POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

KATEDRA FIZYKI

LABORATORIUM Z FIZYKI

Ćwiczenie nr: 10

TEMAT:Wyznaczanie ciepła topnienia lodu.

KUTROWSKI PIOTR

WYDZ. ELEKTRYCZNY

GRUPA III

SEMESTR II

Podstawowe założenia teorii kinetyczno-molekularnej.

• Ciało ma strukturę ziarnistą jest zbudowane z cząstek, atomów. Liczba cząsteczek składająca się na ciało jest ogromna.

• Cząsteczki tworzące dane ciało wykonują bezładne ruchy, zwane ruchami cieplnymi (termicznymi). Zależą one od oddziaływań wzajemnych cząsteczek i zmieniają się przy zmianie stanu skupienia danego ciała.

• Średnia prędkość cząsteczek zależy od temperatury ciała.

• Całkowitą energię ciała w teorii kinetyczno-molekularnej możemy przedstawić jako sumę energii:

E=E_k+E_p+U

E_k - energia kinetyczna ciała jako całość w ruchu makroskopowym.

E_p - energia potencjalna całego ciała w pewnym zewnętrznym polu sił.

U - energia wewnętrzna ciała związana z cieplnym ruchem cząstek.

Zgodnie z założeniami teorii kinetyczno-molekularnej ciało stałe zbudowane jest z sieci krystalicznej gdzie cząsteczki znajdują się w równowadze. Jeżeli zaczniemy ciału stałemu dostarczać energii np. w postaci ciepła to cząsteczki te zostaną wyprowadzone ze stanu równowagi. Wywoła to wzrost temperatury ciała stałego. Temperatura ta będzie rosła, aż do temperatury topnienia. Po osiągnięciu przez ciało temperatury topnienia dalsze dostarczanie energii nie spowoduje wzrostu temperatury ciała. Energia ta zostanie spożytkowana na rozbicie struktury krystalicznej ciała (topnienie). Temperatura ciała nie będzie wzrastać, aż do momentu, w którym cała masa ciała stałego nie przejdzie w ciecz. Gdy tak się stanie dalsze doprowadzanie energii spowoduje wzrost temperatury cieczy.

Pomiędzy ciałami ogrzanymi do różnych temperatur zachodzi wymiana ciepła. Ciało cieplejsze traci ciepło, ciało zaś chłodniejsze zyskuje. Wymiana ta trwa dotąd dopóki temperatury obu ciał nie zrównają się. Wyróżniamy trzy drogi, którymi może się odbywać wymiana ciepła, a mianowicie:

przez promieniowanie

przez przewodnictwo

przez prądy konwekcyjne (unoszenie)

Ad. 1.

Wymiana ciepła przez promieniowanie polega na wytwarzaniu kosztem ciepła energii promieniowania i następnie odwrotnie, na powstaniu ciepła kosztem energii promienistej.

Ad.2.

Wymiana ciepła przez przewodzenie polega na przekazywaniu ciepła przez ciało o temperaturze wyższej ciału o temperaturze niższej. Zjawisko zachodzi podczas zetknięcia się dwóch ciał.

Ad.3.

Przenoszenie ciepła przez unoszenie polega na przenoszeniu ciepła razem z materią. Gęstość ogrzanej cieczy bądź gazu jest na ogół mniejsza niż gęstość ich w temperaturze niższych; jeśli zatem jakaś część cieczy czy też gazu ulega ogrzaniu, to na mocy prawa Archimedesa wypchnięta zostaje ku górze i unosi ze sobą ciepło. W ten sposób wytwarza się prąd konwekcyjny.

W procesach termodynamicznych zachodzi następujący wzór:

*U=Q+W

*U- przyrost energii wewnętrznej

W - praca

Q - ilość ciepła

Bilasns cieplny jako zasada zachowania energii.

W układzie odosobnionym, w którym zachodzą dowolne zjawiska (np. mechaniczne, cieplne) nie można w żaden sposób zmienić całkowitej energii układu. Jeśli natomiast mogą zachodzić wymiany energii układu z otoczeniem to przyrost (lub ubytek) całkowitej energii układu równa się doprowadzonej z zewnątrz (lub odprowadzonej na zewnątrz) energii.

Metoda wyznaczania ciepła topnienia lodu.

Pewną określoną masę lodu (m₁) topniejącego o temperaturze t_t=273 K wrzucamy do wody w kalorymetrze o temperaturze t₁. Następuje wymiana ciepła: lód pobiera ciepło od wody, zaś woda i kalorymetr ciepło oddają ; ustala się temperatura końcowa t₂.

Równanie bilansu cieplnego:

Q₀ = Q_p

Ciepło pobrane przez lód wyraża się wzorem:

L_t - ciepło topnienia lodu

Ciepło oddane przez wodę i kalorymetr:

Dwa równania bilansu cieplnego; wyznaczamy ciepło topnienia lodu:

Ciepło topnienia lodu jest to ilość ciepła potrzebna do stopienia 1 kg lodu o temperaturze topnienia na ciecz o tej samej temperaturze.

Błąd w pomiarach kalorymetrycznych obliczamy korzystając z metody różniczki zupełnej. Przyjmujemy, że szukana wartość jest funkcją kilku zmiennych:

różniczka zupełna tej funkcji przyjmuje więc postać:

po zastąpieniu różniczek przyrostami skończonymi otrzymamy:

Tabela pomiarowa.

M1 [kg]	Ck [J/kg*K]	M2 [kg]	Cw [J/kg*K]	Ml [kg]	T1 [K]	T2 [K]	Lt [J/kg]	Lt (śr) [J/kg]

---