WYZNACZANIE ZALEZNOSCI CIEPLA WLASCIWEGO CIAL STALYCH OD TEMPERATURY 2


Arkadiusz Szachniewicz wydzial: Elektronika

CWICZENIE 12

WYZNACZANIE ZALEZNOSCI CIEPLA WLASCIWEGO CIAL STALYCH OD TEMPERATURY

Cieplo wlasciwe jakiegos ciala to wielkosc okreslajaca zdolnosc ocieplania sie danego ciala w stosunku do ilosci dostarczonej energii. Inaczej mozna powiedziec, ze jest to ilosc ciepla (ogolnie energii) jaka nalezy dostarczyc, aby zwiekszyc temperature jednego kilograma tego ciala o jeden kelwin (jeden stopien Celsjusza).

Cieplo wlasciwe dla roznych substancji okreslane jest w [ J / kg K] i mozna znalezc je w specjalnych tablicach.

Do praktycznego mierzenia ciepla wlasciwego cial mozna wykorzystac zjawisko stygniecia ciala wskutek wymiany ciepla z otoczeniem. Probka ogrzana do temperatury wyzszej od temperatury otoczenia oddaje cieplo do otoczennia z szybkoscia :

0x01 graphic
(gdzie m-masa probki, c-cieplo wlasciwe probki, T-temperatura probki, t-czas, dQ-ilosc ciepla straconego przez probke w czasie dt)

Szybkosc stygniecia probki r = dT / dt jest tym wieksza im mniejsza (w stosunku do temperatury probki) jest temperatura otoczenia. Aby temperatura probki nie obnizala sie, straty ciepla zwiazane z oddawaniem go do otoczenia musza byc kompensowane przez grzejnik unieszczony w probce. Grzejnik musi podawac cieplo do probki z predkoscia rowna szybkosci tracenia go (probka musi miec stala temperature). Najprosciej zrealizowac to przez zastosowanie grzejnika elektrycznego.

Stan stacjonarny (taki w ktorym cieplo probki jest stale) zostaje osiagniety w takiej temperaturze Ts gdzie cieplo oddawane z probki jest rowne cieplu dostarczonemu probce przez grzejnik (ktore jest rowne (pod warunkiem pominiecia strat mocy na doprowadzeniach) mocy pradu elektrycznego dostarczonego do grzejnika).

Aby wyznaczyc cieplo wlasciwe probki w temperaturze Ts nalezy zmierzyc :

1.Moc pradu elektrycznego P, przy ktorej stan stacjonarny osiagany jest w temperaturze Ts.

2.Szybkosc stygniecia probki r(Ts) = dT / dt w temperaturze Ts przy wlaczonym grzejniku.

Wtedy :

0x01 graphic
.

Pomiar temperatury probki grafitowej bedzie realizowany w oparciu o termopare czyli czujnik temperatury zbudowany z dwoch roznych metali polaczonych razem (w naszym cwiczeniu zelazo - konstantan). Wazna cecha termopary jest to, ze wytwarza ona SEM proporcjonalna do roznicy temperatur miedzy przeciwnymi koncami przewodow, a zlaczem. W naszym cwiczeniu zlacze bedzie znajdowalo sie w kompieli z topniejacym lodem, a wiec w 0 stopniach Celsjusza. Do termopary bedzie doprowadzone cieplo z probki za pomoca drutu stalowego o malym oporze cieplnym. Za pomoca miliwoltomierza bedziemy mierzyli SEM wytworzome przez termopare i proporcjonalne do temperatury probki. Zaleta termopary jest mala bezwladnosc cieplna.

Pomiary praktyczne wykazuja, ze wraz ze wzrostem temperatury cieplo molowe danego materialu rosnie az osiagnie (dla wysokich temperatur) wartosc 25 [ J / mol K]. Ta wartosc okreslana jest jako wartosc Dulonga i Petita. Wynika to z tego, ze ciala stale wystepuja w postaci monokrysztalow badz polikrysztalow i w zwiazku z tym ich atomy drgaja wokol polozenia rownowagi, ktore odpowiadaja wezlom sieci krystalicznej. Po przyjeciu, ze sa to drgania harmoniczne (opierajac sie o fizyke klasyczna) mozna przyjac, ze udzial sieci krystalicznej w cieple molowym przy stalej objetosci wynosi:

0x01 graphic
(gdzie dUm / dT - zmiana energii wewnetrznej w stosynku do zmiany temperatury, R - stala). (3R poniewaz drgania wystepuja w 3 wymiarach - x,y,z)

Przy zmniejszaniu temperatury, Cv szybko maleje i w okolicach zera bezwzglednego dochodzi do zera.

Z punktu widzenia fizyki klasycznej zachowanie ciepla molowego w okilicach zera bezwzglednego jest niewytlumaczalne. Pelne wytlumaczenie tego zjawiska daje potraktowanie sieci zlozonej z atomow jako drgajacej sieci w ktorej wystepuja stojace fale o czestosciach n az do czestosci ng, zaleznej od budowy krystalicznej danej substancji. Kwanty energii hn (gdzie h - stala Plancka) nazywane sa fononami. Przeanalizowanie tych faktow przez Debye'a dalo w efekcie taki wykres:

0x01 graphic

W wyzszych temperaturach cieplo Deby'a osiaga wartosc Dulonga i Petita (25 J / mol K).

PRZEBIEG POMIAROW :

1. Polaczyc obwod zasilania grzejnika i obwod termopary mierzacej temperature probki.

2. Wlaczyc zasilanie grzejnika i dobrac zadana wartosc mocy P.

3. Zmierzyc zaleznosc temperatury probki od czasu grzania, az do momentu uzyskania stanu stacjonarnego tzn. ustalenia sie temperatury. Wyznaczyc temperature Ts odpowiadajaca stanowi stacjonarnemu przy danej wartosci mocy doprowazonej.

4. Zmienic wartosc mocy doprowadzonej do grzejnika. Wyznaczyc temperature jaka sie przy tej mocy ustali. Czynnosc te mozna powtorzyc dla innych wartosci mocy P.

5. Zwiekszyc moc zasilania grzejnika i odczekac, az temperatura grzejnika wzrosnie o kilkanascie kelwinow powyzej najwiekszej uzyskanej poprzednio wartosci Ts.

6. Wylaczyc grzalke. Zmierzyc zaleznosc temperatury probki od czasy podczas jej stygniecia do temperatury o kilkanascie kelwinow nizszej od najnizszaj zmierzonej wartosci Ts.

Pomiar predkosci stygniecia probki grafitowej :

t [min]

0

1

t [s]

0

15

30

45

60

75

90

105

U[mV]

14.620

14.564

14.448

14.329

14.195

14.053

13.902

13.751

T [K]

463

t [min]

2

3

t [s]

120

135

150

165

180

195

210

225

U[mV]

13.603

13.496

13.277

13.117

12.956

12.788

12.647

12.489

T [K]

t [min]

4

5

t [s]

240

255

270

285

300

315

330

345

U[mV]

12.3344

12.180

12.027

11.876

11.728

11.580

11.434

11.290

T [K]

t [min]

6

7

t [s]

360

375

390

405

420

435

450

465

U[mV]

11.146

11.008

10.869

10.734

10.599

10.472

10.337

10.206

T [K]

475

460

t [min]

8

9

t [s]

480

495

510

525

540

555

570

585

U[mV]

10.086

9.959

9.835

9.691

9.597

9.460

9.363

9.241

T [K]

454

441

t [min]

10

11

t [s]

600

615

630

645

660

675

690

705

U[mV]

9.127

9.016

8.912

8.804

8.695

8.590

8.487

8.384

T [K]

430

t [min]

12

13

t [s]

720

735

750

765

780

795

810

825

U[mV]

8.283

8.182

8.083

7.987

7.898

7.794

7.697

7.620

T [K]

420

415

t [min]

14

15

t [s]

840

855

870

885

900

915

930

945

U[mV]

7.530

7.436

7.354

7.267

7.182

7.098

7.016

6.934

T [K]

405

t [min]

16

17

t [s]

960

975

990

1005

1020

1035

1050

1065

U[mV]

6.852

6.774

6.693

6.617

6.543

6.466

6.396

6.298

T [K]

392

t [min]

18

19

t [s]

1080

1095

1110

1125

1140

1155

1210

1225

U[mV]

6.250

6.180

6.109

6.042

5.972

5.905

5.839

5.772

T [K]

380

t [min]

20

21

t [s]

1200

1215

1230

1245

1260

1275

1290

1305

U[mV]

5.706

5.645

5.585

5.522

5.460

5.399

5.340

5.278

T [K]

370

Tabela pomiarowa do wyznaczenia stanu rownowagi termodynamicznej :

POMIAR

U [V]

I [A]

U [mV]

T [K]

1

10.5

2.5

6.805

399

2

14.0

3.0

9.282

443

3

16.5

3.3

11.125

477

Moc P=U*I [W]

0x01 graphic
[ J / kg K ]

POMIAR

P [W]

m [kg]

r (Ts) [K/s]

c(Ts) [J/kg K]

c(Ts)[J/mol K]

1

26.25

0.277

0.098765

960

11.514

2

42.00

0.277

0.132231

1147

13.760

3

54.45

0.277

0.169014

1163

13.956

Aby policzyc cieplo wlasciwa w [ J / mol K ] nalezy c [ J / kg K ] pomnozyc przez 0.012 (dla grafitu). Poniewaz 1 mol wegla wazy 12 g = 0.012 kg .

Blad bazwzgledny ciepla wlasciwego (po uwzglednieniu sposobu mierzenia tg a):

0x01 graphic

Przyjalem :

delta U = 2%*30 = 0.6 V (klasa woltomierza 2)

delta I = 3%* 7.5 = 0.225 A (klasa amperomierza 3)

delta t = (pol milimetra na skali wykresu) = 2.5 s

delta m = 0.001 kg

delta T = (pol milimetra na skali wykresu) = 1 K

dla pomiaru :

1. delta c = 174 [ J / kg K]

2. delta c = 158 [ J / kg K]

3. delta c = 153 [ J / kg K]

WNIOSKI :

Po wykonaniu pomiarow i zrobieniu obliczen otrzymalem, ze cieplo molowe probki grafitowej wynosi 11.514, 13.760 i 13.956 [ J / mol K]. Takie wyniki niestety odbiegaja od stalej Dulonga Petita. Sadze, ze przyczyna takiego stanu rzeczy jest to, iz pomiary przez nas wykonane zrobione byly dla zbyt malej temperatury probki. Bezposrednia tego przyczyna bylo bardzo wolne ogrzewanie sie probki (do duzego ogrzania nalezalo poczekac ponad pol godziny, co przy kilkakrotnych pomiarach bardzo dlugo trwalo).

Przy obliczaniu bledu bezwzglednego ciepla wlasciwego bralem pod uwage blad zwiazany z obliczeniem tangensa kata nachylenia wykresu predkosci stygniecia probki (zmierzenie zmiany temperatury i zmiany czasu) przyjalem tu dokladnosc 1 mm oczywiscie w odpowiedniej skali. Oprocz tego uwzglednilem blad masy probki i blad przy pomiarze napiecia i pradu (w tych przypadkach wykorzystalem klasy przyrzadow pomiarowych kl 3 amperomierza i kl 2 woltomierza. Znajac zakresy tych miernikow policzylem D=zakres*klasa). Mysle, ze bledy jakie wystapily mogly jeszcze wynikac przede wszystkim z niedokladnego narysowania prostych stycznych do wykresu T(t) w danych punktach, a takrze z niedokladnego wyznaczenia punktow rownowagi termodynamicznej (zwiazane to bylo z duza bezwladnoscia temperaturowa grzejnika wraz z probka - trudnosc polegala na takim dobraniu napiecia zasilajacego grzejnik, aby temperatura probki byla stala). Dodatkowo bledy mogly byc spowodowane stratami ciepla. Straty na drucie doprowadzajacym cieplo do termopary, straty ciepla zwiazane z niedokladnym odizolowaniem probki od zrodel ciepla (innych niz grzejnik). Nie uwzglednilem takze tego, ze jeden koncow termopary nie koniecznie musial posiadac temperature 0 stopni Celsjusza. Bledy jakie otrzymalem byly duze ale mysle, ze w zwiazku z wymienionymi przyczynami mogly takie wystapic.

W warunkach naszego laboratorium nie moglismy praktycznie zaobserwiwac zmalenia Cv do zera bo nie moglismy otrzymac temperatury bliskiej 0 K.



Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
,Laboratorium podstaw fizyki, WYZNACZANIE ZALEZNOSCI CIEPLA WLASCIWEGO CIAL STALYCH OD TEMPERATURYx
,laboratorium podstaw fizyki,WYZNACZANIE ZALEZNOSCI CIEPLA WLASCIWEGO CIAL STALYCH OD TEMPERATURY
Wyznaczanie zależności ciepła właściwego ciał stałych od temperatury
wyznaczanie Ciepła właściwego ciał stałych - 1
Wyznaczanie ciepła właściwego ciał stałych, Automatyka i Robotyka Rok I
Wyznaczanie ciepła właściwego ciał stałych, Automatyka i Robotyka Rok I
wyznaczanie ciepła właściego ciał stałych, Transport i Logistyka (AM) 1 (semestr I), Fizyka, fiza la
SPR26, Studia, Pracownie, I pracownia, 26 Wyznaczanie ciepła właściwego ciał stałych metodą kaloryme
Wyznaczenie ciepła własciwego, Studia, Pracownie, I pracownia, 26 Wyznaczanie ciepła właściwego ciał
INSTRUKCJE, cw26, WYZNACZANIE CIEPŁA WŁAŚCIWEGO CIAŁ STAŁYCH
26 Wyznaczanie ciepła właściwego ciał stałych metodą kalorymetryczną G Szcześniak
Wyznaczanie ciepla wlasciwego cial stalych metoda kalorymetryczna
WYZNACZANIE CIEPŁA WŁAŚCIWEGO CIAŁ STAŁYCH 2
WYZNACZANIE CIEPŁA WŁAŚCIWEGO CIAŁ STAŁYCH
Laboratorium Podstaw Fizyki spr( Wyznaczanie ciepła właściwego ciał stałych metodą kalorymetryczną

więcej podobnych podstron