Komputerowe laboratoria przyrodnicze

                   WYZNACZANIE CIEPŁA TOPNIENIA LODU.

 

mgr Lech Radzajewski

VIII Liceum Ogólnokształcące w Białymstoku.

 

CELE  DOŚWIADCZENIA:

 

• Zapoznanie się z metodą kalorymetryczną.

• Zapoznanie się z czujnikiem temperatury.

• Wykorzystanie komputera do badania przebiegu zmian temperatury w czasie.

• Wykorzystanie komputera do przetwarzania danych pomiarowych.

• Wyznaczenie ciepła topnienia lodu.

 

STOSOWANE  PRZYRZĄDY  I  MATERIAŁY:

 

• Komputer, interfejs pomiarowy i program Coach.

• Czujnik temperatury.

• Pojemniki styropianowe, waga, chusteczka.

• Ciepła woda, drobne kawałki lodu.

 

OPIS  ZJAWISKA.

 

         Celem doświadczenia jest wyznaczenie ciepła topnienia lodu q[] / jest ono liczbowo równe ilości ciepła Q_l, jaka jest potrzebna do stopienia 1g lodu w temperaturze topnienia, czyli 0ºC:

 

                                               Q_l = q· 1g

 

Dla masy m_lodu  lodu otrzymujemy:

 

                                                  Q_lodu = q· m_lodu                                   (1)

 

Aby stopić lód o temperaturze 0ºC należy go ogrzać. Źródłem energii potrzebnej do stopienia lodu może być woda. Po wrzuceniu lodu do ciepłej wody o temperaturze T_p obserwujemy topnienie lodu i jednoczesne obniżanie się temperatury wody. Powstała z lodu woda również ogrzewa się kosztem energii cieplejszej wody. Po ustaleniu się równowagi termicznej pomiędzy ciepłą wodą i wodą z lodu temperatura obu cieczy wynosi T_k. Oznacza to, że ciepła woda oddała energię w postaci ciepła:

 

                            Q_{ciepłej wody} = c_wody· m_wody · (T_p – T_k ).                   (2)

 

Stopiony lód o masie m_l pobrał ciepło (1):

 

                                      Q_lodu = q· m_lodu ,                                           (3)

 

natomiast powstała z lodu woda na ogrzanie się do temperatury T_k pobrała ciepło:

                              Q_{wody  z  lodu}  = c_wody· m_lodu · T_k                              (4)

 

Z zasady zachowania energii wynika, że

 

                            Q_{ciepłej wody} = Q_lodu + Q_{wody  z  lodu}                              (5)

 

Stąd po podstawieniu (2),(3), (4) do (5) otrzymujemy:

 

               c_wody· m_wody · (T_p – T_k ) = q· m_lodu + c_wody· m_lodu · T_k         (6)

 

Proste przekształcenia (6) prowadzą do uzyskania wzoru na ciepło topnienia lodu w postaci:

 

                      (7)

 

Zalecane jest następujące postępowanie podczas wyznaczania temperatur T_p,T_k.

1.  Ekstrapolujemy zmiany temperatur na początku procesu i na końcu.

2.  Prowadzimy  prostą  prostopadłą do  osi czasu tak, aby pola zawarte po oby-

     dwu stronach prostej, a linią zmian temperatury były sobie równe.

3.  Punkty  przecięcia tej prostej  z liniami ekstrapolującymi  zmiany temperatur

     wyznaczają T_p i T_k.

 

 

Rys. Metoda wyznaczania temperatur.

 

 

 

 

WYKONANIE DOŚWIADCZENIA.

 

 

 

 

  1. Przygotuj  zestaw  komputerowy / połącz: komputer,  interfejs pomiarowy i

       czujnik temperatury /.

  2. Włącz  program Coach i przygotuj go do pomiaru i rejestracji zmian tempe-

       ratury od czasu.

  3. Wykonaj ważenie pustego pojemnika styropianowego /masa m₁ /.

  4. Przygotuj  drobne  kawałki lodu o temperaturze 0ºC / lód wyjęty bezpośred-

      nio z zamrażalnika ma temperaturę niższą od 0ºC, natomiast lód współistnie-

      jący w wodzie posiada odpowiednią temperaturę /.

  5. Przygotuj ciepłą wodę.

  6. Wypełnij ok.  objętości styropianowego pojemnika ciepłą wodą.

  7. Wykonaj ważenie pojemnika z wodą /masa m₂ /.

  8. Wprowadź  przygotowany / zgodnie z  punktem 1 / czujnik  temperatury  do

      wody w styropianowym pojemniku.

  9. Zastartuj pomiary zmiany temperatury.

10. Po 3 minutach wrzuć drobne kawałki lodu do wody z czujnikiem temperatu-

      ry / lód wyjęty z wody osusz chusteczką /.

11. Obserwuj   zmiany  temperatury  i   topnienie  lodu.  Zakończ   dokonywanie

       pomiaru w momencie, gdy lód stopi się, a temperatura wody ustabilizuje się

       /co będzie widać na wykresie rysowanym na ekranie/.

12. Wykonaj ważenie pojemnika z wodą /masa m₃ /.

13. Wyznacz temperatury T_p i T_k .

14. Oblicz ciepło topnienia lodu.

 

 

PRZYKŁADOWE WYNIKI

 

1. Masa wody i lodu.

 

Masa styropianowego pojemnika                                      m₁ = 3g.

 

Masa pojemnika z wodą                                                    m₂ = 117g.

 

Masa pojemnika z wodą /zawierająca wodę z lodu/          m₃ = 138g.

 

Masa wody:

                                       m_wody = m₂  - m₁ = 114g.

Masa lodu:

                                       m_lodu =  m₃  - m₂ = 21g

 

 

 

 

2. Wykres zmian temperatury od czasu.

 

 

Na podstawie sporządzonego wykresu odczytuję temperatury T_p i T_k:

 

T_p = 39,4ºC temperatura początkowa wody,

T_k = 20,9ºC temperatura końcowa wody.

 

 

3. Obliczenia.

Ponieważ  c_wody= 4,19 , to podstawiając powyższe dane do wzoru:

                           

otrzymujemy ciepło topnienia lodu q=333 . Wartość tablicowa ciepła topnie-nia lodu wynosi  q = 332.