Pomiar średniego ciepła właściwego i wyznaczanie temperatury Debye a

Podobne dokumenty
Projekt Inżynier mechanik zawód z przyszłością współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Ćwiczenie 425. Wyznaczanie ciepła właściwego ciał stałych. Woda. Ciało stałe Masa kalorymetru z ciałem stałym m 2 Masa ciała stałego m 0

Wykład 4. Przypomnienie z poprzedniego wykładu

GAZ DOSKONAŁY. Brak oddziaływań między cząsteczkami z wyjątkiem zderzeń idealnie sprężystych.

Wyznaczanie ciepła topnienia lodu

WYZNACZANIE CIEPŁA TOPNIENIA LODU METODĄ BILANSU CIEPLNEGO

Pomiar ogniskowych soczewek metodą Bessela

ĆWICZENIE 3 REZONANS AKUSTYCZNY

Seria 2, ćwiczenia do wykładu Od eksperymentu do poznania materii

Wyznaczanie ciepła topnienia lodu.

CECHOWANIE TERMOELEMENTU Fe-Mo I WYZNACZANIE PUNKTU INWERSJI

Badanie zależności temperatury wrzenia wody od ciśnienia

Karta pracy do doświadczeń

Laboratorium Podstaw Biofizyki

RÓWNOWAGA CIECZ PARA W UKŁADZIE DWUSKŁADNIKOWYM

Badanie właściwości laserów i wyznaczanie temperatury Debye a nowe ćwiczenia w pracowniach studenckich WFiIS

Podstawy niepewności pomiarowych Ćwiczenia

Podstawowe pojęcia Masa atomowa (cząsteczkowa) - to stosunek masy atomu danego pierwiastka chemicznego (cząsteczki związku chemicznego) do masy 1/12

WYKŁAD 3 TERMOCHEMIA

STECHIOMETRIA SPALANIA

Wyznaczanie współczynnika sprężystości sprężyn i ich układów

ĆWICZENIE 22 WYZNACZANIE CIEPŁA PAROWANIA WODY W TEMPERETATURZE WRZENIA

13. TERMODYNAMIKA WYZNACZANIE ENTALPII REAKCJI ZOBOJĘTNIANIA MOCNEJ ZASADY MOCNYMI KWASAMI I ENTALPII PROCESU ROZPUSZCZANIA SOLI

02. WYZNACZANIE WARTOŚCI PRZYSPIESZENIA W RUCHU JEDNOSTAJNIE PRZYSPIESZONYM ORAZ PRZYSPIESZENIA ZIEMSKIEGO Z WYKORZYSTANIEM RÓWNI POCHYŁEJ

WYZNACZANIE STOSUNKU c p /c v

Wstęp do teorii niepewności pomiaru. Danuta J. Michczyńska Adam Michczyński

Katedra Chemii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego. Wyznaczanie ciepła właściwego cieczy metodą kalorymetryczną

II PRACOWNIA FIZYCZNA część Pracownia Jądrowa. Ćwiczenie nr 6

Spotkania z fizyka 2. Rozkład materiału nauczania (propozycja)

Rozszerzalność cieplna ciał stałych

Ćw. 32. Wyznaczanie stałej sprężystości sprężyny

Uwaga: Nie przesuwaj ani nie pochylaj stołu, na którym wykonujesz doświadczenie.

LXVIII OLIMPIADA FIZYCZNA

Zadania treningowe na kolokwium

ĆWICZENIE 3 CIEPŁO ROZPUSZCZANIA I NEUTRALIZACJI

TRANSPORT NIEELEKTROLITÓW PRZEZ BŁONY WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA PRZEPUSZCZALNOŚCI

Wykład 1. Anna Ptaszek. 5 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Chemia fizyczna - wykład 1. Anna Ptaszek 1 / 36

O 2 O 1. Temat: Wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego

Wyznaczanie ciepła właściwego za pomocą czajnika. elektrycznego.

A4.04 Instrukcja wykonania ćwiczenia

Wyznaczanie ciepła topnienia lodu za pomocą kalorymetru

POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA w Kielcach WYDZIAŁ MECHATRONIKI I BUDOWY MASZYN KATEDRA URZĄDZEŃ MECHATRONICZNYCH LABORATORIUM FIZYKI INSTRUKCJA

Ćwiczenie nr 254. Badanie ładowania i rozładowywania kondensatora. Ustawiony prąd ładowania I [ ma ]: t ł [ s ] U ł [ V ] t r [ s ] U r [ V ] ln(u r )

Fizyka (Biotechnologia)

Ćwiczenie 5: Wyznaczanie lepkości właściwej koloidalnych roztworów biopolimerów.

WYZNACZANIE PRACY WYJŚCIA ELEKTRONÓW Z LAMPY KATODOWEJ

Laboratorium Podstaw Fizyki. Ćwiczenie 100a Wyznaczanie gęstości ciał stałych

TERMODYNAMIKA Zajęcia wyrównawcze, Częstochowa, 2009/2010 Ewa Mandowska

WYZNACZANIE ROZMIARÓW

ZALEŻNOŚĆ CIŚNIENIA PARY NASYCONEJ WODY OD TEM- PERATURY. WYZNACZANIE MOLOWEGO CIEPŁA PARO- WANIA

Rys. 1Stanowisko pomiarowe

WSKAZÓWKI DO WYKONANIA SPRAWOZDANIA Z WYRÓWNAWCZYCH ZAJĘĆ LABORATORYJNYCH

Przykładowe zadania z działu: Pomiary, masa, ciężar, gęstość, ciśnienie, siła sprężystości

Destylacja z parą wodną

TEMAT: WYZNACZANIE CIEPŁA WŁAŚCIWEGO WODY ZA POMOCĄ CZAJNIKA ELEKTRYCZNEGO LUB GRZAŁKI O ZNANEJ MOCY (PRZY ZAŁOŻENIU BRAKU STRAT)

Szkła specjalne Przejście szkliste i jego termodynamika Wykład 5. Ryszard J. Barczyński, 2017 Materiały edukacyjne do użytku wewnętrznego

3. Przejścia fazowe pomiędzy trzema stanami skupienia materii:

Chłodnictwo i Kriogenika - Ćwiczenia Lista 4

WYBRANE ZAGADNIENIA Z TERMODYNAMIKI TECHNICZNEJ

Materiały pomocnicze do laboratorium z przedmiotu Metody i Narzędzia Symulacji Komputerowej

Doświadczalne wyznaczanie współczynnika sztywności (sprężystości) sprężyn i współczynnika sztywności zastępczej

Doświadczalne wyznaczanie współczynnika sztywności (sprężystości) sprężyny

POLITECHNIKA RZESZOWSKA

POLITECHNIKA POZNAŃSKA ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ ĆWICZENIA PRACOWNI CHEMII FIZYCZNEJ

Jak ciężka jest masa?

Z21 BADANIE HISTEREZY PRZEMIANY MARTENZYTYCZNEJ METODĄ REZYSTOMETRYCZNĄ. Cel ćwiczenia

Ćwiczenie nr 43: HALOTRON

Ćwiczenie N 13 ROZKŁAD CIŚNIENIA WZDŁUś ZWĘśKI VENTURIEGO

STECHIOMETRIA SPALANIA

Ćwiczenie 2: Wyznaczanie gęstości i lepkości płynów nieniutonowskich

Katedra Chemii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego. Wyznaczanie względnej przenikalności elektrycznej kilku związków organicznych

Wyznaczanie współczynnika przewodnictwa

Termodynamika Część 7 Trzecia zasada termodynamiki Metody otrzymywania niskich temperatur Zjawisko Joule'a Thomsona Chłodzenie magnetyczne

Temat: Analiza energetyczna procesów cieplnych powtórzenie. Scenariusz lekcji fizyki w gimnazjum

(1) Równanie stanu gazu doskonałego. I zasada termodynamiki: ciepło, praca.

Wykład FIZYKA I. 14. Termodynamika fenomenologiczna cz.ii. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Laboratorium Inżynierii Bioreaktorów

Analiza korelacyjna i regresyjna

Doświadczalne badanie drugiej zasady dynamiki Newtona

Ćwiczenie M-2 Pomiar przyśpieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Cel ćwiczenia: II. Przyrządy: III. Literatura: IV. Wstęp. l Rys.

Podstawowe pojęcia i prawa chemiczne, Obliczenia na podstawie wzorów chemicznych

LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ INSTYTUTU TECHNIKI CIEPLNEJ WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ

Katedra Chemii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego

Ćwiczenie 5: Wymiana masy. Nawilżanie powietrza.

Cel zajęć laboratoryjnych Oznaczanie współczynnika nasiąkliwości kapilarnej wybranych kamieni naturalnych.

Imię i nazwisko ucznia Data... Klasa...

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 1: Wahadło fizyczne. opis ruchu drgającego a w szczególności drgań wahadła fizycznego

DRGANIA SWOBODNE UKŁADU O DWÓCH STOPNIACH SWOBODY. Rys Model układu

Wyznaczanie sił działających na przewodnik z prądem w polu magnetycznym

Badanie transformatora

LABORATORIUM Z FIZYKI

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE. Ćwiczenie nr 3 Temat: Wyznaczenie ogniskowej soczewek za pomocą ławy optycznej.

Temperatura jest wspólną własnością dwóch ciał, które pozostają ze sobą w równowadze termicznej.

Termochemia elementy termodynamiki

T e r m o d y n a m i k a

Laboratorium 5. Wpływ temperatury na aktywność enzymów. Inaktywacja termiczna

Ć W I C Z E N I E N R C-7

MECHANIKA PŁYNÓW LABORATORIUM

2.2 Wyznaczanie ciepła topnienia lodu(c4)

Ćw. nr 31. Wahadło fizyczne o regulowanej płaszczyźnie drgań - w.2

Transkrypt:

Pomiar średniego ciepła właściwego i wyznaczanie temperatury Debye a Cel ćwiczenia Wyznaczanie temperatury Debye a na podstawie pomiaru masy ciekłego azotu, potrzebnej do ochłodzenia badanej substancji od temperatury pokojowej do 77 K. Wprowadzenie eoria Debye a sieciowego ciepła właściwego jest przedstawiona w każdym podręczniku fizyki ciała stałego. W teorii tej rzeczywiste widmo fononowe kryształu 2 przybliża się przy pomocy funkcji kwadratowej D( ) C, obciętej na charakterystycznej częstości Debye a D. Częstości tej odpowiada temperatura Debye a D D. (1) k B jako W tym przybliżeniu energia wewnętrzna w dowolnej temperaturze może być zapisana U 3 D 3 3Nk B 3 d, (2) D e 1 ciepło właściwe jest pochodną du/d, 3 D 4 e c 3Nk B 3 d 2. (3) D ( e 1) W obydwu wzorach pierwszy czynnik, U 3N k B oraz c 3N k B, oznaczaj odpowiednio, energię wewnętrzną lub ciepło właściwe w przybliżeniu klasycznym, odkrytym doświadczalnie w XIX stuleciu przez Dulonga i Petita. Pozostała cześć wzorów (2) i (3) to bezwymiarowy czynnik mniejszy od jedności, wynikający z kwantowania termicznych wzbudzeń sieci krystalicznej. 1

Rys.1. Ilustracja wielkości teoretycznych: zależności ciepła właściwego od temperatury (linia ciągła), ciepła właściwego w przybliżeniu Dulonga-Petita (linia pozioma c DP = 3R), różnicy entalpii H między temperaturami 1 i 2 (powierzchnia zakreskowana) i średniego molowego ciepła właściwego c mol A. Pomiar średniego ciepła właściwego Istotą doświadczenia jest pomiar średniego ciepła właściwego badanej próbki w zakresie temperatur od 1 = 77 K do 2 = 295 K. Próbka o znanej masie m zostaje włożona do naczynia z ciekłym azotem (temperatura wrzenia 77 K), postawionym na wadze (rys. 2a). ypowa zależność masy układu kriostat + azot + próbka od czasu przedstawia rys 2b. Ochłodzenie do temperatury 77 K oznacza zmniejszenie entalpii o wartość H H 295 H 77 kosztem odparowania masy m azotu. Równanie bilansu cieplnego ma postać H m Q p. (4) gdzie Qp = 199 J/g jest ciepłem parowania azotu. Komentarza wymaga sposób wyznaczenia ubytku masy azotu m. Wskutek nieidealnej izolacji cieplnej, do ciekłego azotu dopływa, stały w przybliżeniu, strumień ciepła z otoczenia, czego wynikiem jest powolne zmniejszanie się masy azotu. Wartość m uzyskać należy z procedury ekstrapolacji, pokazanej na rys. 2b. Do prostoliniowych zależności m(t) przed włożeniem próbki oraz po jej całkowitym wychłodzeniu dopasujemy proste. Najwygodniej w tym celu dopasować je w układzie współrzędnych z nową zmienną niezależną = t te, gdzie t e jest czasem wybranym mniej więcej w połowie czasu schładzania próbki. Ekstrapolowane wartości masy, m1, e oraz m2, e w takim układzie współrzędnych są wprost równe wartości czynnika stałego b prostej m = a + b. Zatem. (5) m m1, e m2, e 2

Bezpośrednim rezultatem doświadczenia jest różnica entalpii. Wygodnie jest wyrazić wynik pomiaru jako średnie ciepło właściwe (przy stałym ciśnieniu) w zakresie temperatur od 1 do 2. Zmierzone ciepło średnie (na jednostkę masy) wyraża wzór c H m Q p. (6) m ( 1) 2 1 2 a) b) Rys. 2. Eksperyment: a) układ pomiarowy: 1 próbka, 2 ciekły azot, 3 kriostat, 4 waga elektroniczna, b) zależność wskazań wagi od czasu (objaśnienie w tekście). B. Wyznaczanie temperatury Debye a Iloczyn ciepła właściwego na jednostkę masy i masy atomowej (jednostka: g/mol) to ciepło molowe, c mol c. (7) W tym przypadku przez mol rozumiemy masę liczby atomów równej liczbie Avogadra. Dla związków, np. węgliku krzemu SiC, za postawiamy średnią masę atomową. Uzyskane ciepło molowe można porównać z wartością wynikającą z prawa Dulonga- Petita, 3

c 3N k R, (8) DP A B 3 gdzie R = 8,3145 J/(molK) jest uniwersalną stałą gazową. Stosunek c mol 3R (9) wyraża zaniżenie średniego ciepła molowego w stosunku do wartości z prawa D-P. Jest liczbą mniejszą od jedności, tym mniejszą, im wyższa jest temperatura Debye a. Ilustruje to rys. 1, na którym wartość H jest powierzchnią pod krzywą c(), średnie ciepło właściwe - wysokością prostokąta o tej samej powierzchni. Stosunek c mol ( 3R) można obliczyć teoretycznie, przez obliczenie różnicy entalpii danych wzorem (2) do różnicy entalpii wynikającej z prawa Dulonga-Petita c mol 3R teor 293 3 295 D 3 D / 295 3 77 d 3 77 1 e D 293 77 3 D 77 3 d e 1 (1) Powtarzając to obliczenie dla różnych wartości temperatury Debye a uzyskuje się krzywą cechowania (rys. 4), która umożliwia odczyt temperatury D odpowiadającej eksperymentalnej wartości stosunku c mol ( 3R). Rys. 3 Wartości temperatury Debye a D (górne wartości liczbowe) dla pierwiastków. emperatura Debye a dla węgla w postaci grafitu wynosi około 15 K a dla węgliku krzemu (SiC) około 12 K. 4

Rysunek 4. Krzywa cechowania obliczona z wzoru (9) z wykorzystaniem Wolfram Definite Integral Calculator. Krzywa a) w zakresie 25 K, krzywa b) ta sama, z pięciokrotnie rozciągniętą osią poziomą ( 5 K), opis skali powyżej osi. 5

Aparatura Potrzebna aparatura to (i) waga elektroniczna o średniej rozdzielczości (rzędu,1 g) i udźwigu,5 kg, (ii) kriostat na ciekły azot (metalowy termos), (iii) zestaw próbek, (iv) stoper do pomiaru czasu (lub zwykły zegarek). Wykonanie ćwiczenia 1. Zważenie wszystkich próbek. Uwaga: próbki zaopatrzone są w nitkę (masa do zaniedbania) i zawieszkę identyfikacyjną. Podczas ważenia zawieszkę położyć obok talerzyka wagi. 2. Ze zbiornika ciekłego azotu nalać go do kriostatu, do ok. połowy wysokości. 3. Pomiar zależności masy od czasu w temp. pokojowej. Mierzyć łączną masę naczynia z azotem i próbki z nitką i zawieszką (położonych obok naczynia na talerzyku wagi). Wykonujemy kilka pomiarów co 3 s lub minutę - obserwujemy powolne zmniejszanie się masy z powodu strat cieplnych naczynia. 4. Ochładzanie próbki. Powoli wkładać próbkę, wiszącą na nitce, do naczynia. Słyszymy bulgot wrzącego azotu. Próbkę uznajemy za ochłodzoną, gdy bulgot całkowicie ustanie. Zawieszkę próbki kładziemy na talerzyku. 5. Pomiar masy po włożeniu próbki. Analogicznie jak w p. 2 wykonujemy kilka - kilkanaście pomiarów. 6. Pomiar dla innych próbek w taki sam sposób. Przed rozpoczęciem upewnić się, czy w zbiorniku jest wystarczająca ilość ciekłego azotu - w miarę potrzeby dolać. Opracowanie pomiarów 1. Kolejno obliczyć: ubytek masy m, średnie ciepło właściwe (na jednostkę masy) c oraz ciepło molowe c mol korzystając ze wzorów podanych powyżej. c 2. Obliczyć stosunek mol i odczytać temperaturę Debye a D korzystając z rys. 4. 3R 3. Porównać otrzymane wyniki z wartościami literaturowymi (rys. 3) i podsumować przeprowadzony eksperyment. 6