Dzień.tyg. poniedziałek
Kierunek ZIP grupa 7
Ćwiczenie nr. C 02
Cel doświadczenia :
Celem naszego doświadczenia jest poznanie zjawisk zachodzących w procesie topnienia i krzepnięcia wody. Postaramy się także wyznaczyć ciepło topnienia lodu. Zapoznamy się pojęciami temperatury topnienia i temperatury krzepnięcia. Do pomiary ciepła topnienia posłużymy się bilansem cieplnym.
Wstęp teoretyczny :
Proces topnienia i krzepnięcia :
Jak wiemy woda występuje w trzech stanach skupienia :
-stałym (lód)
-ciekłym
-gazowym(para wodna)
Wszystkie te stany mają te same właściwości chemiczne, różnią się tylko sposobem ułożenia cząsteczek względem siebie.
Gdy energia kinetyczna cząsteczek wody jest tak mała, że ustalają one swoje położenie i tworzą ciało stałe – lód. Cząsteczki poruszają się jednak nieznacznie drgając wokół swego położenia. Woda w postaci stałej jest ciałem krystalicznym, w którym cząsteczki tworzą przestrzenną sieć.
W przypadku pary wodnej , cząsteczki te są ze sobą zupełnie nie związane i poruszają się swobodnie i niezależne od siebie.
W stanie ciekłym cząsteczki znajdują się w bardzo bliskich odległościach od siebie. Są tak blisko, że siły oddziaływania są na tyle duże, że ciecz zajmuje określoną objętość, a tylko cząsteczki o największej energii kinetycznej i znajdujące się na powierzchni cieczy mają szanse uwolnić się i odlecieć w postaci gazu.
Powracając do stanu stałego, taki stan nie musi trwać wiecznie. Wystarczy tylko dostarczyć takiemu ciału trochę energii(ogrzewanie(, a cząsteczki zaczną na tyle drgać, iż nie będą się w stanie utrzymać w sztywnych ramach sieci krystalicznej i zaczną się z niej uwalniać, pokonując większe przestrzenie. W miejsce zburzonej sieci krystalicznej pojawia się bezładna struktura – ciecz.
Temperatura , w której następuje przechodzenie ciała z postaci stałej w ciecz nazywamy –temperaturą topnienia. Temperatura, przy której następuje proces odwrotny(ciecz w stan stały) nazywamy temperaturą krzepnięcia.
Na poniższym rysunku ukazany jest przebieg procesów krzepnięcia i topnienia wody, umieszczonej w naczyniu, które wymienia z otoczeniem stałą ilość ciepła na jednostkę czasu. Odcinek I wykresu to obszar, w którym woda schładza się, aż do temperatury krzepnięcia. Po jej osiągnięciu, zaczyna przechodzić w stan stały. Proces ten nie jest natychmiastowy. Na odcinku II istnieje więc mieszanina wody o lodu. Dopiero, gdy cała objętość wody zmieni się w lód, możliwe jest dalsze obniżenie temperatury, co przedstawia odcinek III. Jeśli w chwili A przestaniemy ciało schładzać, a zaczniemy je ogrzewać, to zaobserwujemy wzrost temperatury lodu, aż do osiągnięcia temp topnienia IV.
Podobnie jak w odcinku II tak i teraz w naczyniu znajduje się jednocześnie lód i woda (odcinek V). Dopiero gdy cała objętość lodu ulegnie stopieniu istnieje możliwość dalszego wzrostu temperatury powstałej wody(odcinek VI).
Z punktu widzenia celu tego doświadczenia najciekawsze dla nas będą zjawiska występujące na odcinkach II i V. W obu przypadkach mamy doczynienia z koegzystencją dwóch stanów skupienia: ciekłego i stałego. Różnica polega tylko na tym, że w jednym przypadku ciepło jest oddawane a w drugim pobierane od otoczenia. Gdy w chwili B wyjmiemy próbkę ze środowiska o temperaturze niższej od temperatury krzepnięcia i umieścimy w temperaturze wyższej od temperatury krzepnięcia. Proces krzepnięcia zostanie przerwany a układ zacząłby dążyć do wyrównania temperatury z otoczeniem, czyli zacznie się topić. Na podstawie zasad symetrii można wnioskować, że ten proces powrotu zachodzi w niezmienionej temperaturze, gdyż oba te procesy różnią się tylko kierunkiem przepływu ciepła. Zatem temperatury topnienia i krzepnięcia są sobie równe.
Ciepło topnienia :
Ciepło topnienia to ilość ciepła jaką trzeba dostarczyć jednostce masy ciała stałego, znajdującego się w temperaturze topnienia, aby zmieniło się ono w ciecz o tej samej temperaturze. Wyrażamy to wzorem :
l = Q/m
Mierzone jest w 1.
W celu wyznaczenia ciepła topnienia lodu wprowadzimy określoną ilość lodu, o temperaturze topnienia, do kalorymetru z wodą o temperaturze początkowej t0, nieco wyższej od temperatury otoczenia. Aby otrzymać równanie, które posłuży do wyznaczenia ciepła topnienia, musimy ułożyć bilans cieplny.
Wzór na ilość ciepła Q pobranego lub oddanego przez ciało przy zmianie jego temperatury o Dt: Q = c* m*Dt
C ciepło właściwe danego ciała(ilość ciepła potrzebna do ogrzania 1kg ciała o jednostkę temperatury). Jeśli chcemy aby Q 0, to w przypadku ciepła pobieranego przyjmujemy Dt =t k -to, a dla oddawanego Dt= to- t k
Ciepło pobierane jest na stopienie masy ml lodu (Q1) i na podgrzanie wody z lodu od temperatury topnienia tt do temperatury końcowej (Q2). Zakładamy, że dostarczone w tym celu ciepło pochodzi od wody o masie mw wlanej do kalorymetru (Q3) i od wewnętrznego naczynia kalorymetru o masie mk (wraz z pokrywką i mieszadełkiem) (Q4). Ciała te ulegają przy tym schłodzeniu od temperatury początkowej t0 do temperatury końcowej tk .
Q1 + Q2= Q3+ Q4
Q1 = ml*l , Q2= ml*cw(tk-tt), Q3=mw*cw(t0-tk), Q4=mk*ck(to-tk)
W rezultacie podstawienia do bilansu otrzymujemy :
Wykonanie doświadczenia :
Po przygotowaniu komputera zgodnie z zaleceniami i uaktywnieniu wszelakich opcji przystąpiliśmy do badania przebiegu i rejestracji pomiarów.
· Przebieg i rejestracja pomiarów – krzepnięcie
a) wlaliśmy około 100 ml wody do zlewki i dodaliśmy drobno potłuczonego lodu. Objętość mieszaniny wynosi około 300 ml.
b) Wlaliśmy około 5 ml wody do cylinderka miarowego i umocowaliśmy go na statywie nieco ponad mieszaniną wody i lodu.
c) Umieściliśmy czujnik temperatury w cylinderku
d) Przygotowaliśmy około 40 ml soli kuchennej
e) Rozpoczęliśmy pomiar temperatury i wprowadziliśmy cylinderek do wody z lodem. Obserwowaliśmy temperaturę wody.
f) Aby obniżyć temperaturę wody z lodem , wsypaliśmy do niej sól kuchenną i wymieszaliśmy
g) Gdy temperatura osiągnęła – 10 stopni C przerwaliśmy pomiar
· Przebieg i rejestracja pomiarów topnienie
a) rozpoczęliśmy pomiar
b) wyjęliśmy cylinderek miarowy z czytnikiem z wody i umocowaliśmy na statywie
c) podczas gdy lód ogrzewał się w temp pokojowej , przygotowaliśmy zlewkę z 250-350 ml wody o temp pokojowej
d) wstawiliśmy cylinderek do zlewki z wodą
e) po upływie odpowiedniego czasu pomiar zatrzymaliśmy.
Analiza danych:
Odpowiedzi na pytania:
1.Temperatura wody w czasie krzepnięcia w pierwszej fazie spada, aż do osiągnięcia temperatury krzepnięcia. Następnie woda zaczyna przechodzić w stan stały(temperatura nie zmienia się). Gdy cała objętość wody zmienia się w lód, temperatura zaczyna się dalej obniżać. W czasie topnienia, przy ogrzewaniu lodu, temperatura wzrasta, aż do osiągnięcia temperatury topnienia. Gdy cały lód zmieni się w wodę temperatura zaczyna znowu wzrastać.
2. temperatura krzepnięcia : 0,
temperatura topnienia :
(obie utrzymują się w granicy 0 stopni C)
3. wartości tablicowe temperatury:
topnienia 273,16 K
krzepnięcia 277 K
Wyznaczanie ciepła topnienia lodu:
· Wykasowaliśmy dane z poprzedniego doświadczenia.
· Przebieg i rejestracja danych – ciepło topnienia
a) zważyliśmy zewnętrzne naczynie kalorymetru wraz z pokrywką i mieszadełkiem(wartość w tabelce str.1)mk
b)
A_gA