POLITECHNIKA ŁÓDZKA ZAKŁADZIE BIOFIZYKI Ćwiczenie 7 KALORYMETRIA

Transkrypt

1 POLITECHNIKA ŁÓDZKA INSTRUKCJA Z LABORATORIUM W ZAKŁADZIE BIOFIZYKI Ćiczenie 7 KALORYMETRIA

2 I. WSTĘP TEORETYCZNY Kalorymetria jest działem fizyki zajmującym się metodami pomiaru ciepła ydzielanego bądź pochłanianego trakcie procesó fizycznych (np. zamiana pracy na ciepło), chemicznych (np. ciepło reakcji chemicznych) lub biologicznych. Przekazyaniem ciepła rządzą trzy zasady: 1. Ilość ciepła Q, potrzebna do ogrzania ciała o masie m o T, yraża się zorem: Q = c m T Współczynnik c nazyamy ciepłem łaściym i jest ilością ciepła potrzebną go ogrzania 1 kg doolnego ciała o jeden Kelin. Jednostką ciepła łaściego jest J kg -1 K Ilość ciepła oddanego przez ciało jest róna ilości ciepła pobranego przez ciała otaczające. 3. Ilość ciepła pobrana przez ciało przy podgrzeaniu od temperatury T 1 do T 2 jest róna ilości ciepła oddanego przy chłodzeniu tym samym Zakresie temperatur, jeżeli ciało przechodzi przez te same stany pośrednie odrotnej kolejności. Ostatnie die zasady ynikają z zasady zachoania energii. W yniku przemiany materii organizmach żyych postaje ciepło, które zostaje zużyte przez organizm na endotermiczne reakcje chemiczne, na pracę mechaniczną, energię elektryczną oraz energię fal elektromagnetycznych. Część ciepła zostaje różnymi drogami odproadzona na zenątrz organizmu. Wydzielenie ciepła przez organizm jest podstaoym czynnikiem utrzymyania odpoiedniej temperatury organizmu i stanoi składoą część procesó termoregulacji. Poniżej podany jest bilans energii cieplnej przeciętnego organizmu ludzkiego ciągu 24 godzin. 1

3 Pokarm pobrany g kj Razem kj Białka Tłuszcze Węgloodany 57,8 140,5 81, Rozchód energii sposoby oddaania ciepła kj razem kj ciepło oddaane z poierzchni ciała ciepło ydychanego poietrza ciepło ydalane z moczem i kałem ciepło zużyte na yparoanie ody przez płuca ciepło zużyte na yparoanie ody przez skórę popraki Różnica między całkoitą ilością ciepła uzyskanego organizmie i ydzielonego ynika z niedokładności pomiaró. II. OPIS BUDOWY STANOWISKA Pomiary ciepła ykonuje się kalorymetrach (rys.1.). W celu ograniczenia ymiany ciepła z otoczeniem poleka się zenętrzne ścianki arstą srebra lub chromu, a sam kalorymetr staia się na podstace izolacyjnej osłonie przykrytej pokryką. Niekiedy osłona posiada podójne ścianki i ypełniona jest odą. Aby do minimum ograniczyć ymianę ciepła z otoczeniem, stosuje się kalorymetr z termosem ( naczynie Deara). 2

4 termometr mieszadło pojemnik enętrzny kalorymetru nr 1 pojemnik zenętrzny arsta izolacyjna pojemnik enętrzny kalorymetru nr 2 pojemnik z materiału izolacyjnego Rys.1. Schemat układu pomiaroego III. PRZEBIEG ĆWICZENIA A. WYZNACZANIE CIEPŁA TOPNIENIA LODU 1. Wyznaczyć masę m 1 osuszonego enętrznego naczynia kalorymetru. 2. Nalać odę do połoy objętości kalorymetru. 3. Wyznaczyć masę m 2 naczynia z odą. 4. Obliczyć masę ody m m = m 2 m 1 5. Naczynie enętrzne staić do kalorymetru i mierzyć temperaturę ody co 1min. Trzeba pamiętać o mieszaniu. 6. Temperaturę należy odczytyać aż do momentu ustalenia się rónoagi cieplnej (stałej temperatury). 7. Osuszyć bibułą kaałki kaałki lodu i rzucić do kalorymetru mieszając cały czas odę. 8. Mierzyć temperaturę ody co 1 min. do chili, gdy temperatura zacznie rónomiernie zrastać. 9. Wyznaczyć masę m k kalorymetru z odą, a następnie masę stopionego lodu m l = m k m 2. 3

5 10. Wyniki pomiaró przedstaić tabeli. m k c k m c T o T 1 T 2 T m 1 [kg] J kg K [kg] J kg K [K] [K] [K] [K] [kg] 11. Obliczyć ciepło topnienia lodu. 12. Maksymalny błąd bezzględny c, popełniony przy yznaczaniu ciepła łaściego topnienia lodu, obliczyć ze zoru: ( m c + m c ) 2 k k c = + c T ml 13. Wykonać ykres zależności temperatury ody od czasu. B. WYZNACZANIE ILOŚCI CIEPŁA WYDZIELANEGO PRZEZ ORGANIZM CZŁOWIEKA PRZY WYDYCHANIU 1. Wyznaczyć masę m 1 k enętrznego naczynia kalorymetru nr Wyznaczyć masę m 2 enętrznego naczynia kalorymetru nr Pojemnik nr 3 (ykonany z torzya sztucznego) ypełnić drobno potłuczonym i możliie suchym lodem i umieścić go kalorymetrze nr1. Całość umieścić osłonie i szczelnie zamknąć pokryą. 4. Na ystającą część rurki pojemnika nałożyć ąż gumoy raz z ustnikiem. 5. Po upłyie 15 minut szybko ymienić enętrzne naczynie kalorymetru nr1 na enętrzne naczynie nr 2 i ciągu 15 minut ydychać poietrze do kalorymetru przez ąż gumoy. 4

6 Należy pamiętać, aby oddech był jak najbardziej zbliżony do normalnego, a ydychane poietrze było całości tłoczone do kalorymetru. 6. Po ukończeniu ydychania yjąć pojemnik raz z pozostałą częścią lodu. 7. Wyznaczyć masę m 1 k kalorymetru nr 1 z odą. 8. Obliczyć masę ody m 1 postałej ze stopionego lodu temperaturze otoczenia. 9. Wyznaczyć masę m 2 k kalorymetru nr 2 z odą. 10. Obliczyć masę m 2 ody postałej kalorymetrze podczas ydychania poietrza. 11. Obliczyć masę ody m postałej przez ydychanie poietrza przy ochłodzeniu się do temperatury topnienia lodu (t o = 0 o C) m = 2 1 ( m m m ) gdzie: m p masa ody postałej yniku skroplenia się pary odnej zaartej ydychanym poietrzu; m p = 5g 12. Odczytać temperaturę otoczenia t p. 13. Znając masę m obliczyć całkoite ciepło stracone (Q o ) Q o = m ٠L gdzie: L ciepło topnienia lodu; L = 335٠10 3 J/kg Q = p 2 1 ( m m m ) L 14. Ciepło Q o jest róne ciepłu jakie traciłby organizm przez oddychania p Gdyby temperatura ydychanego poietrz była 0 o C. Ponieaż dośiadczenia jest przeproadzane temperaturze pokojoej, ięc na podstaie proporcji otrzymuje następujący się zór na ciepło Q ydzielone z organizmu przez oddychanie temperaturze pokojoej Q = Q o t t c c t t p o 5

7 gdzie: t c temperatura ludzkiego ciała, t c = 36,6 o C t p temperatura otoczenia t o 0 o C [g] 1 m k 1 m k 1 m [g] m k 2 m k 2 m 2 [g] [g] m p [kg] m [kg] t p [ o C] Q o [ J] Q [J] IV. SPRAWOZDANIE POWINNO ZAWIERAĆ 1. Krótki stęp teoretyczny. 2. Cel przeproadzonego ćiczenia. 3. Objaśnienie symboli stosoanych spraozdaniu. 4. Tabelę z artościami ielkości mierzonych. 5. Obliczone błędy 6. Wykres zależności temperatury ody od czasu. 7. Dyskusję i nioski. V. PYTANIA KONTROLNE 1. Podstaoe zasady kalorymetrii. 6

8 2. Definicja spółczynnika cieplnego. 3. Definicja ciepło topnienia lodu. 4. Budoa i zasada działania kalorymetru. LITERATURA 1. Z. Jóźiak: G. Bartosz: Ćiczenia z podsta fizyki i biofizyki dla biologó; Wydanicto Uniersytetu Łódzkiego, Łódź R. Respondoski: Laboratorium z fizyki; Politechnika Śląska, Gliice J. Karnieicz. T. Sokołoski: Podstay fizyki laboratoryjnej; Politechnika Łódzka, Łódź