Politechnika Katedra

Częstochowska Fizyki

Temat:

Wyznaczanie ciepła

topnienia lodu

Rafał Wyporski

Marcin Ziętal

Wydział Budowy Maszyn

Kierunek Informatyka

grupa VI

Badanie ciepła topnienia lodu.

I . Zagadnienia teoretyczne :

1. Podstawowe założenia teorii kinetyczno - molekularnej .

1. Ciała mają budowę nieciągłą .Składają się z drobnych elementów w postaci atomów lub cząsteczek.

Obrazem mikroskopowym tłumaczącym większość zjawisk cieplnych i dających zgodność z wynikami pomiarów wielkości makroskopowych jest molekularna teoria budowy materii . Mianem materii określamy zwykle otaczające nas ciała stałe ,ciekłe i gazowe .Jest ona zbudowana z atomów ,które łącząc się ze sobą tworzą cząsteczki pierwiastków i związków chemicznych . Wzajemne związanie poszczególnych atomów w cząsteczce jest wynikiem oddziaływania szczególnych sił oddziaływania pochodzenia elektrycznego zwanych siłami wymiany .

2. Wymienione elementy budowy ciał są w ciągłym ruchu. Wartości liczbowe i kierunki prędkości poszczególnych elementów są różne.

Ciała stałe wykazują bardzo małą ściśliwość ,cząsteczki są w nich umieszczone bardzo blisko siebie i wskutek oddziaływania znacznych sił międzycząsteczkowych ściśle ze sobą związane bez możliwości swobodnego poruszania się . Cechą charakterystyczną ruchu cząsteczek jest jego nieustanne trwanie i całkowita bezładność objawiająca się wykonywaniem drgań we wszystkich kierunkach .Średnia energia kinetyczna jest tym wyższa im wyższa jest temperatura bezwzględna ciała . Potwierdzeniem ruchu cieplnego cząsteczek cieczy jest zjawisko Browna.

Odległości miedzy cząsteczkami gazu są tak duże ,że siły przyciągania międzycząsteczkowego praktycznie nie występują , a ruch cieplny tych cząsteczek staje się ruchem postępowym , przy czym cząsteczki zderzają się wzajemnie i rozbiegają w różnych kierunkach zajmując całą dysponowaną objętość.

c) Pomiędzy poszczególnymi elementami budowy ciał występują siły wzajemnego oddziaływania.

Spoiwem wiążącym ze sobą cząsteczki , z których jest zbudowana materia korpuskularna są siły międzycząsteczkowe . Siły oddziaływania międzycząsteczkowego występują w dwóch postaciach jako siły przyciągania Fp i odpychania Fo ,przy czym zarówno jedne jak i drugie gwałtownie maleją ze wzrostem odległości między cząsteczkami .Wartość energii wiązania jest przede wszystkim zależna od stanu skupienia materii .

Wynikiem oddziaływania sił międzycząsteczkowych oraz ruchu cząsteczek jest np. zjawisko dyfuzji . Jest to samorzutne wyrównywanie się stężeń składników w układzie wieloskładnikowym, wywołane bezładnym ruchem cieplnym cząstek (cząsteczek, jonów, atomów).Powoduje m.in. mieszanie się stykających się ze sobą różnych gazów, cieczy i ciał stałych.

II. Zjawisko topnienia na podstawie teorii kinetyczno molekularnej.

Topnienie jest to przejście substancji ze stanu stałego w stan ciekły zachodzące w określonej stałej temperaturze (zależnej od ciśnienia), zw. temperaturą topnienia .

W miarę wzrostu temperatury ciała stałego wzrasta jego energia a więc amplituda ruchu drgającego cząsteczek . Po osiągnięciu temperatury topnienia odległości między cząsteczkami ciała stałego wzrastają znacznie , a działające między nimi siły tak słabną ,że następuje zburzenie sieci przestrzennej i staje się możliwa wzajemna zmiana położenia cząsteczek w wyniku czego otrzymujemy materię w stanie ciekłym. Proces topnienia polegający na zwiększeniu odległości między cząsteczkami wiąże się z koniecznością wykonania pracy przeciwko siłom wzajemnego przyciągania cząsteczek kosztem dostarczonej z zewnątrz energii cieplnej .

III. Mechanizmy przekazywania ciepła .

1> Przewodnictwo cieplne

Jest to proces przepływu ciepła w ośrodkach ciągłych, wywołany różnicą temperatury. Przebiega od obszaru o temperaturze wyższej do obszaru o temperaturze niższej. Polega na wzajemnym przekazywaniu energii bezładnego ruchu przez cząsteczki ośrodka podczas ich zderzeń .Wielkością charakteryzującą przewodnictwo cieplne ciał jest przewodność cieplna (jednostka w układzie SI - W/K).

2> Konwekcja

Jest to ruch makroskopowych obszarów płynu (cieczy lub gazu) pod wpływem różnicy gęstości zwykle wywołanej niejednorodnością temperatury płynu . W wyniku konwekcji następuje szybkie mieszanie się płynu, co prowadzi do wyrównywania się jego składu chemicznego i właściwości fizycznych. Konwekcja termiczna powoduje przenoszenie ciepła (wraz z płynem) z obszarów o temperaturze wyższej do obszarów o temperaturze niższej

3> Promieniowanie

Jest to proces przenoszenia energii przez fale lub strumień cząstek. Promieniowanie korpuskularne to takie , które jest emitowane przez jądra atomowe podczas ich rozpadu promieniotwórczego.

IV Bilans cieplny jako zasada zachowania energii.

W zamkniętym układzie ciał czyli takim ,w którym ciała nie wymieniają ciepła z otoczeniem i w którym nie zachodzi jego zamiana na inne rodzaje energii, łączna ilość ciepła jest wielkością stałą, czyli suma ilości ciepła oddanego przez jedne ciała jest równa sumie ilości ciepła pobranego przez inne ciała tego układu.

Q_odd = Q`_pob

Q_odd - Ciepło oddane

Q_pob - Ciepło pobrane

Kalorymetryczna metoda wyznaczania ciepła topnienia lodu .

Przebieg ćwiczenia :

1. Wyznaczyć masę kalorymetru (suchego) z mieszadełkiem M_k.

2. Napełnić wodą kalorymetr do połowy i wyznaczyć masę M₂.

3. Masę wody w kalorymetrze wyznaczyć ze wzoru :

M_w = M₂ - M_k

4. Zmierzyć temperaturę wody i kalorymetru T₁

5. Do kalorymetru wrzucać kawałki osuszonego lodu i mieszając odczytywać najniższą ustaloną temperaturę T₂ - jaką otrzymamy po całkowitym stopnieniu lodu.

6. Zważyć kalorymetr wraz z zawartością M₃ i obliczyć masę wody powstałej ze stopionego lodu. Pomiar powtórzyć dwa razy.

M_L = M₃ - M₂

7. Otrzymane wyniki umieścić w tabeli :

Mk	Ck	Mw	Cw	ML	T1	T2	L	Lśr
	J		J				J	J
kg	kg deg	kg	kg deg	kg	K	K	kg	kg

W przeprowadzanym ćwiczeniu mamy dwa układy ciał. Pierwszy stanowi kalorymetr z wodą a drugi lód. Układ pierwszy stanowi tzw. Źródło ciepła natomiast drugi układ jest jego odbiornikiem. Ciepło oddane przez wodę i kalorymetr powoduje obniżenie ich temperatury. Ciepło pobrane przez lód powoduje jego topnienie bez zmiany temperatury ,a następnie ogrzanie powstałej z niego wody.

Równanie bilansu cieplnego :

Q_odd = Q_pob

Q_odd= Q₁ + Q₂

Q₁= M_w C_w (T₁ - T₂)

Q₂ = M_k C_k (T₁ - T₂)

Q_odd = (M_w C_w + M_k C_k)(T₁ - T₂)

Q_pob = Q₃ + Q₄

Q₃ = M_L L

Q₄ = M_L C_w (T₂ - 273K)

Q_pob = M_L L + M_L C_w (T₂ - 273K)

(M_w C_w + M_k C_k)(T₁ - T₂) = M_L L + M_L C_w (T₂ - 273K)

Stąd ciepło topnienia lodu wynosi

( C_w M_w + M_k C_k) (T₁ - T₂)

L= - C_w (T₂ - 273K)

M_L

Q_odd=Q₁ + Q₂ - ciepło oddawane przez wodę (Q₁) i kalorymetr (Q₂)

Qpob=Q3 + Q4 - ciepło pobrane przez lód na topnienie (Q3) i na ogrzanie się wody powstałej z lodu (Q4)

Definicja ciepła topnienia lodu:

Stosunek ilości ciepła , pobranego z (oddanego do) otoczenia podczas topnienia (krzepnięcia) bez zmiany temperatury pewnej ilości określonej substancji , do jej masy , nazywamy ciepłem topnienia (krzepnięcia) tej substancji . Ciepło topnienia i ciepło krzepnięcia są dla tej samej substancji są jednakowe.

Q

L = [ J / kg ]

m

---