XII OLIMPIADA FIZYCZNA (1962/1963). Stopień I, zadanie doświadczalne D

Transkrypt

1 XII OLIMPIADA FIZYCZNA (96/96. Stopień I, zadanie doświadzalne D Źródło: Nazwa zadania: Działy: Słowa kluzowe: Komitet Główny Olimpiady Fizyznej; Czeław Śiłowki: Fizyka w Szkole nr, 96 r.; Piotr Halfter: Olimpiady Fizyzne XI i XII, PZWS, Warzawa 966. Wyznazanie iepła właśiwego denaturatu. Termodynamika Ciepło właśiwe, bilan ieplny, temperatura, maa, równoważnik ieplny, parowanie, zybkość otygania, wzór Newtona, prąd elektryzny, woda, denaturat, termometr, kalorymetr, waga, grzałka, termo, opiłki. Zadanie doświadzalne D, zawody I topnia, XII OF. Wyznaz iepło właśiwe pirytuu denaturowanego. Podaj opi i wynik doświadzenia. Rozwiązanie Zawodniy toowali różne metody. Niektórzy powtarzali pomiary toują jedną i tę amą metodę. Inni zaś przeprowadzali doświadzenia używają różnyh dotępnyh przyrządów i toują różne pooby. Metody rozwiązania I. Zamiat kalorymetru używany był termo o zerokim wyloie. W korku zamykająym termo były wykonane otwory dla termometru, miezadła i grzałki elektryznej. Grzałka była połązona z autotranformatorem zailanym z iei miejkiej. Dzięki obniżeniu napięia unika ię zbyt zybkiego ogrzewania. Pojemność termou (około litra umożliwiała umiezzenie w nim znaznej may iezy (kilkaet gramów. Zawodnik wyznazał najpierw równoważnik ieplny termou. W tym elu ogrzewał w iągu tego amego zau kolejno m g wody, potem m g. Ogrzewanie trwało (kilka minut. Przyroty temperatur i były ozywiśie różne, ale ilośi dotarzonego iepła były jednakowe. Wobe tego ( m + q ( m + q ( ( gdzie q jet ilośią iepła pobieraną przez śianki termou, miezadło, termometr, obudowę grzałki przy ogrzaniu o C. Ponieważ, mamy z ( i ( ( m + q ( m + q q m m ( Natępnie zawodnik ogrzewa m g pirytuu. Przyrot temperatury wynoi. Cza ogrzewania minut. Ilość iepła dotarzonego wynoi ( (4 m + q Opra. IF US, 007, red. T.M.Molenda - /5 -

2 Napięie źródła zailająego grzałkę było to amo. Wobe tego ilośi iepła dotarzonego przez nią ą proporjonalne do zau ogrzewania. To znazy, że (5 Podtawiają ( i (4 do (5 mamy ( m + q (6 ( m + q Dalze oblizenia byłyby uprozzone, gdyby przy ogrzewaniu pirytuu udało ię uzykać przyrot temperatury. Z (6 otrzymujemy m m + q q m + ( q m m m + ( q Podtawiają do tego wyrażenia oblizoną poprzednio z ( wartość q znajdujemy iepło właśiwe pirytuu denaturowanego. Przyroty temperatur przy ogrzewaniu zarówno wody jak i pirytuu wynoiły kilka topni. Wobe tego, intenywnego parowania nie było. Najwiękzy błąd popełnia ię niewątpliwie przy odzytywaniu temperatur zwłazza końowyh (po ogrzaniu. Wyznazanie równoważnika ieplnego termou wraz ze znajdująymi ię w nim przedmiotami zawze jet obarzone błędami, któryh nie poób uniknąć. Należałoby przeprowadzić erię pomiarów i oblizyć wartość średnią równoważnika. II. Jeden z zawodników poługiwał ię kalorymetrem aluminiowym i naftą. Ważył kalorymetr m k i naftę w kalorymetrze m n 00 g, mierzył temperaturę t. Natępnie ogrzewał pirytu do t 55 C w poób niewkazany, bo w kolbie nad palnikiem (niedopuzzalne. Nazynie ze pirytuem można ogrzewać umiezzają je w garnku z iepłą wodą. Drugi błąd popełnił zawodnik wyznazają maę pirytuu przed ogrzaniem. Można było wlać pirytu do kalorymetru z naftą i po odzytaniu temperatury miezaniny t zważyć ponownie kalorymetr z naftą i pirytuem. W ten poób maa pirytuu m byłaby wyznazona dokładniej. Ciepło właśiwe aluminium i nafty podane jet w tabliah. Bilan ieplny przedtawia ię jak natępuje m t t m ( t t ( t ( k k n n t ( m k k m ( t n ( t t Zawodnik nie uwzględnia iepła pobranego przez termometr i przez miezadło, którego may nie wyznaza. Maa pirytuu wyznazona była niedokładnie. Błędami obarzone ą wyniki ważenia i odzytane temperatury. Zawodnik nie wkazał z jaką dokładnośią mógł odzytywać temperatury i z jaką dokładnośią wyznazał may iał. Zawodnik ogranizył ię do wykonania jednego tylko doświadzenia. III. Zawodnik poługuje ię opiłkami miękkiej tali, kalorymetrem moiężnym i miezadłem moiężnym. Wyznaza maę m kalorymetru wraz z miezadłem. Wyznaza maę m pirytuu ważą go w kalorymetrze i odejmują maę kalorymetru. Odzytują temperaturę pirytuu i kalorymetru t (pokojowa. n t Opra. IF US, 007, red. T.M.Molenda - /5 -

3 Wyznaza maę m opiłek tali i ogrzewa je w nazyniu zanurzonym we wrząej wodzie. Odzytuje temperaturę t (około 00 C. Po wrzueniu opiłek do pirytuu odzytuje wkazanie termometru t. Przyrot temperatury pirytuu t t wynoi około 5 C. Bilan iepła m t t ( m ( t ( t z tego równania wyznaza. Wartość iepła właśiwego moiądzu i tali podane ą w tabliah. Suma ma pirytuu i kalorymetru była znaznie więkza od may opiłek o prawiło, że przyrot temperatury pirytuu wynoił około 5 C. Drobne opiłki rozprozone przy wpadaniu do pirytuu mogły jednak powodować znazniejze parowanie. Najwiękzy błąd popełnia ię przy utalaniu temperatury ogrzanyh opiłek w hwili wrzuenia ih do iezy. Popełnia ię błędy jak zwykle przy wyznazaniu ma i odzytywaniu temperatury. IV. Próby wyznazania iepła właśiwego pirytuu przy pomoy pirali grzejnej (elem wyznazenia ilośi dotarzonego iepła, przy którym koniezne jet dokładne wyznazenie oporu pirali i natężenia prądu albo napięia i natężenia, nie dają zadowalająyh wyników. Przyzyna tkwi w tym, że zawodniy widoznie nie mogli uniknąć poważnyh błędów przy dokonywaniu pomiarów natężenia prądu i oporu pirali względnie napięia na zaikah pirali i natężenia prądu. W paru wypadkah za trwania ogrzewania był zbyt długi, o powodowało znazną utratę iepła. V. Niektórzy zawodniy wyznazali iepło właśiwe pirytuu denaturowanego porównują zybkość jego otygania z zybkośią otygania wody. Spoób ten jet oparty na prawie Newtona, który głoi, że iepło traone przez iało tygnąe jet proporjonalne do różniy temperatur iała i otozenia. Prawo to pełnia ię przy małyh różniah temperatur. Uzykanie na tej drodze zadowalająyh rezultatów wymaga porządzenia odpowiedniego urządzenia zapewniająego przebieg proeu otygania obu iezy w warunkah w miarę możliwośi jednakowyh. Zawodniy natomiat za bardzo uprośili obie wykonanie tego zadania. Przyrząd należałoby zbudować na przykład w poób podobny do przedtawionego na ryunku. Niewielką kolbę tożkową o pojemnośi około 00 m z dopaowanym korkiem Ry. z otworem do oadzania termometru umiezzamy w blazanym ylindryznym nazyniu (w puzze po konerwah z białej blahy. Korek przehodzi przez otwór wykonany w płyt- Opra. IF US, 007, red. T.M.Molenda - /5 -

4 e ze klejki lub pilśni o grubośi około 5 6 mm. Korek mui zzelnie zamykać otwór w płyte. Kolbka może opierać ię na korku przyklejonym do dna nazynia. Nazynie to należy umieśić w znaznie więkzym od niego innym pudle blazanym, które tanowi ołonę. Na dnie umiezzamy podtawkę drewnianą (w kztałie krzyża tak dobraną, by górne krawędzie ołony i nazynia były na jednym i tym amym poziomie. Płytka z oadzonym w niej korkiem z termometrem powinna przylegać do krawędzi ołony i nazynia. Przetrzeń pomiędzy śiankami nazynia i ołony trzeba wypełnić wodą. Celem przeiwdziałania wyporowi wody należy na płyte umieśić dotateznie iężki krążek. Woda powinna być zawzau przygotowana w jakimś dużym nazyniu, aby temperatura jej była równa temperaturze panująej w pokoju. Należy zważyć kolbę putą, natępnie ze pirytuem. Kolbę ze pirytuem ogrzewamy umiezzają ją w nazyniu z wodą do temperatury około 55 C. Po wyjęiu z wody i ouzeniu kolby zamykamy ją korkiem oadzonym zzelnie w płyte. Po kilku minutah, kiedy temperatura padnie na przykład do 50 C, umiezzamy kolbkę w nazyniu i notujemy za (najlepiej poługują ię ekundomierzem. Pouzająe jet notowanie temperatury o minutę. Pozwoli to później wykreślić krzywą obrazująą przebieg proeu. Po obniżeniu temperatury o kilkanaśie topni notujemy za i ponownie ważymy kolbę ze pirytuem. Natępnie uuwamy pirytu z kolby i wodę z ołony. Do kolby nalewamy tyle wody, by maa jej była równa maie pirytuu. Do ołony nalewamy wody o temperaturze pokojowej. Ogrzewamy wodę w kolbie i po otudzeniu do tej amej temperatury o pirytu (np. 50 C umiezzamy kolbę w nazyniu, notujemy za itd. Oznazmy maę pirytuu przez m, jego iepło właśiwe przez, maę kolby przez m, iepło właśiwe zkła, pozątkową temperaturę t, końową t, za otygania. Ciepło traone przez pirytu i zkło wynoi ( m ( t t Maa wody jet taka jak pirytuu m, iepło właśiwe, temperatura pozątkowa i końowa takie ame jak w przypadku ze pirytuem. Cza otygania. Ciepło traone przez wodę i zkło jet ( m ( t t Całkowitą tratę iepła w iągu zau można wyrazić poługują ię wzorem Newtona h S Θ gdzie Θ jet różnią temperatur iała i ośrodka otazająego to iało, S oznaza powierzhnię iała, h noi nazwę wpółzynnika przewodnitwa zewnętrznego, zależy on od rodzaju powierzhni oraz od warunków panująyh w otozeniu. Jeżeli w obu przypadkah wartośi h, S i Θ ą jednakowe, to albo ( m ( t ( m ( t t t m m m m m Opra. IF US, 007, red. T.M.Molenda - 4/5 -

5 m ( m Paru uzniów poługują ię podobnym przyrządem dokonało pomiarów i otrzymało natępująe wyniki m m 65,6 g 60,0 g al 0, ( z tabli g C Po podtawieniu do otrzymanego wzoru mamy : 65, , 570 0,7 65, , 50 65,6 + 77,6 0,7 65,6 65,6 56,66 44, ,66 al al J 0, o 65,6 g C g C kg K Rzez jana, że ten poób wyznazania iepła właśiwego również obarzony jet błędami. Popełniamy błąd przy odzytywaniu temperatury (w najkorzytniejzyh warunkah z dokładnośią do 0, C pozątkowej i końowej przy równozenym notowaniu zau (trzeba poługiwać ię ekundomierzem. Trzykrotnego ważenia kolby (kolby putej, kolby z wodą i kolby ze pirytuem dokonujemy z dokładnośią o najwyżej do 0,0 g. W otrzymanym wzorze figuruje iepło właśiwe zkła, które bierzemy z tabli. Dla zkła Pyre podają tablie wartość al 0,. Inne gatunki zkła mają iepło właśiwe mniejze g C (0, 0,9. Jeśli nie znamy gatunku zkła, to kazani jeteśmy na zgadywanie albo wyznazanie iepła właśiwego zkła. Trzeba wrezie wziąć pod uwagę i to, że temperatura iał otazająyh tygnąą ubtanję rośnie topniowo z biegiem zau. Przeto zybkość otygania maleje (zgodnie z prawem Newtona niejednakowo dla porównywanyh ubtanji. Jak wkazuje przytozony przykład za otygania wody jet znaznie dłużzy niż za otygania pirytuu. Warunki, w któryh przebiega proe nie ą wię identyzne. Lepze rezultaty można uzykać toują bardziej dokładne przyrządy pomiarowe, budują przyrząd tak, by maa wody tworząej ołonę była możliwie najwiękza. Kilkakrotne powtórzenie doświadzenia przyzynia ię do uprawnienia potępowania a otrzymane wyniki dają możność oblizenia średniej wartośi. W zapiie oryginalnym zamiat C wytępuje zapi top ; np.: al 4,9 J al 0, g top Opra. IF US, 007, red. T.M.Molenda - 5/5 -