Anomalna rozszerzalność wody, Studia, Pracownie, I pracownia, 29 Anomalia rozszerzalności cieplnej wody, CW29


0x08 graphic
0x08 graphic

Anomalna rozszerzalność wody

Ćwiczenie nr 29

Opis teoretyczny

Budowa wszystkich ciał makroskopowych jest cząsteczkowa, przy czym owe cząsteczki są w ciągłym ruchu i oddziaływają między sobą pewnymi siłami. Siły oddziaływania międzyatomowego są odpowiedzialne za powstawanie cząsteczek. Siły oddziaływania miedzy cząsteczkami prowadzą do tworzenia się struktur wielomolekularnych, w szczególności do powstania ciał stałych i cieczy. Zbliżanie do siebie atomów powoduje pojawienie się sił przyciągających, które najpierw wzrastają w miarę zmniejszania odległości miedzy jądrami atomów, a potem zmniejszają się aż w końcu przechodzą w siły odpychające. Gdy siła oddziaływania jest zerowa dla pewnej odległości r oraz energia potencjalna osiąga minimalną wartość cząstka jest w stanie równowagi trwałej. Ową odległość r nazywamy długością wiązania atomowego. Ze względu na strukturę wiązań możemy wyróżnić wiązania jonowe (powstają w wyniku przyciągania się elektrostatycznego) oraz kowalencyjne (powstaje dzięki 2 elektronom - po jednym z każdego atomu - ale jako para należą jednocześnie do jednego jak i drugiego atomu).

W przypadku cząsteczki wody atomy wodoru połączone są z atomem tlenu wiązaniem kowalencyjnym. W cząsteczce wody ładunek ujemny jest przesunięty w kierunku atomu tlenu (większa zdolność przyciągania elektronów przez atomy tlenu), a co za tym idzie - ładunek dodatni jest przesunięty w kierunku atomów wodoru. W rezultacie cząsteczka wody ma charakter dipolowy (o określonym momencie dipolowym).

W cieczach odległości między cząsteczkami są porównywalne z ich wymiarami, dlatego ważne są też oddziaływania między cząsteczkowe. W wodzie występują tzw. siły van der Wallsa. Są to siły międzycząsteczkowe w krysztale, mające tę samą naturę co siły przyciągania się cząsteczek w gazach.

W przypadku wody, elektrycznie spolaryzowane cząsteczki łączą się z sąsiednimi cząsteczkami wiązaniami wodorowymi (słabe wiązanie tworzące mostek wodorowy). Przyjmuje się, że struktura wody ma charakter kwazikrystaliczny (zmienny w czasie), o uporządkowaniu bliskim względem najbliższych sąsiadów. Woda zawiera cząsteczki swobodne, ale również grupy cząsteczek powiązanych ze sobą wiązaniami wodorowymi. Te właśnie wiązania wodorowe są odpowiedzialne za oddziaływania cząsteczek i za szczególne właściwości wody i lodu. Większość cieczy zwiększa swoją objętość wraz ze wzrostem temperatury. Woda jest jednak wyjątkiem. Powyżej 40x01 graphic
zachowuje się „normalnie” jednak w zakresie temperatur od 00x01 graphic
do 40x01 graphic
kurczy się aby w temperaturze 40x01 graphic
mieć najmniejszą objętość (największą gęstość). Wynika z tego, że obniżając temperaturę woda rozszerza się. Jest to skutkiem asocjacji (łączenia się) cząsteczek wody, w wyniku czego w temperaturze 00x01 graphic
tworzy się heksagonalna struktura lodu z dużymi otwartymi przestrzeniami między ściankami kryształu. Konsekwencją takich procesów jest zwiększenie objętości wody o około 10%. W czasie topnienia wiązania wodorowe pękają a kryształki przechodzą w stan ciekłej wody.

OPIS DOŚWIADCZENIA

Aby wykonać nasze doświadczenie posłużyliśmy się aparaturą przedstawianą na poniższym rysunku.

0x01 graphic

Na początku sporządziliśmy mieszaninę chłodzącą z 450g rozdrobnionego lodu oraz z 40g soli. Naczyńko z wodą destylowaną umieściliśmy w mieszaninie chłodzącej, a następnie położyliśmy na mieszadle magnetycznym.

Gdy temperatura wody w naczyńku osiągnęła 11°C rozpoczęliśmy pomiar zależności wysokości słupa wody w kapilarze od temperatury. Doświadczenie przeprowadzaliśmy dopóty woda destylowana nie osiągnęła 0°C. Wyniki pomiarowe znajdują się na pierwszej stronie oraz na Rysunku 1 (ochładzanie) i Rysunku 2 (ogrzewanie).

Jak widać z Rysunku 1 objętość wody malała podczas ochładzania. Jednakże tylko do temperatury 4°C, po której następował wzrost objętości do temperatury 0°C. W przypadku ogrzewania było odwrotnie, tzn. Przy ogrzewaniu do 4°C objętość malała, a następnie zaczęła rosnąć. Wyniki naszych badań sugerują, iż charakter zmiany objętości przy 4°C jest paraboliczny.

Maksymalny przyrost wysokości słupa wody w doświadczeniu wniósł 30 milimetrów dla temperatury 110x01 graphic
- przy czym 0 milimetrów przyjmujemy dla 40x01 graphic
. Wysokość słupa wody dla 00x01 graphic
wyniosła 12 milimetrów.

0x08 graphic
Aby obliczyć maksymalną gęstość skorzystamy z danych tablicowych. Otóż gęstość wody dla temperatury 10°C wynosi δ=0,9997*103 [kg*m-3]. Masa wody jest stała.

0x08 graphic
0x08 graphic
Czyli:

Średnica

0,0017[m]

V1

0,000000635544193821

V2

0,000000567450173055

δ1

0,9997[kg*m-3]

δ2

1,119664

Przyjąłem, że wysokość kapilarki w temperaturze 10°C jest równa 0,25m+0,03m, natomiast w temperaturze 4°C (największa gęstość była w momencie najmniejszej osiągniętej objętości - czyli w temperaturze 40x01 graphic
). jest równa 0,25m

Wnioski

Doświadczenie to wykazuje anomalną rozszerzalność wody. Jest to dowód na to, iż woda zachowuje się inaczej niż wszystkie inne ciecze, że dla temperatur od 0°C do 4°C cząsteczki wody zaczynają się łączyć, w wynik czego w temperaturze 0°C tworzy się heksagonalna struktura lodu z dużymi otwartymi przestrzeniami między ściankami kryształu.

Jest to bardzo ważny fakt dla życia organicznego w wodzie w czasie zimy. Podczas ochładzania, zgodnie z prawem Archimedesa, woda o temperaturze 4°C opada na dno zbiornika wodnego, krzepnięcie wody rozpoczyna się od powierzchni. Lód, który ma gęstość mniejszą niż woda utrzymuje się na powierzchni.

Analiza błędów

Dokładność pomiaru temperatury wynosi 0,1°C. Odczyt temperatury wydaje mi się, iż był prawidłowy, ponieważ temperatura wody w całym naczyńku była równomierna (dzięki mieszadełku).

Natomiast dokładność pomiaru wysokości słupa w kapilarze wynosi 1mm.

7

7.01.2000

dr T. Biernat

Marcin Grześczyk

I rok „bis” - Fizyka

0x01 graphic

0x01 graphic

0x01 graphic



Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
SPR29, Studia, Pracownie, I pracownia, 29 Anomalia rozszerzalności cieplnej wody, 29.1
25, Studia, Pracownie, I pracownia, 25 Wyznaczanie współczynnika rozszerzalności cieplnej metali za
Numer pomiaru, Studia, Pracownie, I pracownia, 28 Wyznaczanie współczynnika rozszeżalności liniowej
cw25, Studia, Pracownie, I pracownia, 25 Wyznaczanie współczynnika rozszerzalności cieplnej metali z
ROZSZERZALNOŚĆ TEMPERATUROWA, Studia, Pracownie, I pracownia
28 - NAPISAĆ, Studia, Pracownie, I pracownia, 28 Wyznaczanie współczynnika rozszeżalności liniowej d
Badanie wahadła skrętnego, Studia, Pracownie, I pracownia, 7 Badanie drgań wahadła skrętnego {torsyj
24 - oddane 21.04.2010, Studia, Pracownie, I pracownia, 24 Wyznaczenie mechanicznego równoważnika ci
Wstęp 59, Studia, Pracownie, I pracownia, 59 Rezonans elektromagnetyczny, Waldek
m5 NP, Studia, Pracownie, I pracownia
OSCYLOSK, Studia, Pracownie, I pracownia, 51 Pomiary oscyloskopowe, Ludwikowski
Wstęp teoretyczny 32, Studia, Pracownie, I pracownia
Sprawozdanie M7w, Studia, Pracownie, I pracownia
76, Studia, Pracownie, I pracownia, 76 Rozpady promieniotwórcze
teor 76, Studia, Pracownie, I pracownia
ZAGADN1, Studia, Pracownie, I pracownia, 1 Dokładność pomiaru długości, Marek
cw30, Studia, Pracownie, I pracownia, 30 Wyznaczanie względnej gęstości cieczy i ciał stałych, Ludwi
Sprawozdanie 49, Studia, Pracownie, I pracownia, 49 Charakterystyka tranzystora, Waldek

więcej podobnych podstron