Mateusz Franckowiak	Fizyka metali – laboratorium	25.03.2013
Rok 1 magisterski Odlewnictwo 1	Badanie ciepła właściwego metali i stopów	Ocena:
L 2

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodą wyznaczenia ciepła właściwego dla metali z zastosowaniem zasady bilansu cieplnego.

1. Wstęp teoretyczny

W termodynamice całkowitą energię układu nazywamy energią wewnętrzną U. Energia we­wnętrzna -jest sumą wszystkich udziałów energii, zarówno kinetycznej jak i potencjalnej, wszystkich atomów, jonów, cząsteczek tworzących układ.

Rys.1. a) Praca w ujęciu molekularnym (stanowi przepływ energii, który powoduje upo­rządkowany ruch atomów w otoczeniu), b) Ciepło (jest przepływem energii, który powoduje chaotyczny ruch atomów w otoczeniu lub jest nim spowodowany).

Doświadczalnie stwierdzono, że energię wewnętrzną układu można zmieniać przez: wykonanie na nim pracy, albo przez jego ogrzanie. Gdy dostarcza się energię do układu przez ogrzanie lub przez wykonanie na nim pracy, energia ta zostaje zmagazynowana w postaci dodatkowej energii kinetycznej i potencjalnej cząsteczek (np. w gazie poruszają się one szybciej). Podobnie, gdy układ traci energię - cząsteczki zmniejszają swoją energię kinetyczną lub potencjalną (np. w gazie poruszają się wolniej). W praktyce nie znamy i nie możemy zmierzyć wartości energii wewnętrznej (U), do której wchodzi też energia kinetyczna i potencjalna wszystkich elektronów i składników jąder atomowych. Jest to jednak bez znaczenia dla rozpatrywania jej zmian (ΔU) gdyż zmiany te możemy rejestrować jako energię dostarczoną lub utraconą przez układ na sposób pracy lub ciepła. Energię wewnętrzną, ciepło i pracę mierzymy w tych samych jednostkach, J (dżulach).

I zasada termodynamiki - zasada zachowania energii

Układ izolowany

Doświadczalnie wykazano, że jeżeli układ jest izolowany (oddzielony zarówno mechanicznie jak i termicznie od otoczenia), to układ taki nie może. ani wykonać pracy, ani przekazać ciepła. Czyli nie następuje zmiana jego energii wewnętrznej. Stąd:

U = const

dU = 0

Dowodem na tę właściwość układu izolowanego jest to. że nie udało się zbudować poruszającej się ciągle maszyny , która nie pobierałaby energii z zewnętrznego źródła, (czyli perpetuum mobile pierwszego rodzaju).

Układ zamknięty.

W układzie zamkniętym, zmiana energii układu jest równa energii, która przepływa przez jego granicę, na sposób ciepła (Q) i pracy (W). Czyli:

ΔU = Q + W

Stwierdzenie to stanowi treść 1 zasady termodynamiki dla układu zamkniętego, a powyższe równanie, jest jej matematycznym zapisem.

Pierwsza zasada termodynamiki zwana zasadą zachowania energii, ma fundamentalne znacze­nie dla chemii, gdyż większości Trakcji chemicznych towarzyszy wydzielanie lub pobranie energii. Prawo to uświadamia nam. ze w przyrodzie: dokonuje się jedynie przemiana jednej formy energii w inną. a nie można jej ani wytworzyć (z niczego) ani zniszczyć (bez śladu).

Pojemności cieplna jest to ilości energii cieplnej wymienionej z otoczenie o jeden kelwin [K]

$C = \frac{\Delta Q}{\Delta T}$ [J/K]

gdzie:

• - zmiana ciepła

• - zmiana temperatury

Ciepło właściwe jest to ilości ciepła potrzebna do zmiany temperatury 1 kilograma substancji o 1° C.

$C = \frac{Q}{m\Delta T}$ [J/kg*K]

gdzie:

• Q – dostarczone ciepło;

• m – masa ciała;

• ΔT – przyrost temperatury

1. Przebieg ćwiczenia

Do wyznaczenia bilansu cieplnego posłużono się kalorymetrem, którego chce mat ukazano na rysunku 2. Składa się z dwóch, różniących się wielkością naczyń (większy z tworzywa sztucznego, mniejszy z aluminium).

W górnej części naczynia większego (1), zwanego płaszczem kalorymetru, znajduje się pierścień dystansowy, na którym zamieszczono naczynie mniejsze (2) – właściwy kalorymetr. Kalorymetr ma pokrywę (3) z tworzywa sztucznego. Na środku tej pokrywy znajduje się otwór, w którym umieszczono termometr (4) za pomocą gumowego korka (5). Przez drugi mniejszy otwór w pokrywie jest przetknięty pręt mieszadła (6) z izolatorem cieplnym. Trzeci otwór standardowo zaślepiony korkiem (7) służy do wprowadzania substancji, której ma być określone ciepło właściwe.

Rys.2. Schemat stanowiska pomiarowego

W doświadczeniu wyznaczono ciepło właściwe dla żelaza armco. Przed wykonaniem pomiarów oczytano temperaturę pokojową, następnie zważono środkowe naczynie kalorymetru z mieszadłem oraz badany materiał. Następnie zważono kalorymetr wraz z zagotowaną wodą i wyznaczono masę wody. Odczekano, aż temperatura w wody ustabilizowała się i oczytano jej wartość. Kolejnym etapem było umieszczenie badanego metalu w układzie pomiarowym, odczekano 5 minut przy intensywnym wieszaniu, aż do ustabilizowania temperatury i odczytaną ją. Wszystkie pomiary wykonano trzykrotnie.

1. Dane pomiarowe

Odczytane dane zestawiono w tabeli 1

tp^Met	mk	mMet	mw	tp^k= tp^w	tk^Met
24	180	281,62	186,95	78	74,5
24	180	281,62	187,11	78	74,5
24	180,01	281,62	186,77	78	74,5

1. Obliczenia

Obliczenia potrzebne do wyliczenia ciepła właściwego wykonano na podstawie poniższego wzoru:

Po podstawieniu wartości (c_w przyjęto 4190 J/kgK, a c_k 900 J/kgK) otrzymano następujące wartości ciepła właściwego:

1. 232,64 J/kgK

2. 232,81 J/kgK

3. 232,46 J/kgK

Następnie wyliczono błąd pomiarowy korzystając z dwóch wzorów:

gdzie:

c^T – wartość tablicowa przyjęta 449 J/kgK

c^E – wartość wyliczona

Otrzymano następujące wyniki:

1. 48,2%

2. 48,1%

3. 48,2%

1. Wnioski

Na podstawie przeprowadzonych badań i wyliczonych błędów pomiarowych można sformułować następujące wnioski:

1. Metoda badawcza jest ograniczona dużym błędem pomiarowym.

2. Błąd pomiarowy ma związek z odczytem temperatury w kalorymetrze po umieszczeniu badanego metalu.

3. Błąd przy odczycie temperatury może mieć związek z problemami, jakie grupa miała przy zamknięciu układu pomiarowego po umieszczeniu badanego metalu.

1. Literatura

1. Stypuła B.: Wykłady z chemii fizycznej, wersja elektroniczna 2003, http://galaxy.uci.agh.edu.pl/~stypula/

2. Olejnik E., Sikora G.: Fizyka metali - laboratorium 2. Wyznaczenie ciepła właściwego c_w metali i stopów, http://www.kisiko.agh.edu.pl/pliki/fizm_L2.pdf