MGR Analiza energetyczna przejść fazowych.

Transkrypt

1 MGR 4 4. Analiza energetyczna przejść fazowych. Pojęcie trzech stanów skupienia na przykładzie wody. Topnienie i krzepnięcie ciał. Przemiany energii podczas topnienia i krzepnięcia. iepło topnienia i krzepnięcia. Stałość i równość temperatury topnienia i krzepnięcia. Parowanie i skraplanie. zynniki wpływające na szybkość parowania i skraplania. Wrzenie. wrzenia. krytyczna. Zjawisko rozpuszczania. zynniki wpływające na szybkość rozpuszczania. Krzepnięcie i wrzenie roztworów. Ćw. 1. Wyznaczanie ciepła topnienia i krzepnięcia lodu. 2. Wrzenie wody pod kloszem pompy próżniowej. 3. Pokaz wrzenia wody pod zmniejszonym ciśnieniem. 4. Wyznaczanie ciepła właściwego ciała stałego. 5. Przyrząd do demonstracji punktu krytycznego eteru

2 Wyznaczanie ciepła topnienia lodu Ważymy kolorymetr wraz z mieszadełkiem ( niech jego masa wynosi m k ), nalewamy do niego wody i ważymy powtórnie ( jego masa będzie teraz wynosiła więcej, m 1 ). Masa m w wynosi więc m w = m 1 m k Mierzymy następnie temperaturę wody. Niech wyniesie ona t 1. eżeli wrzucimy teraz do kalorymetru kawałek dobrze osuszonego za pomocą bibuły lodu, który znajdował się przez dłuższy czas w wodzie, to będzie się on zamieniał na wodę o temperaturze 0 0.Powstała z lodu woda o tej temperaturze ogrzewa się w dalszym ciągu oziębiając przy tym wodę w kalorymetrze. Temperatury wody powstałej z lodu i wody w kalorymetrze w końcu się wyrównają, co poznamy po tym, że temperatura wody w kalorymetrze się ustali. Oznaczmy tę końcową temperaturę przez t. Dla jej dokładnego uchwycenia notujemy w tabelce wyniki obserwacji temperatury w kalorymetrze po wrzuceniu do wody lodu. zas t, min T, 0 przechodzi przez minimum, po czym zaczyna się podwyższać. Po osiągnięciu temperatury końcowej ważymy jeszcze kalorymetr. eżeli jego masa wyniesie m 2, to masa stopionego lodu wyniesie m l = m 2 m 1 Podczas doświadczenia mieszamy nieustannie wodę dla uniknięcia lokalnych ochłodzeń. Wszystkie części kalorymetru są wykonane z aluminium, którego ciepło właściwe wynosi 849 0

3 W celu otrzymania dokładniejszego pomiaru należy uwzględnić ciepło pobrane przez część termometru zanurzoną w kalorymetrze. Można obliczyć, że do ogrzania 1cm 3 szkła lub rtęci o 1 0 potrzeba średnio 1,93. iepło pobrane przez termometr wynosi Q t = V r ( t t) p gdzie: V-objętość części termometru zanurzonej w kalorymetrze t p - temperatura otoczenia r 1,93 cm = 3 o Korzystając z bilansu cieplnego obliczamy wartość ciepła topnienia lodu ( wartość tablicowa ) Określamy błąd względny pomiaru ciepła topnienia lodu i zapisujemy ostateczny wynik

4 Wrzenie wody pod kloszem pompy próżniowej Zlewkę z letnią wodą ( około 50 0 ) ustawiamy po kloszem pompy próżniowej. W trakcie wypompowywania powietrza spod klosza woda w zlewce zaczyna wrzeć. ( rys.3.165). W celu odczytania temperatury wrzenia wody pod zmniejszonym ciśnieniem należy do zlewki wstawić niezbyt duży termometr. Rys Pokaz wrzenia wody po zmniejszonym ciśnieniem Rys Zagotujemy wodę w kolbie. Niech woda gotuje się 1-2 minuty. Następnie odstawiamy kolbę i natychmiast zakorkujemy. Woda przestała wrzeć. Umocujmy kolbę na statywie ( jest gorąca) i umieśćmy nad zlewem lub miseczką. Teraz skierujmy na nią strumień zimnej wody.(rys.3.164). Mimo, że temperatura wody była niższa niż 100 0, to w całej objętości pojawiły się pęcherzyki pary - woda wrzała. W zakorkowanej kolbie nad powierzchnią wody panowało ciśnienie mniejsze od atmosferycznego, dlatego że w wyniku ochłodzenia szkła z zewnątrz część pary się skropliła. Ta część, która pozostała, i powietrze wywierały na powierzchnię wody w kolbie ciśnienie mniejsze od atmosferycznego

5 Wyznaczanie ciepła właściwego ciała stałego Wyznaczamy masę kolorymetru wraz z mieszadełkiem, a następnie nalewamy do niego około wyznaczając jej masę m 1 i temperaturę początkową t wysokości wody W zlewce z wodą ogrzewamy w temperaturze wrzenia przez kilka minut bryły metalowe zawieszone na nici. Masa m 2 badanego ciała powinna być znana ( należy zauważyć, że jeżeli masa badanego ciała będzie mała to w niedostatecznym stopniu ogrzeje wodę w kalorymetrze przez co wynik pomiaru ciepła właściwego będzie obarczony dużym błędem). Wrzucamy badane ciało do kalorymetru i wyznaczamy temperaturę końcową. Dla jej dokładnego uchwycenia notujemy w tabelce wyniki obserwacji temperatury w kalorymetrze po wrzuceniu do wody ciała. zas t, min T, 0 przechodzi przez maximum, po czym zaczyna się obniżać. Dane wpisujemy do tabelki Masa wody w kalorymetrze m 1, wody t 1, 0 Masa ciała stałego m 2, początkowa ciała stałego t 0, 0 końcowa t, 0 iepło właściwe ciała stałego c, 0 100

6 Obliczamy ilość ciepła, którą woda z kalorymetru pobrała ogrzewając się od temperatury t 1 do t, Obliczamy ilość ciepłą oddanego przez ciało przy ochładzaniu się od t 0 do t, Wyprowadzamy wzór na obliczanie ciepła właściwego przy uwzględnianiu pojemności cieplnej kalorymetru i obliczamy w tym przypadku wartość ciepła właściwego badanego ciała stałego, Określamy błąd względny pomiaru i notujemy ostateczną wartość wyznaczonego ciepła właściwego. Wszystkie części kalorymetru są wykonane z aluminium, którego ciepło właściwe wynosi W celu otrzymania dokładniejszego pomiaru należy uwzględnić ciepło pobrane przez część termometru zanurzoną w kalorymetrze. Można obliczyć, że do ogrzania 1cm 3 szkła lub rtęci o 1 0 potrzeba średnio 1,93. iepło pobrane przez termometr wynosi Q t = V r ( t t) p gdzie: V-objętość części termometru zanurzonej w kalorymetrze t p - temperatura otoczenia r 1,93 cm = 3 o

7 Przyrząd do demonstracji punktu krytycznego eteru /przystawka do diaskopu/ Rys. l Przystawka do diaskopu 1. -próbka z eterem 2. - termometr 3. - spirala grzejna 4. - obudowa 1. Przystawkę założyć do rzutnika typu Biofiz" lub Profil". Umieszczamy ją tak samo jak maletkę z uchwytem do przeźroczy. 2. Włączyć oświetlenie i ustawić ostrość obrazu na ekranie, odległość ekranu od aparatu projekcyjnego około 5 m. 3. W uchwyt wstawić termometr o zakresie od 0 do 300" tak, aby jego zbiornik z rtęcią znajdował się na poziomie cieczy w próbce. 4. Grzejnik przystawki zasilić napięciem zmiennym /około 15V7, które można czerpać z uzwojenia wtórnego transformatora rozbieralnego, zasilacza uniwersalnego, zasilacza regulowanego itp. Można włączyć do obwodu amperomierz i ustalić natężenie prądu w granicach 3 do 3,5A 5. Ogrzewać próbkę do około 190", w pobliżu temperatury krytycznej można wyłączyć zasilanie. Zjawisko przejścia substancji w stan krytyczny można demonstrować kilkakrotnie, w tym celu ogrzewamy próbkę i następnie oziębiamy /poprzez wyłączenie napięcia/. Uwaga: ZE WZGLĘDU NA BEZPIEZEŃSTWO NIE PODGRZEWAĆ PRÓBKI POWYŻE TEMPERATURY 210! Przyrząd opracowany przez.morawca i S.Viscardiego został zatwierdzony jako pomoc szkolna przez Ministerstwo Oświaty i Szkolnictwa Wyższego pismem z dnia 11 czerwca 1970 r. Znak rozpoznawczy: PS 4572-F-660/70