Ćwiczenie nr 25

Wyznaczanie ciepła topnienia lodu

1. Cel ćwiczenia

Wyznaczanie ciepła topnienia lodu.

2. Wprowadzenie

Aby zwiększyć o Δt temperaturę ciała o masie m należy dostarczyć ciepło Q:

(25.1)

gdzie: c oznacza ciepło właściwe, zmiana temperatury Δt=ΔT jest taka sama w przypadku gdy wyrazimy ją w stopniach Celsjusza lub Kelvina, m - masa ciała,

U podstaw kalorymetrii leży założenie spełnienia zasady zachowania energii. Przyjmujemy, że ilość ciepła Q₁ oddana przez badane ciało jest równa ilości ciepła Q₂ pobranej przez otoczenie Q₁ = Q₂.Również zakładamy, że ilości ciepła potrzebne do uzyskania określonej zmiany temperatury Δt są inne dla różnych ciał.

Ciepłem właściwym nazywamy ilość ciepła Q potrzebną do ogrzania (oziębienia) jednostki masy m = 1 kg danego ciała o jeden stopień:

(25.2)

gdzie: deg oznacza temperaturę w stopniach Celsjusza lub Kelvina

Pojemnością cieplną danego ciała nazywamy ilość ciepła potrzebną do ogrzania całej masy ciała m o jeden stopień:

(25.3)

Ciepło dostarczone do układu termodynamicznego oprócz podgrzania ciała może posłużyć do zmiany jego stanu skupienia.

Ilość ciepła Q potrzebną do zamiany ciała stałego o masie m w ciecz o tej samej temperaturze wynosi:

(25.4)

Gdzie:

L -ciepło parowania.

Ciepłem topnienia L nazywamy ilość ciepła, jaką należy dostarczyć ciału stałemu o jednostkowej masie m=1kg, aby je stopić bez zmiany temperatury:

(25.5)

Proces krzepnięcia (zamarzania) przebiega w odwrotnym kierunku. Zgodnie z regułami bilansu ciepłego ciepło krzepnięcia jest dokładnie równe ciepłu topnienia. Aby wyznaczyć ciepło topnienia lodu do kalorymetru (kubek termiczny) o masie m_k i cieple właściwym c_k wlewamy wodę o masie m_w i temperaturze t₁.Następnie do kalorymetru wrzucamy kostki lodu uprzednio wyjęte z lodówki i osuszone na bibule przez kilka minut. Kontakt z bibułą spowoduje osuszenie lodu jak i podniesienie temperatury lodu do t₃= 0^oC.

Korzystając z równań bilansu cieplnego obliczamy ciepło Q₁ pobrane przez lód i wodę ze stopionego lodu:

(25.6)

gdzie: m_l masa lodu ,t₂-temperatura końcowa układu.

Ciepło oddane przez kalorymetr i wodę Q₂ wynosi:

(25.7)

Zakładając brak strat cieplnych Q₁= Q₂ otrzymujemy wyrażenie na ciepło topnienia L:

(25.8)

Jeżeli uprzednio wyznaczono równoważnik wodny kalorymetru W można zapisać:

(25.9)

We wszystkich wyprowadzonych wzorach zmiana temperatury w stopniach Celsjusza jest taka sama jak zmiana wyrażona w Kelvina ΔT czyli Δt = ΔT i nie ma potrzeby zamiany temperatur ze skali Celsjusza na temperaturę bezwzględną T.

3. Opis stanowiska laboratoryjnego

Kalorymetr (kubek termiczny),termometr elektroniczny, mieszadełko, elektroniczna waga laboratoryjna lub kuchenna, woda destylowana, pojemnik na wodę, elektryczny czajnik do podgrzewania wody, lód w kostkach, bibuła lub papierowy ręcznik kuchenny do osuszania lodu.

4. Program ćwiczenia

1. Zważyć pusty kalorymetr wraz z termometrem i mieszadełkiem- masa m_k.

2. Nalać podgrzanej wody do kalorymetru. Wyznaczyć temperaturę wody t₁

3. Zważyć ponownie kalorymetr wraz z termometrem i mieszadełkiem masa m₁, aby ustalić masę wody m_w:

.

4. Umieścić osuszony lód w kalorymetrze z wodą. Zamknąć naczynie pokrywką, przez którą przełożyć termometr i mieszadełko.

5. Ustalić końcową temperaturę t₃ po stopieniu lodu.

6. Zważyć ponownie kalorymetr z termometrem i mieszadełkiem-masa m₂, aby ustalić masę lodu m_l:

7. Ustalić i zapisać niepewności pomiarów bezpośrednich masy i temperatury.

8. Jeżeli zmierzono temperaturę lodu i okazała się ona niższa od 0⁰C uzupełnić równania bilansu cieplnego pamiętając, że ciepło właściwe lodu jest o połowę mniejsze niż ciepło właściwe wody.

5. Sprawozdanie

1. Obliczyć wartość ciepła topnienia lodu L.

2. Znaleźć w tablicach wartość ciepła topnienia lodu i obliczyć względną różnicę

tablicowych L_lit i mierzonych L_doś wartości:

(25.10)

3. Dyskusja wyników i wnioski.

6. Pytania kontrolne

1. Wzór na ciepło pobrane lub oddane.

2. Ciepło właściwe, ciepło molowe, pojemność cieplna.

3. Zasady układania bilansu ciepłego.

4. Sposoby przenoszenia ciepła.

5. Przemiany fazowe i ciepła przemian.

157

---