POLITECHNIKA A
ÓDZKA
INSTRUKCJA Z LABORATORIUM W
ZAKA
ADZIE BIOFIZYKI
Ćwiczenie 7
KALORYMETRIA
Kalorymetria
I. WST
P TEORETYCZNY
Kalorymetria jest działem fizyki zajmującym się metodami pomiaru ciepła
wydzielanego bÄ…dz
pochłanianego w trakcie procesów fizycznych (np. zamiana
pracy na ciepło), chemicznych (np. ciepło reakcji chemicznych) lub
biologicznych. Przekazywaniem ciepła rządzą trzy zasady:
1. Ilość ciepła Q, potrzebna do ogrzania ciała o masie m o "T, wyraża się
wzorem:
Q = c m "T
Współczynnik c nazywamy ciepłem właściwym i jest ilością ciepła
potrzebną go ogrzania 1 kg dowolnego ciała o jeden Kelwin. Jednostką
ciepÅ‚a wÅ‚aÅ›ciwego jest J · kg-1· K-1
2. Ilość ciepła oddanego przez ciało jest równa ilości ciepła pobranego przez
ciała otaczające.
3. Ilość ciepła pobrana przez ciało przy podgrzewaniu od temperatury T1 do
T2 jest równa ilości ciepła oddanego przy chłodzeniu w tym samym
Zakresie temperatur, jeżeli ciało przechodzi przez te same stany pośrednie
w odwrotnej kolejności. Ostatnie dwie zasady wynikają z zasady
zachowania energii.
W wyniku przemiany materii w organizmach żywych powstaje ciepło,
które zostaje zużyte przez organizm na endotermiczne reakcje chemiczne, na
pracÄ™ mechanicznÄ…, energiÄ™ elektrycznÄ… oraz energiÄ™ fal elektromagnetycznych.
Część ciepła zostaje różnymi drogami odprowadzona na zewnątrz organizmu.
Wydzielenie ciepła przez organizm jest podstawowym czynnikiem
utrzymywania odpowiedniej temperatury organizmu i stanowi składową część
procesów termoregulacji. Poniżej podany jest bilans energii cieplnej
przeciętnego organizmu ludzkiego w ciągu 24 godzin.
1
Kalorymetria
Pokarm pobrany g kJ Razem kJ
Białka 57,8 992
TÅ‚uszcze 140,5 5 472 7 867
Węglowodany 81,7 1 403
Rozchód energii
kJ razem kJ
sposoby oddawania ciepła
ciepło oddawane z powierzchni ciała 5 753
ciepło wydychanego powietrza 180
ciepło wydalane z moczem i kałem 96 7 783
ciepło zużyte na wyparowanie wody przez płuca 758
ciepło zużyte na wyparowanie wody przez skórę 950
poprawki 46
Różnica między całkowitą ilością ciepła uzyskanego w organizmie
i wydzielonego wynika z niedokładności pomiarów.
II. OPIS BUDOWY STANOWISKA
Pomiary ciepła wykonuje się w kalorymetrach (rys.1.). W celu
ograniczenia wymiany ciepła z otoczeniem powleka się zewnętrzne ścianki
warstwÄ… srebra lub chromu, a sam kalorymetr stawia siÄ™ na podstawce
izolacyjnej w osłonie przykrytej pokrywką. Niekiedy osłona posiada podwójne
ścianki i wypełniona jest wodą. Aby do minimum ograniczyć wymianę ciepła z
otoczeniem, stosuje siÄ™ kalorymetr z termosem ( naczynie Dewara).
2
Kalorymetria
termometr
mieszadło
pojemnik wewnętrzny kalorymetru nr 1
pojemnik zewnętrzny
pojemnik pojemnik
warstwa
wewnętrzny z materiału
izolacyjna
kalorymetru izolacyjnego
nr 2
Rys.1. Schemat układu pomiarowego
III. PRZEBIEG ĆWICZENIA
A. WYZNACZANIE CIEPA
A TOPNIENIA LODU
1. Wyznaczyć masę m1 osuszonego wewnętrznego naczynia kalorymetru.
2. Nalać wodę do połowy objętości kalorymetru.
3. Wyznaczyć masę m2 naczynia z wodą.
4. Obliczyć masę wody mw
mw = m2  m1
5. Naczynie wewnętrzne wstawić do kalorymetru i mierzyć temperaturę
wody co 1min. Trzeba pamiętać o mieszaniu.
6. Temperaturę należy odczytywać aż do momentu ustalenia się równowagi
cieplnej (stałej temperatury).
7. Osuszyć bibułą kawałki kawałki lodu i wrzucić do kalorymetru mieszając
cały czas wodę.
8. Mierzyć temperaturę wody co 1 min. do chwili, gdy temperatura zacznie
równomiernie wzrastać.
Wyznaczyć masę mk kalorymetru z wodą, a następnie masę stopionego
9.
lodu ml = mk  m2.
3
Kalorymetria
10. Wyniki pomiarów przedstawić w tabeli.
mk ck mw cw To T1 T2 "T m1
[kg] [kg] [K] [K] [K] [K] [kg]
îÅ‚ Å‚Å‚ îÅ‚ Å‚Å‚
J J
ïÅ‚kg Å" K śł ïÅ‚kg Å" K śł
ðÅ‚ ûÅ‚ ðÅ‚ ûÅ‚
11. Obliczyć ciepło topnienia lodu.
12. Maksymalny błąd bezwzględny "c , popełniony przy wyznaczaniu ciepła
właściwego topnienia lodu, obliczyć ze wzoru:
îÅ‚ Å‚Å‚
2(mkck + mwcw )
"c = + cw śł"T
ïÅ‚
ml
ðÅ‚ ûÅ‚
13. Wykonać wykres zależności temperatury wody od czasu.
B. WYZNACZANIE ILOÅšCI CIEPA
A WYDZIELANEGO PRZEZ
ORGANIZM CZA
OWIEKA PRZY WYDYCHANIU
1. Wyznaczyć masę mkw1 wewnętrznego naczynia kalorymetru nr 1.
2. Wyznaczyć masę mw2 wewnętrznego naczynia kalorymetru nr 2.
3. Pojemnik nr 3 (wykonany z tworzywa sztucznego) wypełnić drobno
potłuczonym i możliwie suchym lodem i umieścić go w kalorymetrze nr1.
Całość umieścić w osłonie i szczelnie zamknąć pokrywą.
4. Na wystającą część rurki pojemnika nałożyć wąż gumowy wraz z
ustnikiem.
5. Po upływie 15 minut szybko wymienić wewnętrzne naczynie kalorymetru
nr1 na wewnętrzne naczynie nr 2 i w ciągu 15 minut wydychać powietrze
do kalorymetru przez wąż gumowy.
4
Kalorymetria
Należy pamiętać, aby oddech był jak najbardziej zbliżony do normalnego,
a wydychane powietrze było w całości wtłoczone do kalorymetru.
6. Po ukończeniu wydychania wyjąć pojemnik wraz z pozostałą częścią
lodu.
7. Wyznaczyć masę mkw1 kalorymetru nr 1 z wodą.
8. Obliczyć masę wody mw1 powstałej ze stopionego lodu w temperaturze
otoczenia.
9. Wyznaczyć masę mkw2 kalorymetru nr 2 z wodą.
10. Obliczyć masę mw2 wody powstałej w kalorymetrze podczas wydychania
powietrza.
11. Obliczyć masę wody mw powstałej przez wydychanie powietrza przy
ochłodzeniu się do temperatury topnienia lodu (to = 0oC)
2
mw = (mw - m1 - mwp)
w
gdzie:
mwp  masa wody powstałej w wyniku skroplenia się pary wodnej zawartej
w wydychanym powietrzu; mwp = 5g
12. Odczytać temperaturę otoczenia tp.
13. Znając masę mw obliczyć całkowite ciepło stracone (Qo)
Qo = mw`L
gdzie:
L  ciepło topnienia lodu; L = 335`103 J/kg
2
Q = (mw - m1 - mwp)Å" L
w
14. Ciepło Qo jest równe ciepłu jakie traciłby organizm przez oddychania
Gdyby temperatura wydychanego powietrz była 0oC. Ponieważ doświadczenia
jest przeprowadzane w temperaturze pokojowej, więc na podstawie proporcji
otrzymuje następujący się wzór na ciepło Q wydzielone z organizmu przez
oddychanie w temperaturze pokojowej
tc - t
Q = Qo p
tc - to
5
Kalorymetria
gdzie:
tc  temperatura ludzkiego ciała, tc = 36,6oC
tp  temperatura otoczenia
to  0oC
[g] [g]
mk1
mkw1
mw1
[g] [g]
mk2
mkw2
mw2
mwp [kg] mw [kg] tp [oC] Qo [ J] Q [J]
IV. SPRAWOZDANIE POWINNO ZAWIERAĆ
1. Krótki wstęp teoretyczny.
2. Cel przeprowadzonego ćwiczenia.
3. Objaśnienie symboli stosowanych w sprawozdaniu.
4. Tabelę z wartościami wielkości mierzonych.
5. Obliczone błędy
6. Wykres zależności temperatury wody od czasu.
7. DyskusjÄ™ i wnioski.
V. PYTANIA KONTROLNE
1. Podstawowe zasady kalorymetrii.
6
Kalorymetria
2. Definicja współczynnika cieplnego.
3. Definicja ciepło topnienia lodu.
4. Budowa i zasada działania kalorymetru.
LITERATURA
1. Z. Józ
wiak: G. Bartosz: Ćwiczenia z podstaw fizyki i biofizyki dla
biologów; Wydawnictwo Uniwersytetu A
ódzkiego, A
ódz
1991
2. R. Respondowski: Laboratorium z fizyki; Politechnika ÅšlÄ…ska, Gliwice
1994
3. J. Karniewicz. T. Sokołowski: Podstawy fizyki laboratoryjnej;
Politechnika A
ódzka, A
ódz
1993
7