Marek Jarosz dr Andrzej Baranowski

Fizyka techniczna I rok

Wtorek 16:00 – 18:15

WYZNACZANIE CIEPŁA TOPNIENIA LODU 27

I CIEPŁA SKRAPLANIA PARY WODNEJ

Ciepło	Wartość tablicowa	Wartość obliczona	Błąd
Topnienia lodu	334 kJ/kg	323,33 kJ/kg	3,20%
Skraplania pary wodnej	2.27 MJ/kg	665,02	99,998 %

2. Zagadnienia teoretyczne

Ciepło jest to jedna z form przekazu energii między układami termodynamicznymi. Bardziej dokładnie, ciepłem nazywa się proces przekazywania energii za pośrednictwem oddziaływania termicznego, zaś zmianę energii wewnętrznej układu, spowodowaną tym oddziaływaniem, ilością ciepła Q dostarczoną układowi.

Zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki, pełna zmiana energii wewnętrznej DU układu zamkniętego jest równa ilości ciepła Q dostarczonego układowi i pracy W wykonanej nad układem: DU=Q+W. Jest to zasada zachowania energii w odniesieniu do ciepła.

Jeżeli zmiana temperatury ciała DT spowodowana dopływem ciepła jest niewielka, to dostarczaną ciału ilość ciepła można wyznaczyć ze wzoru Q=mc∆T, gdzie m jest masą ciała, a c ciepłem właściwym. W układzie SI jednostką ciepła jest dżul (J). Inną jednostką ciepła jest kaloria = 4.1868 J.

Temperatura jest to skalarna wielkość fizyczna, charakteryzująca stan równowagi termodynamicznej układu makroskopowego. Zgodnie z zerową zasadą termodynamiki, każdemu stanowi równowagi układu fizycznego można przypisać pewną wielkość o takiej własności, że dwa ciała znajdują się w stanie równowagi termicznej kiedy ich temperatury są sobie równe.

Bilans energetyczny jest to zestawienie ilości energii odprowadzonej z układu i ilości energii doprowadzonej do układu. Zgodnie z zasadą zachowania energii, obie te wielkości są sobie równe. W szczególnym przypadku, gdy układ fizyczny oddziałuje z otoczeniem jedynie termicznie, bilans energetyczny nazywa się bilansem cieplnym. W kalorymetrii bilans cieplny jest podstawą do wyznaczania takich wielkości, jak ciepło właściwe ciał i ciepło przemian fazowych.

Kalorymetria jest to dział fizyki obejmujący metody pomiarów ilości ciepła wytworzonego lub pobranego w przemianach fizycznych i chemicznych. Podstawowym celem kalorymetrii jest wyznaczenie wielkości charakteryzujących cieplne wartości ciał (ciepła właściwe) i efektów cieplnych różnych procesów (ciepła przemian fazowych, ciepła reakcji chemicznych, itp.) Pomiarów dokonuje się za pomocą kalorymetrów (naczyń izolowanych termicznie od otoczenia, z wbudowanym wewnątrz miernikiem temperatury), a szukane wartości określa się za pomocą bilansu cieplnego sporządzanego dla procesów zachodzących w kalorymetrze.

Temperatura wrzenia zależy silnie od ciśnienia, rosnąc wraz ze wzrostem ciśnienia. Zależność temperatury wrzenia od ciśnienia opisuje wzór Clausiusa - Clapeyrona, z którego w przybliżeniu stosowanym dla przemiany, w której jeden ze stanów skupienia jest gazem doskonałym, a pomija się objętość drugiego, wynika wzór:

gdzie:

• T_B — temperatura wrzenia w przy ciśnieniu P_B,

• R — Stała gazowa,

• P_B — ciśnienie pary nasyconej w danej temperaturze,

• T₀ — temperatura wrzenia przy ciśnieniu normalnym (101,325 kPa),

• ΔH_vap — ciepło parowania substancji.

Temperatura topnienia – temperatura, w której kryształ zamienia się w ciecz. Jest to też najwyższa możliwa temperatura, w której może rozpocząć się krystalizacja tej substancji. Krystalizacja zachodzi jednak często przy niższej temperaturze niż temperatura topnienia, co zależy od wielu czynników, np. obecności zarodków krystalizacji, tempa schładzania czy ciśnienia.

3. Opis przeprowadzenia doświadczenia

Przed przystąpieniem do wykonania doświadczenia zmierzyłem masę pustego kalorymetru, następnie masę kalorymetru napełnionego do połowy wysokości wodą. Następnie włożyłem czujnik termometru do naczynka i przez 5 minut odczytywałem temperaturę wody zapisując co 30s wynik pomiaru. Następnie wrzuciłem kawałek lodu i zapisywałem temperaturę przez 10 minut, co jakiś czas mieszałem wodę w małym naczynku kalorymetrycznym. Po zakończeniu pierwszego pomiaru przeszedłem od drugiej części doświadczenia.

Druga część doświadczenia: korzystając z naczynka kalorymetrycznego z części pierwszej, włączyłem maszynkę elektryczną i czekałem na zagotowanie się wody w czajniku, gdy z czajnika zaczęła wydobywać się para wodna odczekałem minute i ostrożnie włożyłem wężyk wychodzący z czajnika do naczynka kalorymetrycznego na minutę celem ogrzania wody znajdującej się w naczynku. Po tej czynności odczytywałem temperaturę przez 5 minut. Po zakończonych pomiarach posprzątałem stanowisko pracy.

4. Opracowanie wyników pomiarów

Ciepło topnienia lodu:

Qt=( m_w+ m_kc_k ) * ( t1-t2 ) / m₁ - t₂

Ciepło skraplania pary wodnej:

Q=m_pQ_p + m_p ( 100^{o –} t₂ )

Ciepło właściwe pary wodnej ( wartość tablicowa ):

Ciepło właściwe 1.84 kJ/(kg·K)

Ciepło skraplania pary wodnej ( wartość tablicowa ):

Ciepło skraplania 2.27 MJ/kg

Ciepło topnienia lodu ( wartość tablicowa ):

Ciepło topnienia lodu 334 kJ/kg

Qt = ( 224,1 + 97,3 * 896 ) * ( 24,4 – 20,7 ) * 7,4 – 20,7 = 323,33 JK/kg

Q = (8,2*1,8 )+ 8,2 ( 100*20,7 ) = 665,02

Wnioski

Otrzymany przeze mnie błąd pomiarowy dla Ciepła topnienia lodu wynosi 3,2 %.

Natomiast błąd pomiarowy dla ciepła skraplania pary wodnej wynosi 99,998 %.

Błędy mogą wynikać z czasu reakcji, nieidealnie czystej próbki lodu wybranej do doświadczenia, niepewności przyrządów pomiarowych.