Paulina Łazowska IŚ gr.4 środa g.12 9.05.2001r.

Ćwiczenie 23
Wyznaczanie ciepła właściwego cieczy metodą ostygania.

1. Celem ćwiczenia jest wyznaczenie ciepła właściwego dwóch cieczy: wody i nafty.

2. 
   Ciepło właściwe jest to ilość ciepła(czyli formy energii przekazywanej od jednego ciała do drugiego) potrzebna do ogrzania jednostki masy ciała(1 kg) o jednostkę temperatury(1°K). Każde ciało o temperaturze wyższej od temperatury otoczenia, stygnie obniżając swoja temperaturę, by przyjąć temperaturę otoczenia. Następuje wtedy wymiana energii w postaci ciepła między ciałem i otoczeniem. W celu wyznaczenia ciepła właściwego cieczy, będziemy obserwować stygnięcie badanej cieczy - nafty, i porównywać je z stygnięciem cieczy o znanym cieple właściwym - wody, w takich samych warunkach zewnętrznych.
   Do pomiarów ciepła właściwego cieczy posługujemy się kalorymetrem. Jest on skonstruowany tak, aby ciała znajdujące się w jego wnętrzu były odizolowane termicznie od otoczenia. Składa się on z naczynia wewnętrznego N i naczynia zewnętrznego A pełniącego rolę osłony adiabatycznej, czyli chroniącej kalorymetr właściwy przed wymianą ciepła z otoczeniem. Do
   pomiaru temperatury we wnętrzu kalorymetru służy termometr T , a mieszadełko M umożliwia wyrównywanie temperatur wody cieczy wprowadzonej do kalorymetru. Naczynia izolowane są od siebie podstawkami nie przewodzącymi ciepła. Między naczynia A i B wkładamy lód. W obliczeniach wykorzystujemy prawo ostygania Newtona z którego wynika, że prędkość stygnięcia jest odwrotnie proporcjonalna do pojemności cieplnej ciała(czyli iloczynu ciepła właściwego i masy ciała), czyli ciała o dużej pojemności stygną wolniej niż ciała o małej pojemności cieplnej. Na podstawie wykonanych pomiarów otrzymamy dwie krzywe stygnięcia: nafty i wody, a znając czasy ostygania nafty i wody w tym samym przedziale temperatur (oczywiście przy tych samych warunkach zewnętrznych) możemy obliczyć ciepło właściwe stygnącej nafty stosując wzór: c_n=c_wm_wτ_n / m_nτ_w
   gdzie;
   c_n - ciepło właściwe nafty
   c_w - ciepło właściwe wody
   m_n - masa nafty
   m_w - masa wody
   τ_n - temperatura nafty
   τ_w - temperatura wody

3. Czynności pomiarowe

1. Na wadze laboratoryjnej ważymy naczynie N, m₁

2. Nalewamy do niego 120 ml. wody o temperaturze 22°C i ważymy, m₂

3. Obliczamy masę wody w naczyniu; m_w = m₂ - m₁

4. Naczynie N wprowadzamy do osłony termostatycznej

5. Obserwujemy stygnięcie wody i co 30 sekund odczytujemy temperaturę na termometrze T, przy czym przez cały czas mieszamy wodę mieszadełkiem M

6. Dane wpisujemy do tabeli, ochładzanie kończymy, gdy temperatura spadła do 8,8°C

7. Wylewamy wodę i po wytarciu ligniną wlewamy tam 120 ml. nafty o temperaturze21,2°C

8. Ważymy naczynie z naftą i w ten sam sposób obliczamy masę nafty w naczyniu.

9. Obserwujemy stygnięcie cieczy dokonując odczytów temperatury co 15 sekund, cały czas mieszając ciecz. Wyniki wpisujemy do tabelki.

10. Kończymy gdy temperatura nafty spadła do 11,2°C.

11. Na podstawie otrzymanych pomiarów, na papierze milimetrowym wykreślamy krzywe stygnięcia wody i nafty, na osi X zaznaczamy czas, na osi Y temperaturę.

12. Z wykresu znajdujemy czasy ostygania τ_w i τ_n dla wybranej różnicy temperatur t₁ i t₂ i na podstawie wzoru c_n = c_wm_wτ_n / m_nτ_w obliczamy ciepło właściwe nafty (c_n)

13. Wybieramy inną różnicę temperatur, wyznaczamy nowe τ_w i τ_n i ponownie obliczamy ciepło właściwe nafty

14. Tą czynność wykonujemy jeszcze raz i obliczamy wartość średnią.
    Wszystkie dane wpisujemy do tabelki.

4. Wyniki
   
   

Masa naczynia N		0, 103 kg
Z wodą	0,201 kg	Masa wody	0,098 kg
Z naftą	0,196 kg	Masa nafty	0,093 kg





woda	τ [s]	0	30	60	90	120	150	180	210	240	270	300	330
		T(°C)	22	18.6	16	15	14	12,6	11,4	10,6	9,6	8,8	-	-
	nafta	τ [s]	0	15	30	45	60	75	90	105	120	135	150	165
		T(°C)	21,2	19,2	18	17,4	15,8	15	14,5	13,6	13	12,6	11,8	11,2


Analiza wykresów;


Nr	Temperatura		Czas stygnięcia				Przedział czasu		Ciepło wł. nafty
		początkowa	końcowa	Wody		nafty		Dla wody		Dla nafty
	T1 [°C]	T2 [°C]	τ1 [s]	τ2 [s]	τ1 [s]	τ2 [s]	τw [s]	τn [s]	[J/kg•K]
1	16	14,5	60	102	57	87	42	30	2991
2	15,5	14	73,5	120	66	97,5	46,5	31,5	2991
3	13	12	141	176,5	120	144	35,5	24	2985
Ciepło wł. wody		Cw=4190 [J/kg•K]		Średnie ciepło wł. nafty				2989


Błąd pojedynczego pomiaru Δc_c = 5,4
błąd względny δ [%] = 0,18
dokładność ważenia Δm = 50 mg = 0,00005 kg
dokładność odczytu czasu ostygania Δτ = 3s
dokładność odczytu temperatury Δt = 0,2°C



5. Wnioski:
   Celem ćwiczenia było dokonanie pomiaru ciepła właściwego nafty metodą

ostygania. Metoda ta polega na mierzeniu temperatury dwóch stygnących cieczy przy jednakowych warunkach zewnętrznych. Jedną z tych cieczy była woda, której ciepło właściwe znamy. Na podstawie dokonanych pomiarów wykreśliłam krzywą ostygania dwóch cieczy. Z wykresu należało odczytać długość stygnięcia dla dowolnych różnic temperatur. Podstawiając odczytane wartości i obliczone wcześniej wartości mas do wzoru otrzymujemy ciepło właściwe nafty. Po trzykrotnym odczytaniu wyników stwierdzam, że są one zbliżone do siebie, więc bardzo prawdopodobne. Wyliczone błędy pomiarowe także są niewielkie. Podczas wykonywania tego ćwiczenia największy kłopot sprawiło nam ciągłe dosypywanie lodu, oraz brak odpowiedniej ilości nafty, co spowodowało, że pomiary temperatury wody musieliśmy wykonywać dwa razy. Otrzymane krzywe ostygania nie są idealne i raczej nie przypominają krzywych wykładniczych. Możliwe, że gdybyśmy wykonali więcej pomiarów przez dłuższy okres czasu, byłyby one lepsze. Jednak uważam, że zadanie zostało wykonane poprawnie, czego dowodem jest otrzymany wynik - wartość ciepła właściwego nafty , otrzymany metoda ostygania.











---