20. Wyznaczenie ciepła właściwego cPL
i ciepła topnienia cL lodu H2O
1. Wprowadzenie
Krzepnięcie (topnienie), parowanie (skraplanie) są przykładami przemian fazowych I-go rodzaju, podczas których występuje skokowa zmiana objętości właściwej, ciepła właściwego i entalpii substancji.
2. Opis doświadczenia
1. Do dwóch termosów A i B nalewamy jednakową ilość (0,3 dcm3) wody o temperaturze t1A = t1B = ~60 °C
2. Do termosu A wrzucamy porcję lodu (~120 g) o temperaturze tAL = -20 °C, a do termosu B wrzucamy taką samą porcję lodu o temperaturze tBL=(-2÷ -5)°C uwaga!
przed wrzuceniem lodu do wody należy sprawdzić czy temperatura wody w obu termosach jest taka sama!
3. Termosy z wodą i lodem zamykamy i czekamy aż lód się stopi
4. Następnie mierzymy temperaturę t2A wody w termosie A oraz t2B w termosie B
3. Opracowanie wyników
Ciepło właściwe lodu i ciepło topnienia lodu wyznaczamy z układu równań:
([mc)SZ + mW ⋅cPW ]⋅(t A
1
− t2A )= mL ⋅cPL ⋅(0 − tAL )+ mL ⋅cL + mL ⋅cPW ⋅(t2A − 0)
(1)
([mc)SZ + mW ⋅cPW ]⋅(t B
1
− t2B )= mL ⋅cPL ⋅(0 − tBL )+ mL ⋅cL + mL ⋅cPW ⋅(t2B − 0)
W układzie równań (1) człony po lewej stronie znaku równości przedstawiają całkowity spadek entalpii wody. Pierwszy człon po prawej stronie znaku równości przedstawia ciepło właściwe potrzebne do „ogrzania” lodu od temperatury tAL (tBL) do 0 °C, drugi człon to ciepło potrzebne do stopienia lodu o masie mL, a ostatni człon jest ciepłem potrzebnym do podgrzania od temperatury 0 °C do temperatury t2A (t2B) wody powstałej ze stopienia lodu.
Zadania:
1. Korzystając z układu równań (1) oszacować błąd maksymalny wyznaczenia cPL i cL
lodu. Wskazówka wyprowadzić z układu równań wzory na cPL i cL
2. (mc)SZ wynosi:
3. Wyznaczone wartości cPL i cL porównać z wartościami tablicowymi 20-1
1. Czy pęcherzyki powietrza zawarte w lodzie mają istotny wpływ na uzyskany wynik?
Odpowiedź uzasadnij.
2. Czy podczas zamrażania porcji lodu temperatura powstającego lodu jest w każdym punkcie taka sama? Odpowiedź uzasadnij.
3. Podaj definicję ciepła topnienia lodu.
4. Narysuj i objaśnij wykres p-T przemian fazowych dla wody.
5. Co to jest punkt potrójny i punkt krytyczny? Jakie są parametry tych punktów dla wody?
6. Czy temperatura krzepnięcia i topnienia są sobie równe? Uzasadnij odpowiedź. Jakie związki zachodzą między temperaturą topnienia (krzepnięcia) a ciśnieniem?
7. Czy objętości właściwe lodu i cieczy są takie same – jakie mogą być przypadki szczególne? Czy ciepło właściwe cP cieczy i lodu w stanie równowagi są jednakowe?
Odpowiedź uzasadnij.
20-
2