Amina Bassil 15.04.2005

WTŻ

Rok 1 wieczorowe gr. 2

Piątek, 16.00.

Sprawozdanie z ćwiczenia:

Wyznaczanie ciepła topnienia lodu. (ćw. 24)

Fizyka zjawiska:

Proces topnienia jest związany z pobieraniem ciepła. Topnienie lodu to przemiana fazowa polegająca na przejściu ciała stałego (lodu) w ciecz (wodę). Proces ten dla lodu zachodzi w temperaturze 0°C (273,15 K). Przemiana ta wymaga dostarczenia układowi ciepła, nie podnosi ono jednak temperatury ciała, a jest zużywane na zmianę stanu skupienia i nazywa się ciepłem topnienia (jest to ilość ciepła, jaką należy dostarczyć jednostce masy ciała stałego, znajdującego się w temperaturze topnienia, aby zmieniło się ono w ciecz o tej samej temperaturze) C_top=Q/m gdzie Q-ilość dostarczonego ciepła; m-masa ciała. [J/kg].

Do naszego ćwiczenia użyliśmy kalorymetru, jest to aluminiowe naczynie o podwójnych, izolowanych ściankach i małej pojemności cieplnej (pojemność cieplna ciała jest stałą proporcjonalności pomiędzy ciepłem Q pobieranym lub oddawanym przez to ciało, a spowodowaną tym procesem zmianą temperatury ΔT Q=C*ΔT). Kalorymetr chroni ciało w nim się znajdujące przed wymianą ciepła z otoczeniem.

Opisywany proces, jest procesem termodynamicznym (proces przepływu ciepła wraz z towarzyszącymi mu zmianami energii wewnętrznej ciał biorących udział w doświadczeniu). Procesy termodynamiczne przebiegają w kierunku najbardziej prawdopodobnym (lód w ciepłej wodzie topi się, dążąc do wyrównania swojej temperatury z temperaturą wody). Istnieje funkcja termodynamiczna (entropia) ujmująca ilościowo prawdopodobieństwo przejścia układu od jednego stanu do drugiego w procesach nieodwracalnych (odwrócić je można jedynie przez dodanie energii z zewnątrz). W naszym układzie, który jest układem odosobnionym (mieszanina wody z lodem zamknięta w kalorymetrze) uporządkowanie maleje, a entropia wzrasta. W układzie o stałej temperaturze zmianę entropii ΔS określa się jako stosunek ciepła ΔQ dostarczonego do układu do temperatury bezwzględnej. ΔS= ΔQ/T [J/K], czyli w naszym wypadku ΔS=(m_l*l)/T_t gdzie m_l - masa stopionego lodu, l - ciepło topnienia lodu, T_t - temperatura topnienia lodu (273,15K).

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia był pomiar ciepła topnienia lodu przy pomocy kalorymetru.

Wykonanie doświadczenia:

W doświadczeniu wykorzystaliśmy kalorymetr, wagę techniczną, termometr.

Najpierw zważyliśmy wewnętrzne naczynie kalorymetru (razem z pokrywką i mieszadełkiem) m_k=0,091kg.

Poniższe czynności wykonaliśmy trzykrotnie, a każdy z pomiarów zanotowaliśmy w tabeli.

Napełniliśmy kalorymetr do połowy ciepłą wodą (około 30°C) i zważyliśmy (m₁), Z równania m_w=m₁-m_k obliczyliśmy masę wlanej wody. Zmierzyliśmy temperaturę początkową (t₀) i wrzuciliśmy do kalorymetru drobno pokruszony lód, który miał temperaturę topnienia. Zamknęliśmy kalorymetr, a zawartość mieszaliśmy mieszadełkiem, aż do stopienia całego lodu - wtedy to zmierzyliśmy temperaturę końcową (t_k). Kalorymetr razem z całą zawartość zważyliśmy (m₂). Z równania m_l=m₂-m₁ obliczyliśmy masę lodu.

Następnie podstawiając do równania l=[(m_kc_k+m_wc_w)(t₀-t_k) - (m_lc_w)(t_k-t_t)]/m_l obliczyliśmy ciepło topnienia lodu. Z trzech prób wyliczyliśmy średnią wartość, która wyniosła 335002,3 J/kg, następnie obliczyliśmy błąd bezwzględny względem wartości tablicowej (332000 J/kg), który wyniósł 3002,31 J/kg, błąd względny wyniósł 0,9%. Dla każdej z prób obliczyliśmy zmianę entropii układu, wartości ΔS wyniosły odpowiednio 31,44 J/K, 25,57 J/K, 21,79 J/K.

Rachunek błędu oraz obliczenia:

Wnioski:

W naszym doświadczeniu wyznaczona średnia wartość ciepła topnienia lodu wyniosła 335002,3 J/kg, wartości dla poszczególnych prób wyniosły odpowiednio: 353284,6; 343433,5; 308288,8 [J/kg]. Dla każdej z wartości obliczyliśmy błąd maksymalny ciepła topnienia lodu metodą różniczki zupełnej na podstawie znanych błędów pomiarów pośrednich, wyniosły one odpowiednio 48128,3; 56337,3; 57169,0 [J/kg].

Ponieważ Y=(x₁+x₂+x₃)/3

Ze wzoru na błąd (met. różniczki zupełnej).

ΔY= (ΔY/ Δx₁) Δx₁+(ΔY/ Δx₂) Δx₂+(ΔY/ Δx₃) Δx₃=1/3(Δx₁+Δx₂+ Δx₃) to błąd wartości średniej możemy obliczyć ze średniej poszczególnych błędów, wynosi on 53878,2 a błąd względny 16%.

Tak więc uzyskana przez nas średnia wartość ciepła topnienia lodu 335002,3 J/kg +/-53878,2 jest porównywalna z wartością tablicową, która wynosi 332000 J/kg.

---