Ćwiczenie C02. Badanie procesu topnienia i krzepnięcia wody

Wstęp

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze zjawiskami w trakcie schładzania i podgrzewania wody, jak również wyznaczenie ciepła topnienia wody. Woda występuje w trzech stanach skupienia; stały, ciekły i gazowy. Jest to jednak za każdym razem ten sam związek chemiczny, różniący się tylko wzajemnym ułożeniem cząsteczek względem siebie. Przechodzenie związków ze stanu ciekłego w stały i odwrotnie charakteryzują dwie temperatury; krzepnięcia i topnienia. Aby związek mógł przechodzić z jednego stanu w drugi, należy mu dostarczyć lub odebrać energie. Ciepło topnienia jest to ilość ciepła jaką należy dostarczyć jednostce masy ciała stałego, aby zmieniło się ono w ciecz o tej samej temperaturze.

Przebieg ćwiczenia

Pierwszym etapem jest przygotowanie komputera; uruchomienie programu „Science Workshop”, podłączenie czujnika temperatury do interfejsu.

Wyznaczanie temperatury:

• krzepnięcia: przygotowaliśmy zlewkę z mieszaniną wody z lodem, wlaliśmy ok. 5ml wody, włożyliśmy cylinderek do mieszaniny lodu z wodą, do cylinderka włożyliśmy czujnik temperatury, uruchomiliśmy program (w tym momencie temperatura wody w cylindrze spadła do temperatury bliskiej temperaturze wody z lodem w zlewce - ok. 0°C ), następnie wsypaliśmy uprzednio przygotowaną sól kuchenną ( ok. 40ml ) do zlewki i wymieszaliśmy, pomiaru dokonywaliśmy przez 15 min., aż temperatura obniżyła się do ok. -5°C

• topnienia: uruchomiliśmy program, wyleliśmy cylinderek wraz z czujnikiem z mieszaniny wody, lodu i soli ( nie poruszając czujnikiem ) i umocowaliśmy go w statywie, w czasie gdy lód ogrzewa się od otaczającego powietrza przygotowałem zlewkę z wodą o temperaturze pokojowej ( w celu przyspieszenia doświadczenia włożyliśmy cylinderek do wody ), pomiar przerwaliśmy gdy temperatura w cylinderku osiągnęła temperaturę wody w zlewce

• analiza danych;

• uaktywniliśmy okno „Table”. W jednym okienku ustawiliśmy wykres temperatury krzepnięcia w drugim zaś temperatura topnienia

• za pomocą kursora precyzyjnego ustaliliśmy temperaturę topnienia i krzepnięcia, wynosiły one odpowiednio 0,623°C i -0,151°C

Wyznaczanie ciepła topnienia lodu

• usunęliśmy dane z poprzedniego doświadczenia, zważyliśmy wewnętrzne naczynie kalorymetru wraz z pokrywą i mieszadłem m_k=0,0818 kg, napełniłem kalorymetr ciepłą wodą ( 25°C - 30°C ) i zważyliśmy m₁=0,2791 kg, włożyliśmy do kalorymetru z woda czujnik temperatury i uruchomiliśmy program, wrzuciliśmy do kalorymetru bryłkę lodu przygotowaną uprzednio i doprowadzoną do temperatury topnienia, zamknęliśmy kalorymetr i zaczęliśmy mieszać, gdy temperatura przestała się zmniejszać wyłączyliśmy pomiar, zważyliśmy kalorymetr z całą zawartością m₂=0,3076 kg,

• na monitorze odczytujemy najwyższą (t₀ ) i najniższą ( t_k ) temperaturę wody: t₀=31,544°C i t_k= 17,823°C,

• obliczamy: masę wody m_w=m₁-m_k= 0,1973 kg, masę lodu m_l=m₂-m₂=0,0285 kg, ciepło topnienia l=359748J/kg

• powyższych pomiarów i obliczeń dokonuję jeszcze dwukrotnie i obliczam średnie ciepło topnienia L=(l₁+l₂+l₃)/3=350582 J/kg

• obliczamy błąd pomiaru ciepła bezwzględny Δl=max(L-l_i )=10055J/kg, i=1,2,3...

• obliczamy błąd względny B_p=Δl/L*100%=2,86%

Opis wykresu

W momencie uruchomienia programu ( na początku wykresu ) temperatura wynosi ok.22°C, po włożeniu cylinderka z wodą do zlewki temperatura zaczyna radykalnie spadać, aż do ok. 3°C, po czym obniżanie się zwalnia i na przestrzeni 4 min. Spada tylko o ok.3°C aż do 0°C. Następnie obniża się o ok. 5°C w czasie ok. 3 min. Wykres drugi przedstawia wzrost temperatury od -5 C w ciągu kilkudziesięciu sekund do 0°C gdzie przez ok. 3 min. Się utrzymuje dość szybko ( ok.2,5min. Aż do ok.21°C )

Wnioski

Z przeprowadzonego doświadczenia wynika, że temperatura krzepnięcia jest wyższa od 0°C i wynosi t_k=0,623°C, zaś temperatura topnienia jest niższa od 0°C i wynosi t_t=-0,151°C. Pomiary dokonane zostały drogą cyfrową za pomocą komputera, więc są dość dokładne. Błędy wynikają natomiast z wpływu ciśnienia i temperatury na badane przedmioty. Te same pomiary dokonane w próżni dałyby dokładniejsze wyniki.

---