background image

Ciepło topnienia ciała stałego 

 

- 1 -

 

WYZNACZANIE  CIEPŁA  TOPNIENIA  CIAŁ STAŁYCH 

 

Cele ćwiczenia:

 

1. Wykorzystanie bilansu cieplnego do wyznaczania ciepła topnienia. 

2. Szacowanie niepewności pomiarowej i ustalenie najbardziej 

prawdopodobnej przyczyny odstępstwa uzyskanej wartości ciepła 

topnienia od wartości tablicowej.

 

 

Spis przyrządów: 

Kalorymetr, waga techniczna, odważniki, termometr. 

 

 Zagadnienia: 

1.  Przemiany fazowe, wykres fazowy, krzywa ogrzewania substancji 

krystalicznej. 

2.  Definicja energii wewnętrznej, temperatury, ciepła, ciepła właściwego, 

pojemności cieplnej, ciepła topnienia i ich jednostki.  

3.  I zasada termodynamiki. 

4.  Sposób wyznaczania ciepła topnienia lodu przy użyciu kalorymetru. 

Układanie bilansu cieplnego. 

 Literatura: 

1.   T. Dryński, Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki, PWN, Warszawa, 1978  

2.  Halliday D.,  Resnick. R,  Walker.J, Podstawy fizyki, Wydawnictwo 

Naukowe PWN, Warszawa 2003. 

3.  M. Skorko, Fizyka, PWN, Warszawa, 1973.   

4.  S. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna, cz. 2, PWN, Warszawa, 1980. 

5.  H. Szydłowski, Pracownia fizyczna, PWN, Warszawa, 1994.  

6.  Praca zbiorowa pod redakcją Cz. Kajtocha, I Pracownia Fizyczna 

Wydawnictwo Naukowe AP, Kraków 2007 

background image

Ciepło topnienia ciała stałego 

 

- 2 -

 

 

 

WYZNACZANIE  CIEPŁA  TOPNIENIA  LODU. 

 

Tok postępowania: 

 

1.  Potłuc lód na kilka większych kawałków i włożyć do zlewki z wodą. 

2.  Włączyć garnek elektryczny i podgrzać wodę do temperatury około 70

o

C. 

3.  Zważyć  puste,  suche  wewnętrzne  naczynie  kalorymetryczne  wraz 

z mieszadłem  - m

k

 . 

4.  Wlać do naczynia kalorymetrycznego wewnętrznego ok. 1/2 jego objętości 

wodę  o  temperaturze  ok.  70

o

C, całość  ponownie  zważyć  i  zanotować 

w tabeli jako  m

1

.   

5.  Naczynie  kalorymetryczne  z  wodą  i  mieszadłem  wstawić  do  kalorymetru 

(naczynia  zewnętrznego),  przykryć  tekturową  pokrywą,  zanurzyć 

termometr i  odczytać temperaturę początkową - t

p

.  

6.  Wyjąć jeden kawałek lodu ze zlewki i osuszyć go w szmatce.  

7.  Włożyć szybko osuszony lód (trzymając przez szmatkę) do wewnętrznego 

naczynia  kalorymetru,  zamknąć  i  przykryć.  Obserwować  spadek 

temperatury,  pamiętając  o  mieszaniu.  Gdy  temperatura  przestanie  się 

zmieniać  (kilka  powtarzających  się  wyników  odczytu  temperatury 

świadczy  o zakończeniu  procesu  wymiany  ciepła  w  kalorymetrze), 

odczytać i zanotować temperaturę końcową  t

k

. Odkryć kalorymetr  

i  delikatnie  otworzyć  naczynie  kalorymetryczne,  sprawdzając  czy  lód 

stopniał w całości. 

8.  Wyjąć  naczynie  kalorymetryczne  i  zważyć  je  ponownie  (wraz 

z mieszadłem), zanotować w tabeli jako  m

2

. Obliczyć  masę lodu  m

L

 . 

background image

Ciepło topnienia ciała stałego 

 

- 3 -

 

9.  Obliczyć ciepło topnienia lodu  L  ze wzoru  

L

t

k

wody

wl

L

k

p

Al

wl

k

wody

wl

w

m

)

t

t

(

c

m

)

t

t

)(

c

m

c

m

(

L

 

gdzie: 

t

t 

 - temperatura topnienia lodu ( 0

C); 

c

wł Al

 = 896 

K

kg

J

  - ciepło właściwe naczynia kalorymetrycznego, 

wykonanego z aluminium; 

c

wł wody

 = 4185 

K

kg

J

 - ciepło właściwe wody.

 

10. Obliczyć niepewność pomiarową i odchylenie od wartości tablicowej. 

11. Powtórzyć wszystkie pomiary 2

3 razy dla innych wartości m

L

 

Tabela pomiarowa  

Lp.  m

k

  m

1

  m

w

  m

2

  m

L

 

m  t

p

 

t

k

 

t  

L  L/L

tab

 

c

w

 

c

k

 

[kg

[

C

kg

J

 

[-] 

K

kg

J

 

1.   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

Ciepło topnienia ciała stałego 

 

- 4 -

 

 

W  ćwiczeniu  "Wyznaczanie  ciepła  topnienia  lodu"  w  wymianie  ciepła  biorą 

udział : 

1.  Kalorymetr o masie m

k

 [kg] i cieple właściwym C

włAl

 

K

kg

J

2.  Woda, nalana do kalorymetru, o masie m

w

 [kg] i cieple właściwym  

  C

wł wody

 

K

kg

J

3.  Topniejący lód o masie m

L

 i cieple topnienia L

4. Woda, która powstała z topniejącego lodu. 

 

Bilans cieplny 

Ciepło oddane: 

1. przez kalorymetr: 

         Q

1

 = m

k

c

włAl

(

t

1

)   

 

 

 

 

t

1

=(t

p

 

 t

k

)   

(1) 

2. przez podgrzaną wodę nalaną do kalorymetru: 

Q

2

 = m

w

c

wł wody

(

t

1

)  

 

 

 

 

 

 

 

(2) 

 

Ciepło pobrane: 

3. przez topniejący lód 

Q

3

 = m

L

L   

 

 

 

 

 

 

 

 

(3) 

4. przez wodę, która powstała z topniejącego lodu 

Q

4

 = m

L

c

wł wody

(

t

2

) 

 

 

 

 

t

2

=(t

 - t

 p

)  

(4) 

                gdzie: 

t

p

 = t

t

o

C

    

 

Bilans cieplny 

Q

1

 + Q

2

 = Q

3

 + Q

4

 

Q

3

 = Q

1

 + Q

2

 

 Q

4

 

m

L

L = Q

1

 + Q

2

 

 Q

background image

Ciepło topnienia ciała stałego 

 

- 5 -

 

L

4

2

1

m

Q

Q

Q

L

 

 

L

t

k

wody

wl

L

k

p

Al

wl

k

wody

wl

w

m

)

t

t

(

c

m

)

t

t

)(

c

m

c

m

(

L

 

 

Uwaga: 

Ponieważ w bilansie występuje różnica temperatur 

t, możemy nie przeliczać 

jednostek, pozostawiając temperaturę w stopniach Celsjusza,  w obliczeniach 

nie będzie to miało wpływu na wartość 

t.   

  T[K] = t[

C] + 273,15  

 

 

Wstęp teoretyczny 

Ciepło - jest wielkością charakteryzującą przepływ energii wywołany różnicą temperatur. 

Wzrost  temperatury  od   początkowej  (t

p

)  do

  

końcowej  (t

k

)  wymaga  dostarczenia  układowi  ciał 

jednorodnych ciepła  (Q)   proporcjonalnego do iloczynu masy  i różnicy   tych temperatur:   

)

t

t

(

cm

Q

p

k

 

Współczynnik proporcjonalności  c, zależy od rodzaju substancji i od warunków wymiany ciepła (stałego 

ciśnienia  (p  =  const),   czy  stałej  objętości  (V=const)  i  nazywamy  go  ciepłem  właściwym   czyli  ilością 

ciepła konieczną do ogrzania jednostki masy -1kg substancji o 1K. Przy dokładnych pomiarach okazuje 

się,  że  c  jest funkcją temperatury i  dla niezbyt dużych różnic t

p

 i t

k  

można założyć  zależność liniową

 

Wielkość  c· m,   nazywamy  pojemnością cieplną  ciała. Pojemność cieplna  jest to ciepło konieczne do 

ogrzania masy  o 1K. Ciepło mierzymy w tych samych jednostkach co pracę i energię  czyli w dżulach 

J

]

Q

[

zaś ciepło właściwe  ma wymiar: 

kgK

J

]

T

][

m

[

]

Q

[

]

c

[

.  

Ilość ciepła pobrana przy zmianie temperatur od t

do t

k

 równa jest ilości ciepła oddanego dla zmiany od 

t

k

 do t

p

 przy przejściu przez te same stany pośrednie. 

Ciepło  topnienia   -  to  z  kolei  ilość  ciepła  konieczna  do  stopienia  1kg  substancji  w  stałej 

temperaturze:

m

Q

L

, gdzie jednostka 

kg

J

]

L

[

background image

Ciepło topnienia ciała stałego 

 

- 6 -

 

Przyrządem  służącym  do  takich  pomiarów  jest  kalorymetr,  składający  się  z  dwóch  koncentrycznie 

osadzonych  naczyń  metalowych,  między  którymi  znajduje  się,  źle  przewodząca  ciepło,  warstwa 

powietrza. Naczynie wewnętrzne oddzielone jest podpórkami wykonanymi  z materiałów izolujących a 

całość  zakryta   pokrywą  z  materiału  nieprzewodzącego  ciepło.  Straty  ciepła,  związane  są  głównie  z 

wymianą przez promieniowanie  podczerwone. 

Zasada  pomiarów  kalorymetrycznych  polega  na  ustaleniu  bilansu  ciepła,   czyli  porównania  ciepła 

traconego przez ciała cieplejsze i zyskane przez chłodniejsze. 

W przypadku pomiaru ciepła topnienia lodu mierzymy spadek temperatury w kalorymetrze od t

p

 do t

k

 

związany ze stopieniem  w wodzie lodu i następnie jej podgrzaniem od temperatury topnienia. 

Bilans  ciepła w kalorymetrze.   

Lód topiąc się  pobiera ciepło  

L

1

Lm

Q

nie zmieniając przy tym swej temperatury, natomiast woda 

powstała po stopieniu ogrzewa się  od zera  0

0

C  do  t

k

, zatem pobiera ciepło: 

)

C

0

t

(

m

C

Q

k

L

W

2

Ciepło traci natomiast kalorymetr 

)

t

t

(

m

c

Q

k

p

k

k

3

i  woda: 

k

p

w

w

4

t

t

m

c

Q

Zgodnie z równaniem bilansu otrzymujemy: 

4

3

2

1

Q

Q

Q

Q

czyli: 

k

p

w

w

k

p

k

k

k

L

W

L

t

t

m

c

t

t

m

c

C

0

t

m

c

Lm

 

a zatem : 

L

k

L

w

k

p

w

w

k

p

k

k

m

C

0

t

m

c

t

t

m

c

t

t

m

c

L

Ciepła  właściwe  wody   (c

w

)   i  materiału  (c

k

),   z   którego  wykonany  jest  kalorymetr  (zwykle  glin)  

przyjmujemy jako znane -  z tablic. 

Z powyższego wzoru wynika, że  należy wyznaczyć:  m

k

, m

w

 ( przed i po stopieniu lodu), obliczyć m

i   

wyznaczyć właściwie temperatury:  t

p

 oraz  t

k.

 

Q

1

 - ciepło potrzebne do stopienia lodu 

Q

2

 - ciepło potrzebne do ogrzania wody powstałej z lodu 

Q

3

 - ciepło tracone przez kalorymetr 

Q

4

 - ciepło tracone przez wodę