POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

KATEDRA FIZYKI

ĆWICZENIE NR 10

Temat ćwiczenia : Wyznaczanie ciepła topnienia lodu

Wyznaczanie ciepła topnienia lodu

Woda jest ciałem, które w przyrodzie przyjmuje 3 różne stany skupienia: gazowy, ciekły lub stały. Przejścia między tymi stanami charakteryzują się zmianami energii wewnętrznej a procesy nazywają się parowaniem, topnieniem, krzepnięciem. Ćwiczenie polegało na dokładnym zbadaniu procesu topnienia lodu oraz określeniu ilości energii potrzebnej do zajścia topnienia. W tym celu posłużyliśmy się kalorymetrem,

w którym znajdowała sie określona ilość ciepłej wody, do której wrzucaliśmy kawałki lodu, których masę wyznaczyliśmy na podstawie zmian masy napełnionego kalorymetru. Lód najpierw się ogrzewał do temperatury 273K odbierając ciepło z wody i kalorymetru, następnie pobierał nadal energię, lecz jego temperatura nie zmieniała sie aż do momentu stopienia, po którym otrzymana woda ogrzała się dalej do temperatury końcowej. Ilość energii jaką pobrałby lód o masie 1kg w temperaturze 273K aby przejść ze stanu stałego do ciekłego nazywamy ciepłem topnienia. Między poszczególnymi procesami zmierzono temperaturę i na podtsawie jej wartości określono dokładnie ilość przekazywanego ciepła na podstawie bilansu cieplnego.

Zakładając, że układ pomiarowy był bezstratny możemy napisać ogólne równanie bilansu cieplnego:

ΔQ_KALORYMETRU+ΔQ_WODY=ΔQ_LODU+Q_TOPNIENIA+ΔQ_{WODY Z LODU}

ponieważ temperatura lodu zbliżona była do zera można przyjąć, że ΔQ_LODU=0, więc:

ΔQ_KALORYMETRU+ΔQ_WODY=Q_TOPNIENIA+ΔQ_{WODY Z LODU}

następnie rozpisując otrzymamy wzory:

(T₁-T₂)(C_Km_K+C_Wm_W)=Lm_L+(T₂-273K)C_Wm_L

Lm_L=(T₁-T₂)(C_Km_K+C_Wm_W)-(T₂-273K)C_Wm_L

L=(T₁-T₂)(C_Km_K+C_Wm_W)/m_L-(T₂-273K)C_W

T₁ - temperatura wody w kalorymetrze przed wrzuceniem lodu

T₂ - najniższa temperatura uzyskana po wrzuceniu lodu

m_L - masa lodu

m_K - masa kalorymetru

m_W - masa wody

C_K - ciepło właściwe kalorymetru

C_W - ciepło właściwe wody

L - ciepło topnienia lodu [J/kg]

Wartości pomiarów wpisywane były do tabeli:

mK [g]	mW [g]	mL [g]	T1 [K]	T2 [K]	CW [J/kgxdeg]	CK [J/kgxdeg]	L [kJ/kg]
77,5	203	40,8	290	276	4187	922	304,3
77,5	180	52	295	278	4187	922	305,5

Otrzymane wyniki są zbliżone bardzo do wartości podawanych w tabelach, więc można je uznać za poprawne. Obie wartości ciepła topnienia są nieco mniejsze, gdyż oprócz niedokładności pomiarów pojawiło się dodatkowe źródło ciepła w postaci powietrza docierającego przez otwory w pokrywie kalorymetru.

Podczas ćwiczenia użyto następujących przyrządów: wagi szalkowej, termometru laboratoryjnego, kalorymetru. Lód o temperaturze około 0^OC otrzymano poprzez zamrożenie wody w lodówce. Podczas pomiarów przyjęto maksymalne błędy przy odczycie:

Δm_W=0,0001 [kg}, Δm_K=0,0001 [kg}, Δm_L=0,0001 [kg}, Δt₁=0,5 [^OC], Δt₂=0,5 [^OC]

Błąd obliczony metodą różniczki zupełnej wynosi dla dwu pomiarów:

ΔL=[(T₁-T₂)*C_W]*0,0001+[(T₁-T₂)*C_K]*0,0001-[(T₁-T₂)(C_Km_K+m_WC_W)/m_L²]*0,0001

+(C_Km_K+m_WC_W)*0,5+[-(C_Km_K+m_WC_W)-C_W]*0,5

ΔL=14*4187*0,0001+14*922*0,0001-[14*(922*0,0775+4187*0,203)/0,00166]*0,0001

+(922*0,0775+4187*0,203)*0,5-(922*0,0775+4187*0,203+4187)*0,5=770 [J/kg]

Obliczony błąd dla pierwszego pomiaru jest niewielki i w przybliżeniu procentowo wynosi 0,25%