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.

2. 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]

Δ

Δ

[J/K]

gdzie:



- zmiana ciepła



- zmiana temperatury

Ciepło właściwe jest to ilości ciepła potrzebna do zmiany temperatury 1 kilograma

substancji o 1



C.

Δ

[J/kg*K]

gdzie:



Q – dostarczone ciepło;



m – masa ciała;



ΔT – przyrost temperatury

3. 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.

4. Dane pomiarowe

Odczytane dane zestawiono w tabeli 1

t

p

Met

m

k

m

Met

m

w

t

p

k

= t

p

w

t

k

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

5. 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%

6. 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.

7. 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