Adrian Standowicz 27.05.2009

I TM, Aa

Ćwiczenie 2: Wyznaczanie ciepła parowania i topnienia

1. WSTĘP:

1.1.

1. Ciepło:

W fizyce jest to jeden z dwóch sposobów, obok pracy, przekazywania energii układowi

termodynamicznemu. Polega na przekazywaniu energii chaotycznego ruchu cząstek (atomów, cząsteczek, jonów) w zderzeniach cząstek tworzących te układy. Oznacza formę zmian energii, nie zaś jedną z form energii.

Dla odróżnienia ciepła jako zjawiska fizycznego od ciepła jako wielkości fizycznej używa się określenia wymiana cieplna lub cieplny przepływ energii na określenie procesu, a ilość ciepła na wielkość fizyczną określającą zmianę energii wywołaną tym zjawiskiem.

2. Ciepło właściwe:

Jest to wielkość charakteryzująca każdą substancję pod względem energetycznym. Jest to energia podnosząca temperaturę ciała o jednostkowej masie o jednostkę temperatury. Ciepło właściwe (c) wprowadza się jako współczynnik proporcjonalności w prawie fizycznym mówiącym, że:

Zmiana energii wewnętrznej (ΔE) ciała jest proporcjonalna do masy ciała (m) i zmiany temperatury (Δt):

Prawo to jest prawem doświadczalnym i spełnione jest z pewnym przybliżeniem oraz pod warunkiem, że ciało nie zmienia stanu skupienia lub fazy. C. właściwe podaje się w
.

3. Ciepło topnienia:

Jest to ilość energii, którą trzeba dostarczyć ciału o masie 1 kg, aby je stopić bez zmiany temperatury. Jednostka ciepła topnienia: J / kg. Ciepło topnienia wyraża się wzorem:

Ciepło krzepnięcia jest równe ciepłu topnienia.

4. Ciepło parowania:

Jest to ilość energii, którą trzeba dostarczyć cieczy o masie 1 kg, aby wyparowała bez zmiany temperatury. Jednostka ciepła parowania: J / kg. Ciepło topnienia wyraża się wzorem:

Ciepło parowania jest równe ciepłu skraplania.

1. Bilans cieplny:

Jest to porównanie zysków i strat ciepła. W izolowanym układzie ciał, w którym nie zachodzi wymiana ciepła z otoczeniem, ilość energii cieplnej oddawanej (ΔE_o) przez ciało cieplejsze jest równa ilości energii cieplnej pobieranej (ΔE_p) przez ciało chłodniejsze tego układu:

albo inaczej:

2. Kalorymetr :

Kalorymetr cieczowy składa się z naczynia metalowego, do którego wlewa się odważoną ilość wody. W przykrywce wewnętrznego naczynia są dwa otwory: z jednego wystaje mieszadło umożliwiające wyrównanie temperatur ciał w kalorymetrze, do drugiego można włożyć termometr w celu pomiaru temperatury znajdującej się w nim cieczy.

Aby zmniejszyć wymianę ciepła z otoczeniem, występującą zawsze gdy istnieje różnica temperatur pomiędzy kalorymetrem a otoczeniem, izolujemy kalorymetr stawiając go na nie przewodzących ciepła nóżkach. Zewnętrzna powierzchnia kalorymetru jest posrebrzona i wypolerowana ma to na celu zmniejszenie szybkości stygnięcia kalorymetru. Kalorymetr dodatkowo umieszczony jest w osłonie cieplnej, zmniejszającej szybkość ostygania. Osłona jest to naczynie o podwójnych ściankach, wypełnione wodą o temperaturze otoczenia. Od góry kalorymetr zakrywa pokrywka. Uwięzione w ten sposób w kalorymetrze powietrze dodatkowo pełni rolę izolatora.

Kalorymetr to przyrząd do sprawdzania i pomiaru właściwości cieplnych, takich jak równanie bilansu cieplnego, wyznaczania ciepła właściwego i ciepła topnienia np. lodu.

2. TABELE POMIAROWE:

Tabela I - ciepło parowania:

mw+k [kg]	Mw+k' [kg]	mp [kg]	t [s]	U [V]	I [A]	R [J/kg]	R [cal/g]
1,2459	1,045	0,2009	600	210	3,2	2006970	479,36

Tabela II - ciepło topnienia:

mk [kg]	mk+w [kg]	mk+w+l [kg]	mw [kg]	ml [kg]	T4 [˚C]	T1 [˚C ]	T3 [˚C ]	L [J/kg]	L [cal/g]
0,1255	0,3315	0,3475	0,206	0,016	51,3	-20,1	41,7	368495	88,01

3. OBLICZENIA:

Dla ciepła parowania:

~

Dla ciepła topnienia:

Dane tablicowe:

- c_w - 4190 [J / kgK]

- c_l - 2100 [J / kgK]

- c_k - 897 [J / kgK]

Założenia:

- T₅ = T₄

- kalorymetr aluminiowy

- Q₁ - ciepło pobrane przez lód w trakcie jego ogrzewania

- Q₂ - ciepło pobrane przez lód w trakcie jego topnienia

- Q₃ - ciepło pobrane przez wodę powstałą z lodu w trakcie jej ogrzewania

- Q₄ - ciepło oddane przez wodę

- Q₅ - ciepło oddane przez kalorymetr

Równanie bilansu:

4. RACHUNEK BŁĘDU (dla ciepła parowania):

5. WNIOSKI:

Ćwiczenie to pozwoliło nam na zbadanie procesów termodynamicznych zachodzących podczas zmian stanu skupienia H₂O (lód (c.stałe) woda (ciecz) para (gaz)) i zaobserwowanie różnic między ilością energii potrzebną do zainicjowania tychże przemian. Doświadczenie to dało nam wgląd w zasadę działania kalorymetru i pozwoliło na, oczywiście nie pozbawione błędów pomiarowych, określenie ciepła topnienia i parowania. Porównując z wartościami tablicowymi otrzymaliśmy najpierw wartości zaniżone, a następnie nieco zawyżone. Może się to wiązać z następującymi faktami:

- zbyt długie podgrzewanie wody

- powolne wykonanie ćwiczenia, a co za tym idzie utrata ciepła przez wodę na skutek jego

wymiany z otoczeniem.

- fakt, że grzałka wcale nie miała idealnej, 100% sprawności, przez co jej moc nie mogła być

dokładnie równa
.

- niepożądana wymiana cieplna między nagrzanym kalorymetrem, a otoczeniem.

itp.

,gdzie: - c_t - ciepło topnienia

-
- ilość dostarczonej energii pod wpływem której

określona masa substancji stopnieje

- m - masa

,gdzie: - c_p - ciepło parowania

-
- ilość dostarczonej energii pod wpływem której

określona masa substancji wyparuje

- m - masa

SPRAWOZDANIE

---