplny i wyprowadzić wzór na
ciepło parowania.
Wyznaczenie ciepła topnienia lodu – ułożyć bilans cieplny i wyprowadzić wzór na
ciepło topnienia.
Opis ćwiczenia:
Podstawowym przyrządem wykorzystywanym do pomiaru ciepła właściwego, ciepła
parowani i ciepła topnienia jest kalorymetr. Izoluje on termicznie badany układu od wpływu
otoczenia. Najprostszy kalorymetr składa się z dwóch naczyń aluminiowych: większego i
mniejszego. Na dnie naczynia większego - zewnętrznego 1 spoczywa drewniany krzyżak 2 ,
na którym ustawione jest mniejsze naczynie wewnętrzne 3 – właściwy kalorymetr.
Kalorymetr ma aluminiową pokrywę 4 z otworami na termometr 5 i mieszadełko 6 .
Zewnętrzne naczynie przykryte jest płytką ebonitową 7 .
5
6
7
4
3
1
2
Rys. 1. Schemat kalorymetru wodnego
Wyznaczenie ciepła topnienia lodu
Wlewamy do kalorymetru o masie m k wodę o temperaturze około 40C . Ważymy
kalorymetr wraz z wodą i wyznaczamy masę wody: mw  mk  w  mk . Po zmierzeniu
początkowej temperatury T4 kalorymetru i wody, wrzucamy lód o temperaturze T1 . Na
skutek różnicy temperatur lód pobiera ciepło od wody i kalorymetru. Początkowo lód
ogrzewa się do temperatury 0C , następnie topi się zamieniając w wodę o temperaturze
0C , która ostatecznie podgrzewa się do temperatury końcowej T3 . Po całkowitym stopieniu
się lodu mierzymy temperaturę T3 i ważymy kalorymetr wraz z wodą i rozpuszczonym lodem
w celu wyznaczenia masy lodu: ml  mk  wl  mk  w . Równanie bilansu cieplnego dla tego
przypadku ma postać:
Q1  Q2  Q3  Q4  Q5
(1)
gdzie:
- Q1  ml cl T2  T1 
– ciepło pobrane przez lód o masie m l na ogrzanie się od
temperatury początkowej T1 do temperatury topnienia T2  0C ,
- Q2  ml L
– ciepło pobrane przez lód o masie m l na stopienie się w
temperaturze T2  0C ,
- Q3  ml cw T3  T2  – ciepło pobrane przez wodę powstałą z lodu o masie m l na
ogrzanie się od temperatury topnienia T2  0C do temperatury
końcowej T3 ,
- Q4  mw cw T4  T3  – ciepło oddane przez wodę znajdującą się w kalorymetrze
podczas ochładzania się od temperatury początkowej T4 do
temperatury końcowej T3 ,
- Q5  mk ck T4  T3  – ciepło oddane przez kalorymetr podczas ochładzania się od
temperatury początkowej T4 do temperatury końcowej T3 .
W powyższych równaniach cl , c w i c k oznaczają ciepło właściwe lodu, wody i kalorymetru
(aluminium), natomiast L jest poszukiwanym ciepłem topnienia lodu.

T
Q5
Q4

 T4

T3


 T2

 T
1
Q1
Q2
Q3
Rys. 2. Wykres bilansu cieplnego dla ciepła topnienia

Q

Korzystając z równania bilansu cieplnego (1) możemy wyznaczyć ciepło topnienia lodu:
L
Q2 Q4  Q5  Q1  Q2


ml
ml
m c  mk ck T4  T3   c T
 w w
l
ml
2
 T1   cw T3  T2 .
(2)
Wyznaczenie ciepła parowania wody
Do naczynia nalewamy wodę do zaznaczonego poziomu i wyznaczamy łączną masę
naczynia z wodą. Umieszczamy w wodzie grzałkę i podłączamy ją do zasilania. Gdy woda
zacznie wrzeć włączamy stoper i dokonujemy pomiaru napięcia U oraz natężenie I prądu
przepływającego przez grzałkę. Po określonym czasie t wyłączamy zasilanie i wyjmujemy
grzałkę z naczynia. Ponownie ważymy naczynie z gorącą wodą, w celu wyznaczenia masy
wody m p która w trakcie procesu wrzenia zamieniła się w parę wodną. Należy pamiętać, że
nie cała energia cieplna grzałki zużywana jest na wyparowanie wody – część tej energii
zostaje oddana otoczeniu przez ścianki naczynia. Równanie bilansu cieplnego dla tego
przypadku ma postać:
Qw  Qo  Qg
(3)
gdzie:
- Qw  m p R
- Qo
- Qg  UIt
– ciepło pobrane przez wodę o masie m p na przejście w stan gazowy
( R jest ciepłem parowania wody),
– ciepło pobrane przez otoczenie w wyniku strat cieplnych na ściankach
naczynia,
– ciepło oddane przez grzałkę.
T
Q
g
T  100C
Q w Qo
Q
Rys. 3. Wykres bilansu cieplnego dla ciepła parowania
W przypadku, gdy ciepło pobrane przez otoczenie jest niewielkie w porównaniu z
całkowitym ciepłem oddanym przez grzałkę, równanie bilansu cieplnego (3) przyjmie postać:
m p R  UIt .
(4)
Przekształcając powyższe równanie otrzymujemy wzór na ciepło parowania wody
R
Qg
mp

UIt
mp
(5)
Literatura:
1. Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki. Cz. 1, praca zbiorowa pod red. J. Kirkiewicza, WSM,
Szczecin, 2001.
2. Szydłowski H., Pracownia fizyczna, PWN, Warszawa (dostępne wydania).
3. Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki w politechnice, praca zbiorowa pod red. T. Rewaja,
PWN, Warszawa (dostępne wydania).
4. Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki, praca zbiorowa pod red. T. Rewaja, Wydawnictwo
Politechniki Szczecińskiej, Szczecin (dostępne wydania).
5. Dryński T., Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki, PWN, Warszawa (dostępne wydania).
6. Resnick R., Halliday D., Walker J., Podstawy fizyki T.2, PWN, Warszawa (dostępne
wydania).
7. Bobrowski C., Fizyka: krótki kurs, WNT, Warszawa (dostępne wydania).
8. Orear J., Fizyka T.1, WNT, Warszawa (dostępne wydania).