Artur Pander

Fizyka Techniczna

Grupa C

Temat: Wyznaczanie ciepła topnienia lodu.

Opis teoretyczny:

Jeżeli ciało stałe, krystaliczne ogrzewamy, to temperatura jego początkowo powoduje natomiast wzrasta, aż do temperatury topnienia t_t . Dalsze ogrzewanie ciała nie powoduje wzrostu jego temperatury, powoduje natomiast jego stopniowe topnienie. Dzieje się to aż do chwili, gdy cała masa ciała stałego przejdzie w ciecz. Poczynając od tej chwili (stale doprowadzając ciepło) obserwujemy wzrost temperatury, tym razem cieczy powstałej ze stopienia ciała stałego. Przebieg zmian temperatury w opisanym procesie ogrzewania przedstawia wykres na rysunku. Cechuje go tzw. próg topnienia AB, któremu odpowiada pewna ilość ciepła - zwanego ciepłem topnienia - potrzebnego na przeprowadzenie ciała ze stanu stałego w stan ciekły. Ciepło topnienia q_t . odniesione do jednostki masy jest to ilość ciepła potrzebna do stopienia 1 g danego ciała stałego o temperaturze topnienia na ciecz o tej samej temperaturze. Ponieważ w czasie topnienia ciała jego temperatura, mimo doprowadzanego doń ciepła, nie wzrasta, przyjęto ciepło topnienia nazywać ciepłem utajonym. Zużyte ono zostaje na wykonanie pracy związanej z rozluźnieniem więzów międzycząsteczkowych i znajduje swój ekwiwalent we wzroście energii potencjalnej cząsteczek, to znaczy we wzroście jego energii wewnętrznej U (U = Σ(Ek ⁿ + Ep ⁿ).

Topnienie metali oraz topnienie lodu jest przykładem opisanego procesu. Ciało ciekłe typu krystalicznego, ogrzane powyżej temperatury topnienia, przy ostyganiu będzie traciło ciepło, wykazując przebieg temperatur odwrotny do przebiegu zaznaczonego na rysunku. Próg topnienia BA będzie tym razem progiem krzepnięcia, z którym związane jest ciepło krzepnięcia q_k wydzielane przez ciało na zewnątrz. Jest rzeczą oczywistą, że ciepło krzepnięcia q_k jest równe ciepłu topnienia q_t. Całkowite ciepło Q dostarczone na ogrzanie ciała stałego do temperatury t₁, poprzez próg topnienia, do temperatury t₂ jest sumą trzech składników:

• Ciepła zużytego na ogrzanie ciała stałego od temperatury t₁ do temperatury t₂

• Ciepła zużytego na zmianę stanu skupienia, bez zmiany temperatury

• Ciepła zużytego na ogrzanie powstałej po stopieniu cieczy od temperatury t_t do temperatury t₂

Jeśli masę ciała oznaczymy przez m, ciepło właściwe ciała w stanie stałym przez c_s oraz ciepło właściwe w stanie ciekłym przez c_c , to wzór na Q będzie miał postać:

Q = c_sm (t_t - t₁) + mq_t + c_cm (t₂ - t_t). (1)

Zasada pomiaru ciepła topnienia lodu jest następująca. Określoną masę m₁ lodu topniejącego, a wiec o temperaturze t_t = 0, wrzucamy do wody w kalorymetrze o temperaturze t₁. Następuje wymiana ciepła: lód pobiera ciepło z wody, woda i kalorymetr ciepło oddają - ustala się temperatura końcowa t₂. Na podstawie równania (1) możemy napisać wzór na ciepło pobrane Q_p:

Q_p = _mqq_t + m₁(t₂ - 0) (2)

Pamiętamy, że w tym przypadku składnik pierwszy równania (1) jest równy zeru.

Ciepło Q₀ oddane przez wodę o masie m_w i przez kalorymetr o masie m_k wyrażone jest przez równanie:

Q₀ = (m_w + m_kc_k)(t₁ - t₂) (3)

Jeśli nieznane jest ciepło właściwe kalorymetru c_k, to do równania (3) zamiast iloczynu mc wstawiamy pojemność cieplną kalorymetru W. Przez porównanie stronami równań (2) i (3) otrzymujemy wzór na ciepło topnienia lodu:

Ciepło właściwe - pojemność cieplna właściwa, stosunek pojemności cieplnej substancji do jej masy: jednostka J / kg * K ; ciepło właściwe zależy od rodzaju substancji, jej fazy, temperatury i sposobu ogrzewania; na ogół ciepło właściwe cieczy jest większe od ciepła właściwego ciał stałych

Bilans cieplny - zestawienie energii cieplnej dostarczanej danemu urządzeniu i energii wyzyskiwanej, z uwzględnieniem strat; pozycją dodatnią bilansu cieplnego jest na ogół ciepło dostarczone do układu, a pozycją ujemną - ciepło odprowadzone (wyzyskane użytecznie i stracone)

---