Ćw. 10 Transport i wymiana ciepła

1. Wyjaśnić pojęcie temperatury i ciepła

2. Zdefiniować pojemność ciepła, ciepło właściwe oraz używane jednostki ciepła.

3. Omówić sposoby przekazywania energii cieplnej.

4. Podać definicję współczynnika przewodnictwa cieplnego.

5. Omówić zasadę działania termopary.

6. Objaśnić sposób wyznaczania współczynnika przewodnictwa cieplnego dla złych przewodników oraz wyprowadzić wzór z którego w tym ćwiczeniu współczynnik obliczamy.

1.Wyjaśnić pojęcie temperatury i ciepła

- Temperatura – jedna z podstawowych wielkości fizycznych (parametrów stanu[1]) w termodynamice, będąca miarą stopnia nagrzania ciał. Temperatura jest miarą stanu cieplnego danego ciała. Jeśli dwa ciała mają tę samą temperaturę, to w bezpośrednim kontakcie nie przekazują sobie ciepła, gdy zaś temperatura obu ciał jest różna, to następuje przekazywanie ciepła z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej – aż do wyrównania się temperatury obu ciał.

- Ciepło – jeden z dwóch sposobów, obok pracy, przekazywania energii wewnętrznej układowi termodynamicznemu[1]. Jest to przekazywanie energii chaotycznego ruchu cząstek (atomów, cząsteczek, jonów) w zderzeniach cząstek tworzących układy makroskopowe pozostające we wzajemnym kontakcie[2]; oznacza formę zmian energii, nie zaś jedną z form energii[3] .Ciepło oznacza również ilość energii wewnętrznej przekazywanej w procesie cieplnym

2 Zdefiniować pojemność ciepła, ciepło właściwe oraz używane jednostki ciepła.

Pojemność cieplna - stosunek ilości ciepła (dQ) dostarczonego do układu, do odpowiadającego mu przyrostu temperatury (dT).

gdzie:

* C - pojemność cieplna

* Q - ciepło

* T - temperatura

Pojemność cieplna przypadająca na jednostkę masy to ciepło właściwe a na 1 mol to molowe ciepło właściwe (ciepło molowe).

Ciepło właściwe – ciepło potrzebne do zwiększenia temperatury ciała o jednostkowej masie o jedną jednostkę

gdzie

ΔQ – dostarczone ciepło;

m – masa ciała;

ΔT – przyrost temperatury.

Pojęcie ciepło utajone - używane jest jako ilość energii (jednostka dżul) oraz jako ilość energii na jednostkę substancji, która zmieniła stan skupienia. Gdy jednostką ilości jest masa, to ciepło utajone ma jednostkę dżul/kg, a gdy liczność materii - dżul/mol

3. Omówić sposoby przekazywania energii cieplnej.

Przewodzenie ciepła – bezpośredni kontakt układów, wymiana energii odbywa się w wyniku oddziaływania cząsteczek ciał;

Konwekcję – przenoszenie energii w cieczach i gazach nie na skutek ruchu pojedynczych cząsteczek, a w wyniku ruchu makroskopowych ilości substancji. Ruchy te występują na skutek różnicy gęstości substancji w różnych temperaturach (np. w polu grawitacyjnym planety ciepłe masy wody lub gazów unoszone są do góry, a chłodne masy opadają, ponieważ mają większą gęstość w pewnym zakresie temperatur), ruch płynu może być też wywołany inną przyczyną;

Promieniowanie elektromagnetyczne – ruch drgający (przyspieszenie) ładunku elektrycznego w drgających cząsteczkach wywołuje promieniowanie elektromagnetyczne, zwane promieniowaniem termicznym (potocznie cieplnym), które może być pochłonięte przez inne ciało. Potocznie sądzi się, że za zjawisko transportu ciepła odpowiada promieniowanie podczerwone, podczas gdy dotyczy ono wszystkich długości promieniowania elektromagnetycznego. Błąd ten wynika zapewne stąd, że ciała wtemperaturze pokojowej maksimum energii wypromieniowują właśnie w podczerwieni.

4. Podać definicję współczynnika przewodnictwa cieplnego

Charakteryzuje zdolność ciała do przewodzenia ciepła i jest liczbowo równy ilości ciepła przepływającego w ciągu 1 s przez płytkę danego materiału o powierzchni 1m² i grubości 1 m pod wpływem różnych temperatur po obu stronach próbki.

5. Omówić zasadę działania termopary

Składa się z pary (dwóch) różnych metali zwykle w postaci przewodów, spojonych na dwóch końcach. Jedno złącze umieszczane jest w miejscu pomiaru, podczas gdy drugie utrzymywane jest w stałej temperaturze odniesienia. Pod wpływem różnicy temperatury między miejscami złączy (pomiarowego i "odniesienia") powstaje różnica potencjałów (siła elektromotoryczna), zwana w tym przypadku siłą termoelektryczną, proporcjonalna do różnicy tych temperatur.

Spoina pomiarowa może znajdować się w obudowie o dużym przewodnictwie cieplnym. Instaluje się ją w miejscu pomiaru temperatury. Złącze odniesienia może być umieszczane w ściśle określonej temperaturze odniesienia, np. topniejącym lodzie. Złącze to może nie być złączem bezpośrednim, a zamknięcie obwodu odbywa się poprzez zaciski miernika.

6. Objaśnić sposób wyznaczania współczynnika przewodnictwa cieplnego dla złych przewodników oraz wyprowadzić wzór z którego w tym ćwiczeniu współczynnik obliczamy

?????????

Ćw.11 Wyznaczanie równoważnika elektrochemicznego wodoru i miedzi

1. Omówić zjawiska dysocjacji elektrolitycznej (podać przykłady) i elektrolizy.

2. Podać prawo elektrolizy Faradaya.

3. Podać definicje, jednostki i sens fizyczny równoważnika elektrochemicznego i stałej Faradaya.

4. Omówić teorię przewodnictwa elektrolitów. Co to jest ruchliwość jonów.

5. Opisać zależność przewodnictwa elektrolitów od ich stężenia i temperatury.

6. Podać od czego zależy gęstość jonów (wyprowadzenie).

1. Omówić zjawiska dysocjacji elektrolitycznej (podać przykłady) i elektrolizy

Dysocjacja elektrolityczna – proces rozpadu cząsteczek związków chemicznych na jony pod wpływem rozpuszczalnika, np.

NaHCO₃ → Na⁺ + HCO₃⁻

Do dysocjacji są zdolne związki, w których występują wiązania jonowe lub bardzo silnie spolaryzowane kowalencyjne. Zdysocjowany roztwór związku chemicznego nazywa się elektrolitem.

Elektroliza - ogół zjawisk występujących w warunkach przepływu prądu przez celę elektrolityczną (składającą się z naczynia zawierającego roztwór elektrolitu i zanurzone w nim elektrody, podłączone do zewnętrznego obwodu. W obwodzie zewnętrznym znajduje się źródło prądu).

anoda: 2Cl^-_(c) --> Cl_2(g) + 2e^-
katoda: Cu²⁺_(c) + 2e^- --> Cu_(c)

2. Podać prawo elektrolizy Faradaya.

Prawa elektrolizy Faradaya to dwa prawa sformułowane przez Faradaya w 1834 r.:

1. Masa substancji wydzielonej podczas elektrolizy jest proporcjonalna do ładunku, który przepłynął przez elektrolit

2. Ładunek Q potrzebny do wydzielenia lub wchłonięcia masy m jest dany zależnością

gdzie:

F - stała Faradaya (w kulombach/mol)

z - ładunek jonu (bezwymiarowe)

M - masa molowa jonu (w kilogram/mol).

Inne, częściej spotykane sformułowanie drugiego prawa elektrolizy Faradaya brzmi:

Stosunek mas m₁ oraz m₂ substancji wydzielonych na elektrodach podczas przepływu jednakowych ładunków elektrycznych jest równy stosunkowi ich równoważników elektrochemicznychk₁ oraz k₂ i stosunkowi ich mas równoważnikowych R₁ oraz R₂, czyli:

3.Podać definicje, jednostki i sens fizyczny równoważnika elektrochemicznego i stałej Faradaya.

Równoważnik elektrochemiczny - masa danej substancji wydzielona na elektrodzie podczas przepływu przez elektrolizer jednego kulomba ładunku elektrycznego. W układzie SI jednostką równoważnika elektrochemicznego jest [kg/C].

Stała Faradaya – stała fizyczna, która oznacza ładunek elektryczny przypadający na jeden mol elektronów (bez znaku):

gdzie:

N_A – stała Avogadra,

e   – ładunek elektronu.

Ponieważ ładunek elementarny, więc wielkość stałej Faradaya wyrażona w kulombach na mol wynosi:

^[1]

Stała Faradaya jest wykorzystywana m.in. w wielu równaniach i prawach.

Sens fizyczny stałej Faraday’a.

Równoważniki elektrochemiczne różnych pierwiastków są wprost proporcjonalne do ich równoważników chemicznych. Innymi słowy, wydzielenie jednego gramorównoważnika jakiejkolwiek substancji wymaga zawsze tego samego ładunku elektrycznego. Wielkość tego ładunku wynosi 88500C i jest to stała Faraday’a. Równoważnik elektrochemiczny K otrzymuje się więc dzieląc równoważnik chemiczny przez F, równoważnik chemiczny równy jest zaś masie atomowej F, podzielonej przez wartościowość.

Ostatecznie:

K=M/n*F              gdzie              M.-masa molowa wydzielonej substancji

                                                    n-liczba elektronów w procesie redukcji

                                                    F-stała Faraday’a równa 88500 C mol^-1

                                                    K-masa substancji wydzielonej przez 1 s elektryczność

K=q/C=q*C^-1

Badania procesu elektrolizy wykazały bowiem, że na wydzielenie 1 mola równoważników pierwiastka potrzeba  88500 C.

4. Omówić teorię przewodnictwa elektrolitów. Co to jest ruchliwość jonów.

Omówić teorię przewodnictwa elektrolitów

???????

Ruchliwość jonu, ruchliwość elektrolityczna jonu, U, współczynnik proporcjonalności pomiędzy szybkością przemieszczania się jonu w roztworze (v) a natężeniem pola elektrycznego (E) powodującego ruch tego jonu: v=UE.

Jednostką ruchliwości jonu w układzie SI jest [m²V^-1s^-1]. Dużą ruchliwością odznaczają się jony w roztworach nieskończenie rozcieńczonych, stopionych solach i tlenkach.

Ruchliwość jonu decyduje o przewodnictwie molowym roztworów.

5. Opisać zależność przewodnictwa elektrolitów od ich stężenia i temperatury.

Konduktancja elektrolitów zależy od stopnia dysocjacji, stężenia roztworu i lepkości. Ze wzrostem temperatury rośnie stopień dysocjacji, natomiast maleje lepkość /zwiększa się ruchliwość jonów/. Tak więc ze wzrostem temperatury rośnie konduktancja elektrolitów.

Zależność konduktancji od stężenia, jest bardziej złożona. Dla mocnych elektrolitów (α = 1) nieznacznie zmniejsza się ze stężeniem, natomiast dla elektrolitów słabych konduktywność silnie maleje ze stężeniem roztworu.

6. Podać od czego zależy gęstość jonów (wyprowadzenie)

?????????