Praca domowa

Opracowanie doświadczeń z termodynamiki.

Bartosz Wiernicki

kl. IId

I Część Teoretyczna

1. Przemiany gazów:

a) Izotermiczna

Występuje, kiedy temperatura w czasie reakcji nie zmienia się. Jest taka sama przed jak i po reakcji. Równanie gazu doskonałego przyjmuje postać uproszczoną

b) izochoryczna

Występuje, kiedy OBJĘTOŚĆ w czasie reakcji nie zmienia się. Jest taka sama przed jak i po reakcji. Równanie gazu DOSKONAŁEGO ma wtedy postać:

c) izobaryczna

Występuje, kiedy ciśnienie w czasie reakcji nie zmienia się. Jest takie samo przed jak i po reakcji. Równanie gazu DOSKONAŁEGO ma wtedy postac:

d) adiabatyczna

Przemianą adiabatyczną nazywamy przemianę zachodzącą bez wymiany ciepła z otoczeniem

2. Energia wewnętrzna ciała:

Energia wew. jest to część energii układu zależna tylko od jego stanu wew.; stanowi ona sumę oddziaływa międzycząsteczkowych, wewnątrzcząsteczkowych oraz energii ruchu cieplnego

W zamkniętym układzie ciał niewymieniających energii wew. z otoczeniem i niezamieniających jej na inne rodzaje energii, ilość energii wew. jest wielkością stałą.

II Doświadczenia.

1. Ciekły azot

W doświadczeniu tym można zaobserwować, w jaki sposób kontakt ciekłego azotu z przedmiotami wykonanymi z różnych substancji, wpływa na ich własności plastyczne.

a) charakterystyka ciekłego azotu

Azot przechodzi w stan ciekły w temperaturze -1960 C. W kontakcie z innymi substancjami, można zaobserwować jego różnorodne procesy termodynamiczne. Po wylaniu azotu na powierzchnię następuje jego silne wrzenie. Jest ono tak intensywne, że pomiędzy kroplą azotu a podłożem powstaje „poduszka powietrzna”, a krople rozbiegają się na wszystkie strony prawie bez tarcia; po wlaniu azotu do otwartego naczynia, poza wrzeniem, możemy zaobserwować jeszcze skraplanie tlenu na powierzchni naczynia, powstawanie szronu na powierzchni (zamarzająca woda), a także sublimację dwutlenku węgla.

(źródło: www.labfiz.uwb.edu.pl)

b) cynkowa blaszka

Z termosu, w którym przechowujemy ciekły azot przelewamy go do szklanego otwartego naczynie:

Następnie sprawdzamy właściwości plastyczne blaszki cynkowej. Okazuje się, że dość łatwo jest zmieniać jej kształty. Teraz należy umieścić blaszkę w naczyniu i poddać ją działaniu ciekłego azotu.

Po wyjęciu blaszki z naczynia, okazuje się, że jej właściwości plastyczne zmieniły się. Teraz nie można zmienić kształtu blaszki

b) kawałek gumy

W tym doświadczeniu postępujemy podobnie jak w przypadku a. Do naczynia z ciekłym azotem wkładamy kawałek gumy. Po wyjęciu jej z naczynia, kawałek ten, za pomocą młotka można skruszyć.

Po wyjęciu jej z naczynia, kawałek ten, za pomocą młotka można skruszyć.

c) probówka z rtęcią.

W analogiczny sposób postępujemy z probówka z rtęcią. W temperaturze pokojowej rtęć jest cieczą. Jednakże po usunięciu probówki z naczynia, rtęć nie zmienia swojego kształtu (pod wpływem uderzenia młotka probówka pęka, rtęć pozostaje w tym samym położeniu), co jest charakterystyczne dla cieczy. Nastąpiło skrzepnięcie rtęci.

d) substancje organiczne

Sprawdźmy teraz, czy ciała zbudowane z substancji organicznych reagują na działanie ciekłego azotu w taki sam sposób jak cynk, guma i rtęć. W tym celu umieszczamy w naczyniu liść.

Liść po wyjęciu z naczynia z łatwością się kruszy.

e) Ołowiane dzwonki.

W tym doświadczeniu porównujemy natężenie dźwięku, jaki wydają dwa miedziane dzwonki o podobnej wielkości (barwy naniesione na rysunek poniżej służą do rozróżniania obu dzwonków). Z obserwacji wynika, że dzwonki wydają dźwięki o podobnej sile. Jednakże po zanurzeniu jednego z nich w naczyniu z ciekłym azotem...

...i wyjęciu go, możemy dostrzec wyraźną różnicę w tym
, jak głośno teraz dzwonią dzwonki. Ciekły azot (a właściwie jego niska temperatura) wpłynął na strukturę budowy dzwonków.

2. Nadprzewodnik

W tym doświadczeniu, także zostanie użyty ciekły azot, lecz jego właściwości, zostaną tu wykorzystane do tego, aby ze spieku, który tworzą pierwiastki: miedź, itr, bar i tlen, stworzyć nadprzewodnik.

Doświadczenie przeprowadzamy na podstawce, na której umieszczamy kawałek styropianu, mający izolować cały układ od zmian temperaturowych. Następnie na styropianie kładziemy blaszkę spieku:

Styropian, na którym umieszczony jest spiek, polewamy ciekłym azotem:

Następnie nad spiekiem umieszczamy niewielki kawałek magnesu.

Jak widzimy na rysunku, magnes „lewituje” nad spiekiem. Jest to spowodowane wzajemnym oddziaływaniem spieka na magnes: Spiek pod wpływem ciekłego azotu staje się nad przewodnikiem. Pod wpływem zbliżonego magnesu, w spieku zostaje wyidukowany prąd. Pole, który wytworzył spiek oddziałuje z polem magnesu, dzięki czemu widzimy zaobserwowane zjawisko.

3. Rozszerzalność temperaturowa

a) Doświadczenie to związane jest z rozszerzalnością temperaturową ciał. Wykonuje się je za pomocą tego urządzenia:

Urządzenie to wyposażone jest w trzy wskazówki połączone z trzema drucikami umieszczonymi w wanience wykonanej drewna. Każda ze wskazówek (tak jak i druciki) zbudowana jest z innego materiału (aluminium, mosiądz, miedź). Cały układ jest tak skonstruowany, aby pokazywał, który materiał jest najbardziej „podatny” na temperaturę. Dowiadujemy się tego dzięki zamontowanej skali. Im bardziej wskazówka wychyli się na skali, tym bardziej został rozszerzony drucik wykonany z tego samego tworzywa, umieszczony tuż nad zbiorniczkiem. Źródłem ciepła będzie płonący zbiorniczek z denaturatem. Oto jak przebiega doświadczenie:

Najpierw zbiorniczek polewamy denaturatem i podpalamy go. Pod wpływem zwiększonej temperatury dochodzi do rozszerzenia drucików, co obrazują unoszące się wskazówki. Ważne jest również to, że każdy materiał, z którego zbudowane są druciki, „reaguje” inaczej na zwiększoną temperaturę (jedne rozszerzają się bardziej, drugie - mniej).

b) To doświadczenie wykonujemy za pomocą miedzianej kulki oraz otworu, przez który owa kulka, w normalnych warunkach z łatwością przechodzi. Potrzebne nam będzie także źródło ciepła oraz ciekły azot, aby zwiększać, lub zmniejszać temperaturę ciał:

• Wariant pierwszy

W pierwszej części doświadczenia, przez jakiś czas podgrzewamy kulkę:

Jak widać dalej, próba przełożenia takowej kulki przez otwór jest nieudana. Kulka pod wpływem źródła temperatury ma teraz większą temperaturę, co powoduje jej rozszerzenie.

• Wariant drugi

Teraz, bez ochładzania kuli następuje podgrzanie otworu:

Teraz widzimy, że kulka znowu przechodzi przez otwór. Kiedy został on podgrzany, nastąpiło jego rozszerzenie mniej więcej o tyle samo co rozszerzenie kulki.

• Wariant trzeci.

Teraz następuje ochłodzenie kuli (otwór pozostaje nadal nagrzany) w ciekłym azocie:

W tym wypadku również kulka przechodzi przez otwór. Została, bowiem „zwężona” przez działanie ciekłego azotu. Ponadto pierścień jest nadal nagrzany, co powoduje jego rozszerzenie.

• Wariant czwarty.

W tym wypadku, czekamy pewien okres czasu, aż pierścień i kula powrócą do swoich normalnych rozmiarów, po czym zanurzamy pierścień w ciekłym azocie:

Jak widać pierścień pod wpływem ciekłego azotu zmniejszył się na tyle, że kulka nie jest w stanie przejść przez niego.

4. Sposób działania termometru (rozszerzalność cieczy)

Doświadczenie to obrazuje sposób w jaki działają termometry.

Najpierw przygotowujemy mechanizm pokazany wyżej. Jest to długa, cienka rurka (zwana kapilarą), połączona z naczyniem. W naczyniu umieszczona zostaje mieszanina wody i alkoholu. Cieczy musi być na tyle dużo, aby wypełniała ona także niewielką część rurki. Rurka od góry zamknięta jest zaślepką, dzięki której ciśnienie w rurce jest stałe. Ponadto niewielkie rozmiary rurki (jej średnica) wynikają z tego, abyśmy mogli zaobserwować podniesienie się cieczy już przy niewielkim wzroście temperatury.

Kapilarę należy umieścić w naczyniu z wrzącą wodą, tak jak to pokazano na rysunku:

Jak widać z rysunku pod wpływem ciepła dostarczonego przez wrzącą wodę, podniosła się temperatura mieszaniny umieszczonej w kapilarze. Nastąpiło rozszerzenie cieczy.

5. Przemiana izobaryczna.

Doświadczenie polega na udowodnieniu przemiany izobarycznej (szerzej o tej przemianie w części teoretycznej). Najpierw do kolby wypełnionej gazem podłączamy drugą, w której znajduje się niewielka ilość cieczy. Później tak zbudowany „mechanizm” poddajemy działaniu temperatury:

Pod wpływem wyższej temperatury gazu, ciecz zostaje przesunięta w stronę zaślepki. Dzieje się tak dlatego, że zwiększona temperatura gazu wpływa na jego objętość (im większa temperatura, tym większa objętość). Gaz zwiększając swoje rozmiary „wypycha” ciecz dalej.

6. Transport energii cieplnej

a) poprzez bezpośredni kontakt

b) poprzez konwekcję.

To doświadczenie pokazuje w jaki sposób można transportować energię cieplną. W doświadczeniu zostanie użyty komin konwekcyjny, przedstawiony na rysunku.

U dołu rurki umieszczamy palące się łuczywo. Dym z łuczywa tli się wolno, a gaz „ucieka” w różne strony. Gdy podstawimy łuczywo pod rurkę, możemy zauważyć dym wylatujący z jej utworu. Takie zachowanie dymu można wytłumaczyć tym, że w rurce tworzy się równy słup powietrza, który zostaje wyparty z rurki dzięki sile Archimedesa.

Poza tym cząsteczki dymu poruszają się szybciej niż cząsteczki powietrza, ponieważ są cieplejsze.

7. Promieniowanie

a) W tym doświadczeniu niewielki wiatraczek, który posiada białe i czarne listki, poddajemy działaniu promieni czerwonych pochodzących z mikrofalówki, tak jak zostało to przedstawione na rysunku:

Pod wpływem promieniowana listki w wiatraczku zaczynają się poruszać. Charakterystyczne jest to, że listki czarne poruszają się szybciej niż białe. Dzieje się tak dlatego, że barwa czarna lepiej odbija od siebie cząstki powietrza niż barwa biała. Ponadto prędkość listków wiatraka zależy od jego odległości od mikrofalówki.

b) Następne doświadczenie jest analogiczne do poprzedniego, poprzedniego tą różnica jednak, że tym razem w doświadczeniu zostaje użyte także zwierciadło wklęsłe

Zwierciadło zostaje tak ustawione, aby wiatraczek znajdował się w ognisku fali promieniowania. Znajduje się ono w odległości 32,5 cm od zwierciadła (jest to połowa promienia zwierciadła). Ponadto zwierciadło ustawione jest tak, aby skupiać promienie na dolnej części wiatraczka. Dzięki temu listki na dole obracają się znacznie szybciej niż te na górze. Po podniesieniu zwierciadła nieco do góry, szybciej obracają się listki umieszczone na górze.

8. Wrzenie wody

a) Wykres fazowy wody

b) Jednym ze sposobów w jaki możemy doprowadzić do wrzenia wody, jest jej podgrzanie. Wtedy dostarczamy wodzie dużą ilość energii cieplnej. Objawia się to unoszącą się parą, bulgotaniem:

c) Innym sposobem na to, aby doprowadzić wodę do wrzenia, jest wykorzystanie przemiany izochorycznej. Kolbę, której użyliśmy w poprzednim doświadczeniu odwracamy teraz do gór nogami i stopniowo polewamy zimną wodą. Pod wpływem strumienia zimnej wody, w kolbie zmniejsza się ciśnienie, co przy stałej objętości prowadzi do zwiększenia temperatury cieczy.

9. Punkt potrójny wody

Doświadczenie to ma stworzyć warunki charakterystyczne dla punktu potrójnego wody. Doświadczenie wykonujemy w następujący sposób.

Rurę pompy próżniowej doprowadzamy do manometru rtęciowego (ma on za zadanie mierzyć ciśnienie) i do wnętrza klosza, w którym, na szkiełku zegarowym została umieszczona niewielka ilość wody i opiłków żelaza. Za pomocą pompy odpompowujemy powietrze z wnętrza klosza. Następuje zmniejszenie ciśnienia w kloszu co ilustruje skala manometru. Zmniejszenie ciśnienia wywołuje wrzenie wody, a po chwili także jej zamarzanie. Dzieje się tak dlatego, że woda pobiera ciepło parowania od siebie samej, więc część z niej paruje, a część (ta, której ciepło zostało odebrane) - zamarza. Stan ten nazywamy punktem potrójnym wody.

10. Praca i energia wewnętrzna.

Do doświadczenie dotyczy tego, od czego zależy energia wewnętrzna ciała.

Do naczynia, od góry zamkniętego korkiem, podłączamy pompkę rowerową (tak jak na rysunku). Naczynie zawiera w sobie opary alkoholu. Pompując powietrze do naczynia, po pewnym czasie korek wyskakuje:

Wyjaśnienie tego zjawiska jest dość proste: Chodzi tu mianowicie energię wewnętrzną gazu. Pod wpływem pompowanego powietrza napór gazu na ścianki i korek zwiększył się. Jednakże pracę wykonaną w momencie wystrzelenia korka wykonała właśnie energia wewnętrzna. Zależy ona od ciepła i wykonanej pracy, co tłumaczy, iż temperatura gazu w naczyniu diametralnie się zmniejszyła.

11. Przemiana adiabatyczna (gaśnica)

W doświadczeniu tym posłużymy się gaśnicą. Uruchamiamy gaśnicę i spryskujemy nią powierzchnię. Możemy zaobserwować, jak na skutek przemiany adiabatycznej powstaje suchy śnieg.

Ciekły azot

Palące się łuczywo

Strumień zimnej wody

---