background image

Nr pary 

Imię i nazwisko studenta 

Wydział 
 
grupa 

data Nazwisko 

prowadzącego Zaliczenie 

 

C3.

  Wyznaczanie ciepła topnienia lodu metodą kalorymetryczną 

 

Topnienie jest przemianą fazową ciała stałego w ciecz. Proces ten związany jest z pochłanianiem 
ciepła Q oraz ze zwiększaniem się entropii*.  

*entropia – funkcja stanu, charakteryzująca kierunek przebiegu spontanicznych 
  procesów w układach termodynamicznych. Jej jednostką jest dżul/kelwin [J/K]. 

Ze zmianą entropii związane jest ciepło przemiany fazowej. Jest to tzw. ciepło utajone, które 
w przypadku przejścia ze stanu stałego w ciekły, nazywa się ciepłem topnienia. 
Ciepło topnienia jest to ilość ciepła, potrzebna do stopienia 1 kg substancji w temperaturze 

topnienia:     

m

Q

L

Q

=

.              Jednostką jest J/kg. 

Dla ciał krystalicznych – przy stałym ciśnieniu zewnętrznym, proces topnienia zachodzi 
w określonej temperaturze, charakterystycznej dla danego ciała, zwanej temperaturą topnienia. 
Dostarczane z zewnątrz ciepło jest zużywane na osłabienie wiązań międzycząsteczkowych, a nie na 
zwiększanie energii cieplnych drgań atomów (stąd nazwa: ciepło utajone), na skutek czego, 
w procesie topnienia ciał krystalicznych temperatura ciała nie ulega zmianie (rys.1 - linia 1).  
W temperaturze tej ciało może współistnieć w postaci stałej i ciekłej.  
Dla ciał bezpostaciowych (np. szkła, żywicy, polimeru) proces topnienia nie odbywa się w stałej 
temperaturze, a podczas ich ogrzewania ciała stopniowo miękną (rys.1 - linia 2). 
Krzepnięcie  -  jest procesem odwrotnym do topnienia i zachodzi w tej samej temperaturze. 

     

t

Q

t

top

2

1

CIAŁO STAŁE

CIECZ

                    

1

10

10

10

10

10

10

10

3

4

5

6

7

2

P

a

100

200

300

400

500

600

700

T

K

1

2

3

P

KRYSZTAŁ
(lód)

CIECZ
(woda)

GAZ

(para wodna)

 

 

 

 

Rys.1   

 

 

 

 

 

 

Rys.2 

 
Temperatury, zarówno topnienia jak i wrzenia zależą od ciśnienia (rys. 2). Punkt P, nazywany 
punktem potrójnym, określa warunki, w których ciało może istnieć równocześnie w trzech fazach. 

 

W niniejszym ćwiczeniu wyznaczamy ciepło topnienia lodu metodą kalorymetryczną, czyli przy 
użyciu  kalorymetru.  Korzystamy z zasady bilansu cieplnego, która mówi, że:  
w układzie izolowanym ciała o wyższej temperaturze  tracą taką ilość ciepła, jaką zyskują ciała o 
niższej temperaturze. 
 

Do kalorymetru o masie m

k

 i cieple właściwym  c

k

, zawierającego m

w

 wody o cieple 

właściwym c

i temperaturze pokojowej t

p

 wrzucamy kawałek lodu o masie m

l

 i temperaturze 

topnienia t

top

= 0

o

C. Następuje proces wymiany ciepła, po czym ustala się temperatura końcowa 

układu t

k

, odpowiadająca stanowi równowagi termodynamicznej.  

background image

W procesie tym:   
 
ciepło pobiera:  lód - w procesie topnienia:                          Q

= m

l

 L

Q

,    

oraz woda powstała z lodu, na ogrzanie się do t

k

:     

Q

2

 = m

l

 c

w

 (t

k

 – t

top

ciepło oddaje:  

kalorymetr: 

    Q

3

 = m

k

 c

k

 (t

p

 – t

k

)      

oraz woda o masie m

w

 : 

 

 

 

 

Q

4

 = m

w

 c

w

 (t

p

 – t

k

). 

Ciepło pobrane równa się ciepłu oddanemu, a więc:   Q

1

 + Q

2

 = Q

3

 + Q

4

,  

czyli:  

 

 

m

l

 L

Q

 + m

l

 c

w

 (t

k

 – t

top

)  =  m

k

 c

k

 (t

p

 – t

k

 ) + m

w

 c

w

 (t

p

 – t

k

 ).  

Po przekształceniu otrzymujemy wyrażenie na ciepło topnienia lodu: 

 

 

 

(

)

(

)

(

top

k

w

l

k

p

w

w

k

k

Q

t

t

c

m

t

t

c

m

c

m

L

)

+

=

               (1) 

 
Wykonanie ćwiczenia 

 
Przyrządy: kalorymetr, waga laboratoryjna, termometr, lód 
 
1.  Ważymy wewnętrzne naczynie kalorymetryczne wraz z przykrywką i mieszadłem (m

k

). 

2.  Do wewnętrznego naczynia kalorymetrycznego wlewamy wodę destylowaną w ilości równej 

mniej więcej połowie jego pojemności i ponownie wyznaczamy masę tego układu  (m

kw

)

Z różnicy mas (m

kw

m

k

) obliczamy masę (m

w

) wody w kalorymetrze. 

3.  Zamknięte naczynie kalorymetryczne umieszczamy w obudowie kalorymetru i całość 

nakrywamy osłonami izolacyjnymi. Do wnętrza, przez otwór w przykrywce, wkładamy 
termometr, który pozostaje tam przez cały czas trwania eksperymentu. 

4.  Mierzymy temperaturę początkową (t

p

) kalorymetru z wodą. 

5.  Wyjęty z zamrażalnika lodówki kawałek lodu kładziemy na bibule i czekamy aż zacznie się 

topić, tzn. aż osiągnie temperaturę równą t

top

=0

°C. 

6.  Lód osuszamy starannie bibułą i jak najszybciej przenosimy do wnętrza kalorymetru z wodą 

(osłony izolacyjne oraz przykrywę wewnętrznego naczynia kalorymetrycznego zdejmujemy 
chwilowo, wyłącznie na moment wprowadzania do kalorymetru kawałka lodu). 

7.  Mieszając wodę w kalorymetrze za pomocą mieszadełka, obserwujemy spadek temperatury 

panującej wewnątrz układu. Obserwację przerywamy w momencie, gdy temperatura zacznie 
wzrastać. 

8.  Najniższą zaobserwowaną temperaturę przyjmujemy jako temperaturę końcową układu (t

k

).  

9.  Wyjmujemy termometr z kalorymetru i wyznaczamy masę  (m

kwl

) wewnętrznego naczynia 

kalorymetrycznego wraz z przykrywką, mieszadłem oraz wodą (pierwotnie przez nas wlaną 
oraz powstałą ze stopionego lodu). Z różnicy mas (m

kwl

m

kw

) obliczamy masę (m

l

) lodu. 

 
Opracowanie wyników 
 
1.  Wyniki pomiarów podstawiamy do wzoru (1) i obliczamy ciepło topnienia lodu L

Q

Przyjmujemy,  że ciepło właściwe kalorymetru (aluminium) c

k

=0,896 kJ (kg K)

-1

, a ciepło 

właściwe wody c

w

=4,19 kJ (kg K)

-1

.  

2.  Błąd pomiarowy (∆L

Q

) dla uzyskanej wartości ciepła topnienia lodu obliczamy metodą 

różniczki zupełnej:  

 

k

k

Q

p

p

Q

l

l

Q

w

w

Q

k

k

Q

Q

t

t

L

t

t

L

m

m

L

m

m

L

m

m

L

L

+

+

+

+

=

δ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

 

background image

 
Obliczając pochodne cząstkowe otrzymujemy: 
 

                       

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

k

w

l

w

w

k

k

p

l

w

w

k

k

l

l

k

p

w

w

k

k

w

l

k

p

w

k

l

k

p

k

Q

t

c

m

m

c

m

c

t

m

m

c

m

c

m

m

t

t

m

c

m

c

m

m

t

t

c

m

m

t

t

c

L

+

+

+

+

+

+

+

+

+

=

2

 

 
 

Tabela 

masa 

kalorymetru  

m

[kg] 

masa wody 

 m

[kg] 

masa lodu  

m

[kg] 

temperatura 
początkowa 

 t

p

 [

°C] 

temperatura 

końcowa  

 t

k

 [

°C] 

ciepło 

topnienia  

L

 [kJ kg

-1