background image

Ćwiczenie 25  

 
 

WYZNACZANIE  CIEPŁA  TOPNIENIA  LODU  

 
 

Cel ćwiczenia: zapoznanie  ćwiczących z techniką pomiarów kaloryme-

trycznych oraz oceną ich dokładności. 

Zagadnienia: przemiany fazowe, ciepło topnienia, bilans cieplny, kalory-

metr. 

 

25.1.   Wiadomości  wstępne  

 o  pomiarach kalorymetrycznych 

 

Omówiono w ćwiczeniu 24 w punkcie 24.1. 
 

25.2.   Ciepło  topnienia,  przemiany  fazowe 

 

Ciepłem topnienia danej substancji nazywamy ilość ciepła potrzebną do 

zamiany 1 kg tej substancji w postaci ciała stałego o temperaturze topnienia 
w ciecz o tej samej temperaturze. Ilość ciepła  Q potrzebna do stopienia 
masy m ciała o temperaturze topnienia wyraża się wzorem 

Q c m

t

=

 , 

(24.1) 

gdzie współczynnik proporcjonalności 

 oznacza zdefiniowane powyżej 

ciepło topnienia. Przejścia pomiędzy stanem stałym i ciekłym (topnienie), 
ciekłym i gazowym (parowanie, wrzenie), stałym i gazowym (sublimacja
zaliczamy do przemian fazowych I rodzaju.  

c

t

Gdy podgrzewamy ciało stałe, to zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki 
– doprowadzone do niego ciepło zostaje zużyte na przyrost energii 

 

 

1

background image

wewnętrznej (oraz na wykonanie pracy przeciwko siłom zewnętrznym, 
np. 

pracy podnoszenia tłoka przez rozszerzający się, ogrzewany 

izobarycznie gaz). Energia wewnętrzna ciała stałego składa się z energii 
kinetycznej drgań cieplnych cząsteczek znajdujących się w węzłach sieci 
krystalicznej oraz energii potencjalnej sił ich wzajemnego oddziaływania. 
Ogrzewanie powoduje zwiększanie się odległości 

średnich 

międzywęzłowych w sieci (rozszerzalność cieplna) oraz wzrost energii 
ruchów cieplnych (wzrost temperatury). Dalsze ogrzewanie powoduje, po 
osiągnięciu pewnej chrakterystycznej temperatury (temperatury topnienia), 
przejście z fazy stałej w ciekłą lub – przy innej temperaturze – gazową. 

Zwiększanie energii wewnętrznej, jakie następuje w czasie topnienia 

(dopływ ciepła trwa!), polega wyłącznie na zwiększaniu energii 
potencjalnej sił wzajemnego oddziaływania cząsteczek, co prowadzi do 
spadku wartości tych sił i przez to zaniku ich uporządkowania w sieć 
krystaliczną. Zwiększenie energii kinetycznej cząsteczek zatem nie 
następuje, co tłumaczy fakt, że proces topnienia ciała stałego zachodzi w 
stałej temperaturze. 
 Temperatura 

topnienia 

T zależy od ciśnienia, przy jakim ten proces 

następuje. Zależność tę opisuje równanie Clausiusa–Clapeyrona, odnoszące 
się do wszystkich przemian fazowych I rodzaju i przedstawiającego 
przyrost temperatury przemiany 

T pod wpływem przyrostu ciśnienia o 

T

T

v

v

q

p

p

0

2

1

=

 , 

gdzie: 

 – temperatura przemiany (w kelwinach) pod ciśnieniem normal-

nym, 

– ciepło przemiany, np. ciepło topnienia 

c

 – objętość 

właściwa (tj. objętości jednostki masy, 

v V

T

p

0

t

v v

1

2

,

m

= / ) przed i po przemianie, 

a więc w przypadku topnienia: 

v

 – objętość jednego kilograma ciała 

stałego,   – objętość jednego kilograma cieczy 

1

v

2

background image

 Względny przyrost temperatury przemiany 

T T

p

/

0

 jest, jak z tego 

widać, wprost proporcjonalny do przyrostu ciśnienia. Widać też,  że gdy 

, dla 

v

v

2

<

1

> 0   jest  ∆< 0, tzn. że gdy objętość jednostki masy w 

wyniku np. topnienia maleje, to temperatura topnienia przy zwiększonym 
ciśnieniu jest niższa. Taki przypadek zachodzi m.in. dla lodu i wody.

 kra 

lodowa, (i dla wszystkich ciał, które w temperaturze topnienia, czyli 
temperaturze równowagi fazy stałej i ciekłej, pływają na swoich cieczach). 
Np. pod-wyższenie ciśnienia o 100 atmosfer obniża temperaturę topnienia 
o 0,74 

° C. Należy jeszcze dodać,  że zarówno ciepło przemiany q  jak 

i przyrost objętości właściwej 

v v

v

=

2

1

 same są funkcjami ciśnienia. 

 

25.3.   Zasada  pomiaru 

 
 W 

ćwiczeniu należy wyznaczyć ciepło topnienia lodu. Wyznaczamy je 

z prawa bilansu cieplnego dla procesu stopienia pewnej masy lodu 
w kalorymetrze. Ciepła 

 potrzebnego do stopienia lodu oraz ciepła 

 

potrzebnego do ogrzania powstałej z niego wody do temperatury końcowej 
w kalorymetrze  dostarczają: woda zawarta w naczyniu kalorymetrycznym 
(

), samo naczynie wraz z mieszadłem (

Q

1

Q

2

Q

3

Q

4

) oraz termometr (w czasie 

trwania doświadczenia zanurzona jego część) (

Q

5

). Według równania 

bilansu (24.1) mamy zatem 

Q

Q

Q

Q

Q

1

2

3

4

+

=

+

5

+

 . 

(25.2) 

Uwagi:  
1. W równaniu bilansu cieplnego (25.2) nie uwzględniono po lewej stronie 

członu wyrażającego ciepło potrzebne do ogrzania lodu od aktualnej 
temperatury ujemnej do temperatury topnienia 

t

.  Lód przechowywany 

jest przed ćwiczeniem w temperaturze bliskiej 0 

°C, a podczas 

rozdrabniania w metalowym naczyniu i osuszania w otoczeniu 
o temperaturze dodatniej przyjmuje temperaturę topnienia. 

t

 

 

3

background image

2. W  związku z członem 

Q

5

3

 należy przeczytać to, co na temat 

analogicznego członu (

) oraz współczynnika  R napisano w p. 24.2 

w ćwiczeniu 24 Wyznaczanie ciepła właściwego ciał stałych metodą 
kalorymetryczną. 

Q

Poszczególne człony 

Q  w (25.2) wyrażają się według (24.2), (24.4, 

) oraz (25.1) następująco: 

Q

3

Q

c m

t

l

1

=  

 , 

(

)

Q

c m t

t

w

l

k

t

2

=

   

 , 

(

)

Q

c m

t

t

w

w

k

p

3

=

 

 

 , 

(

)

Q

c m t

t

k

k

p

k

4

=

 

 

 , 

(

)

Q

R V t

t

p

k

5

=

   

 . 

Symbole w powyższych wzorach oznaczają odpowiednio: 
 

 

 

– ciepło topniena lodu, 

c

l

 

,     

– ciepło właściwe wody i naczynia kalorymetry- 

c

w

c

t

   

 

   cznego, 

 

m

l

m

w

m

k

 

– masy: lodu, wody (przed dodaniem lodu) 

   

 

   i kalorymetru (razem z mieszadłem), 

 

t

p

t

k

   

– temperatury: początkową (przed wrzuceniem lodu) 

   

 

   i końcową wody w kalorymetrze, 

 

 

°

C  

– temperaturę topnienia lodu pod normalnym 

t

t

= 0

   

 

   ciśnieniem atmosferycznym, 

 R 

 

– współczynnik cieplny termometru, 

  V

  

 

–  bjętość zanurzonej części termometru. 

Po podstawieniu powyższych wzorów do (25.2) otrzymuje się wzór na 
ciepło topnienia lodu   

c

t

c

m

c m

RV t

t

c m t

t

m

t

w

k k

p

k

w l

k

t

l

=

+

+

(c

 

w

)(

)

(

)

 . 

(25.3)

background image

25.3.   Zadania  do  wykonania 

 
A) Pomiary 
1 Zważyć puste, suche naczynie kalorymetryczne wraz z mieszadłem 

(Uwaga: Zdjąć z mieszadła izolujący uchwyt). Wartość 

m

k

 wyrazić 

w kilogramach i zanotować w tabeli pomiarów. 

2. Wlać do naczynia, do ok. 2/3 jego objętości, wody destylowanej 

o temperaturze  ok.  5

÷

10 

°C wyższej od temperatury otoczenia (w razie 

potrzeby uprzednio ją podgrzać) i całość ponownie zważyć. Obliczyć 
masę wody 

 w kilogramach i zanotować ją w tabeli pomiarów. 

m

w

3. 

Naczynie kalorymetryczne z wodą i mieszadłami wstawić do 

kalorymetru, zanurzyć termometr, przykryć pokrywą N (p. rys. 24.2) 
i przez ok 5 min. odczytywać co minutę temperaturę. Wpisywać  ją do 
odrębnej tabeli pomiarów temperatury. 

4. Potłuc drobno niewielką ilość  lodu  (ok. 1/4 objętości naczynia kalory-

metrycznego) i osuszyć na bibule. 

5. Odkryć kalorymetr, wsypać lód, zamknąć go z powrotem i mieszając 

wodę odczytywać temperaturę co co 5

÷

10 s. Gdy zmiany temperatury 

staną się ponownie niewielkie, odczytywać  ją jeszcze przez 5 min. 
w odstępach minutowych. Wszystkie wartości zapisywać w tabeli pomia-
rów temperatury. 

6. Otworzyć kalorymetr, zaobserwować  głębokość zanurzenia termometru 

i przy pomocy małej, napełnionej wodą menzurki zmierzyć objętość jego 
zanurzenia. Kierować się przy tym wskazówkami podanymi 
w ćwiczeniu 24, w punkcie 24.3. 

7. Wyjąć naczynie kalorymetryczne i zważyć je ponownie (wraz 

z mieszadłem lecz bez jego uchwytu oraz bez termometru). Obliczyć 
w kilogramach masę lodu 

m

 i wpisać ją do tabeli pomiarów. 

l

8. Wyznaczyć metodą graficzną  (ćwiczenie 24,  p. 24.1)  temperaturę 

początkową   i końcową 

t

p

t

k

 wody w kalorymetrze. 

 

 

5

background image

9. Wpisać do tabeli odpowiednią wartość współczynnika R (wg wskazówek 

podanych w ćwiczeniu 24,  p. 24.2)  oraz  ciepła właściwego naczynia 
kalorymetrycznego (odczytać z tablic stałych fizycznych lub z instrukcji 
wykonawczej ćwiczenia). Jeżeli jest ono z mosiądzu, to 

c

k

= 384

 J/kg

10. Powtórzyć całe doświadczenie i wszystkie pomiary. 
B)  Opracowanie  wyników 
1. Sporządzić i załączyć do sprawozdania wykres temperatury w kalory-

metrze jako funkcji czasu w procesie wymiany ciepła. 

2. Obliczyć    wg (25.3). Przyjąć 

c

t

c

w

= 4185

 J/kg K.  

3. Obliczyć błąd bezwzględny oraz względny wyznaczenia ciepła topnienia 

lodu na podstawie pomiarów wykonanych w drugim doświadczeniu. 
Błąd bezwzględny 

 

obliczamy na podstawie wzoru (24.3) metodą 

różniczki zupełnej, zob. Część I skryptu, p. 2.6.2, str. 39-40 oraz str. 43,  

c

t

Uwaga!

 Do wyliczenia 

c

t

 niezbędne jest określenie błędów 

poszczególnych wielkości mierzonych oraz stałych fizycznych, t.j. 

c

w

m

w

c

k

, 

m

k

R

V

t

p

t

k

m

l

. W tym celu należy: 

a) Przyjąć 

m

k

= 0 01

,

 

 kg, jeżeli pomiary masy ciała oraz naczynia 

kalorymetrycznego były wykonywane na wadze laboratoryjnej oraz 
w instrukcji wykonawczej nie podano innej wartości. 

=

10

5

b) Przyjąć (przy założeniach j.w.) 

m

m

l

w

=

= 0 02

,

 g

= ⋅

2 10

5

 kg  – 

ponieważ pomiar masy wody (oraz wody i lodu) odbywa się przez 
dwukrotne ważenie, a powinniśmy założyć najniekorzystniejszy zbieg 
okoliczności, w którym popełnione błędy się dodają. 

c) Jako  błędy pomiarów temperatury przyjąć dokładność  użytego 

termometru, określone przez jego działkę elementarną, a więc np. 

t

t

p

k

=

= 0 2

,     K. 

d) Jako  błąd pomiaru objętości zanurzonej części termometru przyjąć 

działka elementarna skali menzurki – z tego samego powodu co 

wyżej, dwukrotny odczyt poziomu wody. 

= ×

2

background image

e) Dla  wielkości stałych przyjąć: 

c

k

= 1

 J/(kg

 K), 

= ⋅

8 10

4

 J/(

 K), 

oraz 

m

3

c

w

= 8

 J/(kg K). (Dlaczego nie można przyjąć 

c

w

= 0 1

,

J/(kg K) -  

przeczytać p. 2.e w opracowaniu wyników ćwiczenia 24). 

f) 

W sprawozdaniu przedstawić obliczoną wartość 

c

t

  jako sumę 

składników w tej samej kolejności, w jakiej występują one we wzorze 
otrzymanym z (25.3), oraz podać jej  wartość, 

c

S

t

a b c

= + + + =

...

g) Obliczyć 

c c

t

/

t

. Przestrzegając reguł zaokrąglania (zob. Część I 

skryptu, p. 2.4, str. 32–34) wpisać 

c

t

c

t

 oraz 

c c

t

/

t

 do tabeli 

pomiarów. 

c c

t

/

t

 wyrazić w procentach. 

 

 

7