Ćwiczenie 5

XX LO
Ib 2015
Ćwiczenie 5
Wyznaczanie ciepła przemiany fazowej oraz ciepła właściwego
Co powinieneś wiedzieć przed rozpoczęciem wykonywania ćwiczenia:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Co to jest ciepło topnienia?
Co to jest ciepło parowania?
Co to jest kalorymetr? Jak jest zbudowany?
Jak można obliczyć pracę wykonaną przez prąd elektryczny?
Co to jest ciepło właściwe? Podaj wzór na ciepło właściwe
Co to jest temperatura? Jaka jest podstawowa skala temperatur?
Jak działa termometr?
Lista przyrządów:
1. Kalorymetr z mieszadełkiem
2. Termometr
3. Lód
4. Grzałka elektryczna
5. Waga
6. Naczynie na wodę (drugi kalorymetr)
7. Garść nakrętek
Opis ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie ciepła topnienia lodu , ciepła parowania wody oraz ciepłą
właściwego metalowych nakrętek używając dostępnych przyrządów. Aby przygotować się do
ćwiczenia, należy kilka godzin wcześniej wstawić napełniony wodą pojemnik na lód do zamrażalnika.
Przyrządem niezbędnym do przeprowadzenia tego doświadczenia jest kalorymetr. Jest on
zbudowany z dwóch naczyń (patrz
rysunek). Wszystkie czynności
wykonywane w czasie ćwiczenia mają
być robione w naczyniu wewnętrznym.
Przemiana fazowa to inaczej zmiana
stanu skupienia. W tym ćwiczeniu
będziemy badać topnienie, czyli
zamianę ciała stałego w ciecz, oraz
parowanie, czyli zamiana cieczy w gaz.
Kluczową wielkością fizyczną w tym
ćwiczeniu jest temperatura.
Temperatura to miara średniej energii kinetycznej ruchu wszystkich cząsteczek danej substancji.
Podstawową skalą temperatury jest skala Kelvina. Natomiast przyrządem, służącym do jej pomiaru
jest termometr. Wykorzystuje on zjawisko polegające na tym, że prawie wszystkie substancje (np.
rtęć, alkohol) zwiększają swoją objętość wraz ze wzrostem temperatury.
Topnienie
Bilans cieplny jest to jedna z wersji zasady zachowania energii stosowana w termodynamice. Mówi
on, że gdy stykają się ze sobą dwa ciała o rożnych temperaturach to wówczas następuje między nimi
wymiana ciepła. Ciało o wyższej temperaturze oddaje ciepło ciału o niższej temperaturze.
Gdy układ jest izolowany od otoczenia to ciepło oddane przez ciało o wyższej temperaturze jest
równe ciepłu pobranemu przez ciało o niższej temperaturze.
W naszym doświadczeniu ciepło będzie oddawać woda, natomiast pobierać je będzie lód. Należy
dodać, że lód pobierze ciepło i wykorzysta je do dwóch rzeczy: do stopienia się, oraz do ogrzania
wody, która z niego powstała.
Ciepło topnienia jest to ilość energii jaka należy dostarczyć do 1 kg ciała stałego aby zamienić je w
ciecz bez zmiany temperatury. Określenie „bez zmiany temperatury” oznacza, że w czasie topnienia
się ciała stałego jego temperatura się nie zmienia i wynosi tyle ile wynosi temperatura topnienia
danego ciała.
Parowanie
Badanie ciepła parowania będzie opierało się na dostarczanie wodzie energii elektrycznej za pomocą
grzałki. Pracę wykonaną przez prąd możemy obliczyć ze wzoru: W  Pt . Natomiast ilość energii
potrzebna do zamiany cieczy w gaz możemy obliczyć ze wzoru: Q  mc p , gdzie m to masa cieczy,
która zamieniła się w gaz, a cp to ciepło parowania, które należy w ćwiczeniu wyznaczyć.
Aby wykonać odpowiednie obliczenia, należy założyć, że ilość energii dostarczonej przez prąd
elektryczny jest równa ilości ciepła pobranego przez wodę.
Schładzanie nakrętek w wodzie
Wyznaczanie ciepła właściwego metalu, z którego wykonane są nakrętki będzie polegało na
wrzuceniu gorących nakrętek do zimnej wody.
Ciepło właściwe jest to ilość energii jaką należy dostarczyć do 1 kg substancji aby zwiększyć jej
temperaturę o 1 K (czyli 1OC). Ale ciepło właściwe to także ilość energii, którą oddaje 1 kg substancji
schładzając sie o 1K.
Wzór na ciepło właściwe to:
gdzie:
Q - ciepło pobrane lub oddane przez substancję,
m - masa substancji
ΔT - różnica temperatur substancji
Częściej można spotkać taką wersję tego wzoru:
Gdy gorące nakrętki znajdą się w zimnej wodzie, wówczas nastąpi przepływ ciepła. Nakrętki oddadzą
swoją energię wodzie. W tej sytuacji ponownie będzie miał zastosowanie bilans cieplny czyli
Ciepło pobrane to energia pobrana przez zimną wodę i kalorymetr, który także ma temperaturę
wody. Wzór na to ciepło:
mw - masa zimnej wody
cww - ciepło właściwe wody
ΔT - różnica temperatur wody i kalorymetru
mk - masa kalorymetru
cwk - ciepło właściwe kalorymetru (aluminium)
Ciepło oddane to energia oddana przez nakrętki:
mn - masa nakrętek
cwn - ciepło właściwe nakrętek
ΔTn - różnica temperatur nakrętek
Aby dowiedzieć się ile energii pobiera woda w czasie ogrzewania przez grzałkę wystarczy skorzystać
ze wzoru na pracę prądu elektrycznego :
W  Pt
Całą ta praca jest zamieniana na ciepło, dlatego możemy przyrównać ją do wzoru
Przebieg ćwiczenia:
Wyznaczenie ciepła topnienia lodu.
1. Do kalorymetru należy wlać wodę. Do obliczeń będzie potrzebna znajomość masy wody i jej
temperatura, dlatego trzeba je zmierzyć
2. Następnie do wody należy wrzucić lód (4 kostki). Lód wyjęty z zamrażalnika ma temperaturę
niższą niż 0OC, dlatego należy go ogrzać do temperatury 0OC. Efekt ten uzyskujemy przez
ogrzanie go w rękach. Lód osiąga temperaturę 0OC gdy pojawiają się na nim kropelki wody.
Należy wówczas osuszyć kostki i wrzucić do wody znajdującej się w kalorymetrze.
3. Następnie czekamy aż cały lód się stopi. Możemy przyśpieszyć ten proces mieszając
mieszaninę mieszadełkiem. Po stopieniu lodu czekamy, aż temperatura mieszaniny się
wyrówna. Gdy to stwierdzimy odczytujemy wskazanie termometru.
W obliczeniach potrzebna będzie masa lodu, dlatego należy teraz zważyć kalorymetr. Masa
lodu to otrzymany wynik pomniejszony o masę kalorymetru i masę początkową wody
4. Aby obliczyć ciepło topnienia lodu należy skorzystać z bilansu cieplnego ,który mówi, że ilość
ciepła pobranego przez lód jest równa ilości ciepła oddanego przez wodę. Należy zauważyć,
że lód pobiera ciepło w dwóch etapach: aby sie stopić, oraz aby się ogrzać do temperatury
końcowej. Należy również uwzględnić fakt, że ciepło jest oddawane także przez kalorymetr,
który razem z wodą sie schładza.
5. Powtórz całe doświadczenie wrzucając do wody inną ilość lodu.
Wyznaczenie ciepła parowania wody.
1. Przygotuj grzałkę elektryczną. Odczytaj jej moc.
2. Włóż do kalorymetru grzałkę i nalej do niego tyle wody, aby grzałka była zakryta, ale
kalorymetr nie był pełny (woda nie powinna rozchlapywać się w czasie wrzenia)
3. Postaw kalorymetr na wadze, a następnie włącz grzałkę
4. Gdy woda zacznie wrzeć odczytuj co 30s wskazania wagi. Wyłącz grzałkę zanim jej cześć
zacznie wystawać wody.
5. Z otrzymanych wyników sporządź wykres. Na osi poziomej zaznacz masę odparowanej wody,
na pionowej dostarczoną energię
6. Dla każdego przedziału czasu oblicz ciepło parowania. Przy obliczeniach skorzystaj ze wzoru:
Mając wszystkie wartości oblicz wartość średnią.
7. Oblicz niepewność pomiaru ciepła parowania korzystając ze wzoru (uproszczona metoda
logarytmiczna):
8. Sporządź drugi wykres – tym razem przedstaw jak zmieniała się temperatura w czasie
wrzenia. Udowodnij, że temperatura przemiany fazowej jest stała.
Wyznaczanie ciepła właściwego metalowych nakrętek
1. Zapoznaj się z instrukcją do kalorymetru oraz z przebiegiem zadania 1.
2. Ogrzewanie nakrętek
a. Do kalorymetru 1 nalej wodę oraz wrzuć nakrętki
b. Umieść grzałkę w wodzie i wraz z nią podgrzewaj nakrętki (przed włączeniem grzałki
skontaktuj się z nauczycielem)
c. Czekaj aż woda osiągnie temperaturę około 90OC.
3. W czasie ogrzewania nakrętek zmierz masę kalorymetru 2, nalej do niego wodę oraz zmierz
masę kalorymetru z wodą
4. Zmierz temperaturę wody w kalorymetrze 2
5. Po ogrzaniu nakrętek do odpowiednio wysokiej temperatury umieść nakrętki w kalorymetrze
z zimną wodą. UWAGA! Pamiętaj, żeby sie nie oparzyć. Przed wykonaniem tej czynności
skontaktuj się z nauczycielem.
6. Włóż termometr do kalorymetru i mieszaj zawartość mieszadełkiem
7. Poczekaj na wyrównanie się temperatur a następnie odczytaj wskazaną temperaturę.
8. Wylej wodę i zmierz masę nakrętek.
9. Oblicz ciepło właściwe substancji, z których wykonane są nakrętki . Określ z jakiej substancji
mogą być wykonane nakrętki
W obliczeniach możesz skorzystać ze wzoru:
II. Doświadczenie do samodzielnego zaplanowania i przeprowadzenia.
Mając do dyspozycji kalorymetr, termometr oraz grzałkę, zaproponuj doświadczenie, w którym
wyznaczysz ciepło właściwe wody.