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:
ΔQKALORYMETRU+ΔQWODY=ΔQLODU+QTOPNIENIA+ΔQWODY Z LODU
ponieważ temperatura lodu zbliżona była do zera można przyjąć, że ΔQLODU=0, więc:
ΔQKALORYMETRU+ΔQWODY=QTOPNIENIA+ΔQWODY Z LODU
następnie rozpisując otrzymamy wzory:
(T1-T2)(CKmK+CWmW)=LmL+(T2-273K)CWmL
LmL=(T1-T2)(CKmK+CWmW)-(T2-273K)CWmL
L=(T1-T2)(CKmK+CWmW)/mL-(T2-273K)CW
T1 - temperatura wody w kalorymetrze przed wrzuceniem lodu
T2 - najniższa temperatura uzyskana po wrzuceniu lodu
mL - masa lodu
mK - masa kalorymetru
mW - masa wody
CK - ciepło właściwe kalorymetru
CW - 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 0OC otrzymano poprzez zamrożenie wody w lodówce. Podczas pomiarów przyjęto maksymalne błędy przy odczycie:
ΔmW=0,0001 [kg}, ΔmK=0,0001 [kg}, ΔmL=0,0001 [kg}, Δt1=0,5 [OC], Δt2=0,5 [OC]
Błąd obliczony metodą różniczki zupełnej wynosi dla dwu pomiarów:
ΔL=[(T1-T2)*CW]*0,0001+[(T1-T2)*CK]*0,0001-[(T1-T2)(CKmK+mWCW)/mL2]*0,0001
+(CKmK+mWCW)*0,5+[-(CKmK+mWCW)-CW]*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%