Dane INFORMACYJNE Nazwa szkoły: Zespół Szkół Ponadgimnazjalnych im. Franciszka Ratajczaka w Kościanie ID grupy: 97/45_MF_G1 Opiekun: Anna Berlińska.

Dane INFORMACYJNE Nazwa szkoły: Zespół Szkół Ponadgimnazjalnych im. Franciszka Ratajczaka w Kościanie ID grupy: 97/45_MF_G1 Opiekun: Anna Berlińska Kompetencja: Matematyczno - fizyczna Temat projektowy: Badanie zjawisk cieplnych Semestr/rok szkolny: Semestr czwarty / rok szkolny 2011/2012

Spis treści WSTĘP „BADACZE” TERMODYNAMIKI I MATERII
PODSTAWY TEORETYCZNE ENERGIA I JEJ PRZEMIANY ENERGIA WEWNĘTRZNA I CIEPŁO BILANS CIEPLNY STANY SKUPIENIA MATERII OGRZEWANIE I CHŁODZENIE PRZEJŚCIA FAZOWE PRAWO STYGNIĘCIA NEWTONA CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA OPIS WSTĘPNY SPRAWDZANIE SŁUSZNOŚCI ZAŁOŻEŃ BILANSU CIEPLNEGO BADANIE PRZEJŚĆ FAZOWYCH WYRÓWNYWANIE TEMPERATUR PAROWANIE CIECZY PODSUMOWANIE ŹRÓDŁA MULTIMEDIALNE

Wstęp W czwartym semestrze zajęć projektu „AS KOMPETENCJI” jako temat naszej pracy wybraliśmy „Badanie zjawisk cieplnych”. Zainteresowaliśmy się tym tematem przede wszystkim dlatego, że chcieliśmy aby nasze prezentacje były z różnych działów fizyki a do tej pory zajmowaliśmy się już dynamiką, optyką i elektromagnetyzmem. W ramach projektu AS KOMPETENCJI, przy pracy MGP wykonywaliśmy już pomiary związane ze stygnięciem cieczy do tematu o funkcjach wykładniczych. Upewniło nas to, że badanie zjawisk cieplnych może być ciekawe i znacznie ułatwiło wybór tematu dla naszych zajęć na semestr czwarty.

wstęp Dzięki temu tematowi mogliśmy się bardziej zagłębić w termodynamikę oraz poznać bliżej zjawiska związane z przepływem ciepła. Celem naszego przedsięwzięcia było poznanie i ukazanie zjawisk związanych z przepływem ciepła. Obserwowaliśmy przemiany fazowe, przekazywanie ciepła, sprawdzaliśmy „słuszność” bilansu cieplnego. Wszystko to mogliśmy zobaczyć i zmierzyć dzięki dostarczonemu do szkoły w ramach projektu AS KOMPETENCJI sprzętowi doświadczalnemu. Prace prowadziliśmy w grupach – każdy miał swoje wyznaczone zadania i staraliśmy się je w pełni realizować.

wstęp Prezentacja ta obejmuje zagadnienia związane z przepływem ciepła. Omawiamy w niej zagadnienia takie jak energia i jej przemiany, związek energii wewnętrznej z temperaturą, budowę mikroskopową ciał, przejścia fazowe i wiele innych. Staraliśmy się, aby ta praca odzwierciedlała nasze działania podejmowane przy tym projekcie. Mamy nadzieję że nam się udało. Działania , które doprowadziły do powstania tej prezentacji wykonywaliśmy w grupach. Zapraszamy na prezentację.

„BADACZE” TERMODYNAMIKI I MATERII
Na początku naszej prezentacji wspomnimy w kilku słowach o naukowcach zajmujących się budowaniem teorii molekularnej oraz badaniem ciepła i termodynamiki. »» NEWTON ISAAC ( )«« Angielski fizyk, astronom i matematyk. Prace Newtona dotyczyły prawie wszystkich działów fizyki. Opublikowaną w 1701 pracę Newtona o skali stopni ciepła i zimna często uważa się za początek nauki o cieple.

»» FAHRENHEIT GABRIEL ( )«« Fizyk pochodzący z rodziny niemieckich kupców, osiadłych w Gdańsku; w 1721 opisał zjawisko przechłodzenia wody; stwierdził zależność temperatury wrzenia wody od ciśnienia. »» Avogardo Di Quaregna Amadeo ( )«« Fizyk, z wykształcenia prawnik; jeden z twórców podstaw molekularnej teorii materii; sformułował tzw. prawo Avogadra i na jego podstawie podał sposób wyznaczania ciężarów: cząsteczkowego i atomowego.

»» JOULE JAMES PRESCOTT ( ) «« Fizyk brytyjski pisał prace z zakresu elektromagnetyzmu, ciepła, budowy materii; badał wydzielanie się ciepła w przewodniku, przez który płynie prąd; uogólnił zasadę zachowania energii obejmując nią procesy, w których nie tylko energia mechaniczna, ale i elektryczna zamienia się w ciepło; wyznaczył równoważnik mechaniczny ciepła; zajmował się również zagadnieniem energii wewnętrznej gazów;

»» THOMSON WILlIAM ( )«« Brytyjski fizyk i matematyk szczególne znaczenie mają prace Thomsona dotyczące termodynamiki; opracował skalę temperatur bezwzględnych, zw. skalą Kelvina, w podał jedno ze sformułowań II zasady termodynamiki, wprowadził pojęcie energii wewnętrznej układu termodynamicznego, sformułował zasadę rozpraszania energii;

»» MACH ERNEST ( )«« Austriacki fizyk i filozof; w dziedzinie fizyki jest autorem prac z podstaw mechaniki oraz z aerodynamiki, optyki i nauki o cieple »» PLANCK MAX ( )«« Fizyk niemiecki; autor prac głównie z zakresu termodynamiki (m.in. podał termodynamiczną teorię roztworów) oraz termicznego promieniowania ciał;

podstawy Teoretyczne – energia i jej przemiany
Tematyka energii jest bardzo obszerna. Uproszczona definicja energii, którą spotykamy w fizyce, chemii, astronomii i astrofizyce, mówi nam, że jest ona wielkością, która opisuje zdolność ciała lub układu ciał do wykonania określonej pracy. Rozwijając ta definicję, musimy dodać, że energia jest wielkością opisującą stan układu: skalarną, addytywną i zachowywaną Jedna z najistotniejszych zasad, będąca podstawą całej fizyki, jest związana właśnie z pojęciem energii. Wspomnieliśmy już o niej pisząc, że energia jest wielkością zachowywaną. Tą zasadą jest oczywiście „zasada zachowania energii”. Brzmi ona następująco: w każdym izolowanym układzie fizycznym całkowita suma energii jest stała (nie zmienia się w czasie).

Aby uniknąć błędnego rozumienia opisanych zjawisk, należy zaznaczyć, że doskonałe przemiany energii z jednej w drugą, bez ponoszenia strat, są czysto teoretyczne. W rzeczywistości procesom takim towarzyszy zawsze mniejsza bądź większa strata energii. Wyobraźmy sobie znowu spadające ciało, a dokładniej moment jego zderzenia z powierzchnią ziemi. Ciało to po odbiciu nie osiągnie poprzedniej wysokości ze względu na straty energii: wzrost energii wewnętrznej piłki i podłoża (możliwy do zaobserwowania poprzez wzrost temperatury). Nie możemy powiedzieć, że skoro ciało nie osiągnęło poprzedniej energii potencjalnej, gdy zawisło w powietrzu, to energia „zginęła”. Po prostu uległa ona przemianie w inną.

Energia mechaniczna: Wcześniej mieliśmy już okazję wspomnieć o energii mechanicznej, definiując ją jako sumę energii kinetycznej (związanej z ruchem ciała lub inaczej mówiąc – jaką posiada ciało znajdujące się w ruchu) i potencjalnej danego ciała (związanej ze wzajemnym położeniem poszczególnych części ciała i zależnej od ich położenia w zewnętrznym polu sił). Wyrażając się bardziej precyzyjnie, energia mechaniczna jest to suma energii kinetycznych tworzących układ fizyczny i energii potencjalnych wszystkich oddziałujących ze sobą ciał tego układu. Gdy zastanowimy się nad różnicą pomiędzy tymi dwoma definicjami, widzimy, że druga jest zarazem bardziej ogólna i możemy stosować ją z łatwością w bardziej złożonych przypadkach.

Energia elektryczna Energia elektryczna jest kolejnym pojęciem, które można traktować niejako na dwóch płaszczyznach: życia codziennego oraz ścisłej nauki. W pierwszym przypadku bowiem hasło to rozumie się jako prace wykonywaną lub ciepło dostarczane przez urządzenia elektryczne. W ujęciu bardziej naukowym energia elektryczna jest jedną z postaci energii potencjalnej związaną ze wzajemnym oddziaływaniem ładunków. W dużym uogólnieniu energię tę można traktować jako energię pola elektrycznego (gdy występuje jedynie ciągły rozkład ładunku). Istotne jest rozróżnienie energii elektrodynamicznej i elektrostatycznej: pierwsza występuje w sytuacjach, gdy ładunki elektryczne się poruszają, druga zaś, gdy pozostają w spoczynku. elektrycznych.

Energia jądrowa Z tym rodzajem energii mamy kontakt najrzadziej, chociaż w ostatnim wieku pojęcie to stało się bardzo istotne. Energia jądrowa wykorzystywana jest w produkcji broni (bomby atomowe i wodorowe), medycynie, jak również przez elektrownie. Energia ta wyzwala się podczas łańcuchowej reakcji rozszczepienia ciężkich jąder atomowych. Energia ta jest oddawana głównie w postaci energii kinetycznej fragmentów Chcielibyśmy także wspomnieć o specyficznym rodzaju energii jądrowej - o energii termojądrowej. Powstaje ona podczas łączenia lekkich jąder atomowych. Próby uzyskania kontrolowanej reakcji tego typu trwają już wiele lat, gdyż mogłaby ona posłużyć jako najbardziej wydajne źródło energii na świecie.

podstawy Teoretyczne – energia i jej przemiany energia wewnętrzna i ciepło
Wspomnieliśmy już o energii mechanicznej Drugim rodzajem energii, według tego podziału, jest energia mikroskopowa, czyli „ukryta” energia cząstek. To jest właśnie energia wewnętrzna. Pojęcie to jest wykorzystywane głównie w termodynamice. Ograniczymy się w tym momencie do omówienia pierwszej zasady termodynamiki. Jest to po prostu inna wersja zasady zachowania energii. Aby ją zrozumieć potrzebna nam jest znajomość jeszcze jednego pojęcia: ciepła. Nie jest to, jak uważa wiele osób, rodzaj energii, lecz sposób przekazywania energii między zamkniętym układem termodynamicznym a otoczeniem, różny od pracy mechanicznej.

Poniżej podajemy pierwszą zasadę termodynamiki: ∆Q = ∆U + ∆W (Q – ciepło, U – energia wewnętrzna, W – praca) Zasada ta stwierdza, że ciepło pobrane przez układ równe jest sumie wzrostu energii wewnętrznej układu oraz pracy wykonanej przez ten układ. Najprostszym przykładem ukazującym prawdziwość tej zasady jest sytuacja, w której stykają się ze sobą dwa ciała o różnych temperaturach. Zaobserwujemy wtedy, że ciepło jest przekazywane z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Ciepło pobrane przez ciało o niższej temperaturze musi się równać wzrostowi jego energii wewnętrznej (ewentualnie dodatkowo pracy wykonanej przez ten układ nad otoczeniem zewnętrznym).

Dla określenia ilości ciepła niezbędnego do spowodowania określonego wzrostu temperatury stosuje się wielkość zwaną pojemnością cieplną C. Pojemność cieplna nie określa jednak ile ciepła przypada na dana jednostkę masy W tym celu wprowadza się kolejną wielkość zwaną ciepłem właściwym c. m- masa, Q – ciepło, Δt – zmiana temperatury. Zjawisko przenoszenia energii zachodzące dzięki różnicy temperatur nosi nazwę przewodnictwa cieplnego. Ciała można scharakteryzować wielkością zwaną przewodnością cieplną. Ciała o dużej przewodności cieplnej są dobrymi przewodnikami ciepła. Natomiast ciała, dla których przewodność ma małą wartość są dobrymi izolatorami cieplnymi (dobrymi przewodnikami ciepła są metale, a dobrymi izolatorami niemetale i gazy).

Drugim sposobem przenoszenia ciepła jest konwekcja. Jest to proces transportu ciepła zachodzący dzięki ruchom materii w obrębie dowolnego płynu. -Konwekcja swobodna zachodzi wskutek ruchów w obrębie płynu zachodzących na skutek różnic gęstości w danej substancji , która znajduje się pod działaniem pola grawitacyjnego. -Konwekcja wymuszona występuje wówczas , gdy ruchy środowiska ciekłego lub gazowego zależą od różnicy ciśnień, która powstała w tym środowisku w sposób niezależny od naturalnych procesów. Ostatni sposób przenoszeni energii to promieniowanie cieplne. Transport energii odbywa się dzięki falom elektromagnetycznym.

Promieniowanie cieplne zwane promieniowaniem termicznym i jest emitowane przez wszystkie ciała, których temperatura jest większa od zera bezwzględnego. Ciała mają także zdolność absorpcji promieniowania termicznego. Oba te procesy zachodzą równocześnie. Jeśli ciało znajdzie się w otoczeniu o niższej temperaturze niż samo posiada to wychładza się ponieważ proces emisji zaczyna przeważać nad absorpcją. Tempo obu procesów będzie takie samo gdy osiągnięty zostanie stan równowagi termodynamicznej. Promieniowanie termiczne jest związane z przejściami elektronów pomiędzy dozwolonymi poziomami energetycznymi w danym ciele.

podstawy Teoretyczne – energia i jej przemiany bilans cieplny
Bilans cieplny Jeśli zetkniemy ze sobą dwa ciała o różnej temperaturze, to następuje między nimi wymiana ciepła. Ciało o wyższej temperaturze oddaje (traci) ciepło, a ciało o niższej temperaturze pobiera (zyskuje) ciepło. Wymiana ciepła kończy się, gdy temperatury obu ciał wyrównają się. Ciepło jest formą energii (energią przekazywaną na sposób mikroskopowy), a zatem podlega ono jednemu z najbardziej podstawowych praw fizyki - zasadzie zachowania energii. W myśl tej zasady energia nie zanika bez śladu, a więc i ciepło też nie może nagle ginąć, lub powstawać z niczego podczas jego przemian termodynamicznych.

podstawy Teoretyczne – energia i jej przemiany bilans cieplny
Podstawowe równanie bilansu cieplnego ma postać: Ciepło oddane = Ciepłu pobranemu lub, używając symboli: Qpobr = Qodd Oba ciepła będące składnikami równania są liczone jako dodatnie - tzn. należy tak podstawiać do wzoru składniki ciepła pobranego i oddanego, aby obliczone ciepło miało wartość dodatnią.

podstawy Teoretyczne - stany skupienia materii
Cała materia otaczającego nas świata występuje w trzech dobrze znanych stanach skupienia: stałym, ciekłym i gazowym. Istnieje także czwarty stan skupienia – plazma.

Ciało stałe Większość ciał stałych to kryształy o płaskich powierzchniach i prostych powierzchniach i krawędziach. Typowymi przykładami kryształów są sól i cukier. Badania mikroskopowe wykazały, że inne ciała stałe, takie na przykład jak stal czy miedź, są również zbudowane z małych kryształków.

Z pomiarów za pomocą promieni rentgenowskich wynika, że każdy kryształ jest uporządkowanym układem atomów, ułożonych bardzo blisko siebie w odległości zaledwie kilku dziesiątych nanometra. Takie geometryczne ułożenie atomów znajduje często odzwierciedlenie w zewnętrznym kształcie kryształów. Wiele własności ciał stałych zależy od ułożenia ich atomów lub cząsteczek. Ciekawym tego przykładem jest węgiel, który występuje w trzech różnych postaciach krystalicznych, zwanych inaczej odmianami alotropowymi.

Wiele innych własności ciał stałych również zależy od siły i charakteru wiązań chemicznych pomiędzy ich atomami lub cząsteczkami. Przykładowo kryształy o silnych wiązaniach chemicznych mają wysoką temperaturę topnienia: ich stopienie wymaga dostarczenia dużej ilości energii. Podobnie od rodzaju wiązań zależy rozszerzalność cieplna ciał stałych. W miarę ogrzewania kryształu jego atomy lub cząsteczki poruszają się coraz szybciej. Wzrost średniej odległości między nimi, a co za tym idzie, zmiana rozmiarów kryształu zależy więc zarówno od siły wiązań jak i od temperatury.

Ciecz Siły przyciągania pomiędzy cząsteczkami cieczy są słabsze od występujących w ciele stałym. Ich działanie możemy jednak bez trudu obserwować na co dzień. Jednym ze świadczących o nich zjawisk jest napięcie powierzchniowe, które wywołuje wrażenie, iż ciecz pokryta jest cienką, elastyczną błonką. To napięcie powierzchniowe nadaje kulisty kształt kropelkom cieczy i umożliwia małym owadom spacerowanie po powierzchni wody. Efekt ten wywołują cząsteczki ze środka cieczy przyciągające ku sobie cząsteczki znajdujące się na powierzchni.

Dzięki siłom oddziaływania cząsteczek obserwujemy również podnoszenie się poziomu wody w cienkiej rurce, gdy zanurzymy jej koniec w wodzie. Zjawisko to nazywa się włoskowatością. Wywołują je siły przyciągania cząsteczek wody przez cząsteczki szkła (tzw. siły przylegania), które są większe od sił napięcia powierzchniowego. Powierzchnia wody unosi się i zakrzywia ku górze tuż przy ściankach rurki. Identyczny efekt, lecz odwrotnie skierowany, występuje w rurce z rtęcią. Napięcie powierzchniowe rtęci jest silniejsze od sił przyleganie rtęci do szkła Powierzchnia rtęci ulega więc obniżeniu i zakrzywia się w dół przy ściankach rurki

Gaz Gaz składa się z poruszających się z wielką prędkością atomów lub cząsteczek. W temperaturze pokojowej i pod normalnym ciśnieniem w każdym centymetrze sześciennym powietrza, którym oddychamy, znajduje się około 20 trylionów atomów lub cząsteczek. Ich średnia prędkość wynosi około 450 metrów na sekundę. Oczywiście, każda z cząsteczek co chwilę zderza się z innymi. Ich swobodna droga wynosi średnio zaledwie około ,0001 mm. Stopniowe mieszanie gazów, zwane dyfuzją, jest więc rezultatem milionów zderzeń.

Cząsteczki powietrza są zbyt małe, aby można je było zobaczyć gołym okiem. Obserwując jednak pod mikroskopem unoszące się w powietrzu cząsteczki dymu można zobaczyć ich niewielkie, nieregularne przesunięcia. Nazywamy je ruchami Browna - od nazwiska brytyjskiego badacza Roberta Browna, który zaobserwował to zjawisko po raz pierwszy w roku Ruchy cząsteczek dymu spowodowane są ich ciągłymi zderzeniami z cząsteczkami powietrza. Gazy bardzo łatwo dają się sprężać. Dzieje się tak, ponieważ istnieje względnie duża wolna przestrzeń między ich cząsteczkami.

Plazma Plazma to zjonizowany gaz o odpowiednio dużej koncentracji cząstek naładowanych w postaci jonów i elektronów. Na ogół gaz przed jonizacją jest elektrycznie obojętny, więc zgodnie z zasadą zachowania ładunku wytworzona plazma będzie również obojętna, ponieważ będzie zawierać jednakowe ilości ładunków dodatnich i ujemnych. Jednak na skutek na skutek termicznych ruchów jonów, elektronów, atomów lub cząsteczek w plazmie występują chaotyczne, chwilowe niejednorodności przestrzennego rozmieszczenia ładunków.

podstawy Teoretyczne - ogrzewanie i chłodzenie
Najczęstszym skutkiem zmiany energii wewnętrznej ciała jest przyrost jego temperatury. Jednak ta prosta reguła zawodzi w przypadku zbliżania się z temperaturą do temperatury przejścia fazowego – czyli np. topnienia, wrzenia. Podobny wykres jak dla wody ma większość substancji. Pewne wyjątki mogą zachodzić dla ciał stałych bezpostaciowych – dla nich topnienie nie zachodzi w stałej temperaturze – zamiast jednego punktu przemiany fazowej mamy proces mięknięcia, podczas którego temperatura powoli rośnie podczas zmiany fazy stałej na ciekłą

podstawy Teoretyczne - ogrzewanie i chłodzenie
Podczas ogrzewania (dostarczania ciepła) bez zmiany stanu skupienia dochodzi do wzrostu temperatury ciała. W przypadku odwrotnym - oziębiania - temperatura maleje. Większość substancji (ciała stałe, ciecze, gazy) reaguje zmianą na dostarczone ciepło w sposób proporcjonalny. Rządzi tym wzór: Q = m cw Δt Q - ciepło pobierane/oddawane przez ciało podczas ogrzewania/oziębiania m - masa substancji cw - ciepło właściwe Δt = tkońc - tpocz (przy ogrzewaniu) przyrost temperatury Δt = tpocz - tkońc (przy oziębianiu) zmiana temperatury

podstawy Teoretyczne - przejścia fazowe
Wraz ze wzrostem temperatury rośnie liczba cząsteczek o dostatecznie dużej energii umożliwiającej im uwolnienie się z sieci krystalicznej. Oznacza to początek topnienia. W miarę dostarczania ciepła wzrasta liczba cząsteczek opuszczających swoje stałe pozycje. Temperatura kryształu pozostaje jednak stała aż do całkowitego stopnienia ciała. W ten sposób następuje więc zmiana stanu skupienia: stałego w ciekły. Energię cieplną potrzebną do całkowitego stopienia kilograma masy danego ciała nazywamy jego ciepłem topnienia. Wzór na energię (cieplną) potrzebną do stopienia określonej ilości ciała stałego ma postać: Qt = m ∙ L Qt - energia potrzebna do stopienia m - masa topiącej się substancji L - ciepło topnienia

Podobne zjawisko występuje podczas parowania cieczy, czyli przechodzenia jej w stan gazowy. Znacznie więcej energii potrzeba jednak do przejścia cieczy w gaz niż kryształu w ciecz. Proces parowania cieczy można przyspieszyć podgrzewając ją. Dostatecznie gorąca ciecz zaczyna wrzeć, ale nawet w temperaturze wrzenia parowanie wymaga ciągłego dostarczania ciepła. Ciepło potrzebne do przeprowadzenia w parę kilograma masy cieczy nazywamy ciepłem parowania. Wzór na energię (cieplną) potrzebną do odparowania określonej ilości ciała stałego ma postać: Qp = m ∙ R Qp - energia potrzebna do odparowania m - masa parującej substancji R - ciepło parowania

Niekiedy możliwe jest powolne odparowywanie ciał stałych, na przykład kryształów kamfory. Zjawisko to nazywane jest sublimacją. Zdarzają się sytuacje, gdy możemy obserwować wszystkie trzy stany skupienia materii. Dzieje się tak np. podczas wybuchu wulkanu. Wulkan i otaczające go skały to ciała stałe. Wrząca stopiona skała jest cieczą, a unoszone w górę dymy – gazami. Znajomość praw rządzących stanami skupienia materii pozwala wytłumaczyć wiele zjawisk zachodzących wokół nas. Dzięki tym prawom możemy tworzyć nowe technologie i wynalazki ułatwiające i pomagające nam w życiu.

podstawy Teoretyczne -prawo stygnięcia newtona
Prawo stygnięcia (prawo stygnięcia Newtona) mówi, że: “Szybkość z jaką układ stygnie jest proporcjonalna do różnicy temperatur pomiędzy układem a otoczeniem.” Matematycznie można to wyrazić jako: gdzie: * T – temperatura ciała; * TR – temperatura otoczenia; * ΔT – różnica temperatur układu i otoczenia; * t – czas; * k – stała dla danego układu (zależna m.in. od fizycznej wielkości układu, jego pojemności cieplnej i jego wewnętrznej struktury, przenikalności cieplnej ścianek układu, rodzaju otoczenia).

podstawy Teoretyczne -prawo stygnięcia newtona
Z powyższego, przy założeniu stałości temperatury otoczenia, otrzymujemy ekspotencjalną zależność temperatury stygnącego układu od czasu stygnięcia: Prawo ostygania zapisane w postaci TR – temperatura otoczenia T – aktualną temperaturą układu, Ostatecznie otrzymujemy: Temperaturę stygnącego ciała w funkcji czasu ilustruje krzywa ostygania

Część doświadczalna Do badania zjawisk cieplnych wykorzystaliśmy notebooka z programem Coach6 oraz zestaw czujek pomiarowych – w tym głównie czujników pomiarów temperatury. Wykonaliśmy szereg pomiarów i doświadczeń, których wyniki opracowywaliśmy z użyciem programu Excel. Przejdźmy teraz do opisu wykonywanych przez nas doświadczeń oraz analizy uzyskanych wyników obserwacji i pomiarów. Wykonaliśmy następujące doświadczenia i obserwacje: - sprawdzanie słuszności założeń bilansu cieplnego - badanie przejść fazowych - wyrównywanie temperatur - parowanie cieczy - badanie stygnięcia cieczy

Część doświadczalna - SPRAWDZANIE SŁUSZNOŚCI ZAŁOŻEŃ BILANSU CIEPLNEGO
Pomoce dydaktyczne: Zestaw służący do przeprowadzania doświadczeń wspomaganych komputerowo, w skład którego wchodzą: czujniki temperatury, interfejs pomiarowy Coach Lab II+, oprogramowanie Coach 6, notebook. Pozostałe pomoce do przeprowadzenia doświadczeń: Kalorymetr aluminiowy; wykonane ze stali, żeliwa i mosiądzu „klocki”; palnik; zlewka; woda.

Doświadczenie miało następujący przebieg: -Do zważonego wcześniej kalorymetru wlaliśmy wodę -Zważyliśmy kalorymetr wraz z wodą -Kalorymetr wraz z wodą izolowaliśmy termicznie – umieściliśmy go wewnątrz kartonu, wypełnionego styropianem oraz pogniecionymi gazetami. -Zmierzyliśmy temperaturę wody. -Do kalorymetru z wodą wrzuciliśmy ogrzany metalowy klocek – mierząc wcześniej jego temperaturę (klocek znajdował się wcześniej w ogrzanej na palniku wodzie, na tyle długo, aby temperatura klocka i wody wyrównała się). - Po 10 minutach zmierzyliśmy temperaturę wody z klockiem metalowym.

Wyniki pomiarów: Masa kalorymetru mk = 82 g Ciepło właściwe aluminium ck = 900 J/(kg·K) Masa wody mw = 238 g Ciepło właściwe wody cw = 4190 J/(kg·K) Niepewności : Δm = 2 g ΔT = 0,2 °C

Pomiary: Metal: żeliwo stal mosiądz Masa metalu m1 = 114 g m2 = 122 g m3 = 138 g Ciepło właściwe metalu c1 = 540 J/(kg·K) c2 = 500 J/(kg·K) c3 = 440 J/(kg·K) Temperatura metalu T 1 = 76 °C T 2 = 72 °C Temperatura początkowa To = 19,6 °C To = 22,4 °C To = 22,5 °C Temperatura końcowa Tk = 22,3 °C Tk = 25,1 °C Tk = 27,2 °C

W opisanej sytuacji mamy do czynienia z przekazywaniem ciepła od metalowej bryły do wody. Temperatury bryły i wody - początkowo różne – po wymianie ciepła będą miały jedną temperaturę końcową (oznaczymy ją przez Tk). Temperatura ta będzie większa od początkowej temperatury wody, ale mniejsza od początkowej temperatury bryły. Nie możemy pominąć kalorymetru, który także się ogrzeje. Zastosujemy tu bilans cieplny – w tej konkretnej sytuacji będzie on miał postać: mn ·cn_· (tn – tk) = mw ·cw_· (tk – t0) + mk ·ck· (tk – to)

Sprawdzimy, czy ciepło oddane przez metalowe bryły: Qod = mn ·cn_· (tn – tk) jest faktycznie równe ciepłu pobranemu przez wodę i kalorymetr: Qp = mw ·cw_· (tk – t0) · (tk – to). Niepewność pomiaru wyznaczamy korzystając z metody różniczki zupełnej: ΔQp = cw_· (tk – t0) Δm + ck· (tk – to)Δm + (mw ·cw + mk ·ck )ΔT ΔQod = cn_· (tn – tk) Δm + mn ·cnΔT

Obliczamy wartości ciepła pobranego i oddanego w poszczególnych przypadkach oraz wartości niepewności pomiaru: Metal: żeliwo stal mosiądz Ciepło oddane Qod 3305,8 J 2860,9 J 2720,2 J Niepewność ΔQod 70,3 J 59,1 J 51,6 J Ciepło pobrane Qp 2891,7 J 2784,6 J 2998,8 J 241,7 J 240,7 J 242,7 J

Omówmy wyniki pomiarów dla poszczególnych metali: Żeliwo: Ciepło oddane Qod = 3305,8 J ± 70,3 J Ciepło pobrane Qp = 2891,7 J ± 241,7 J Ciepło oddane { 3235,5 – 3376,1} [J] Ciepło pobrane { 2650 – 3133,4} [J] Bilans cieplny nie został spełniony – może to wynikać z założenia, że badana przez nas bryłka żeliwa to żeliwo szare, o wartości ciepła właściwego c = 540 J/(kg·K) Być może mieliśmy do czynienia z innym rodzajem żeliwa.

Stal: Ciepło oddane Q= 2860,9 J ± 59,1 J Ciepło pobrane Q = 2784,6 J ± 240,7 J Q oddane { 2801,8 – 2920} [J] Q pobrane { 2543,9 – 3025,3} [J] Mosiądz : Ciepło oddane Q = 2720,2 J ± 51,6 J Ciepło pobrane Q = 2998,8 J ± 242,7 J Ciepło oddane { 2668,6 –2771,8} [J] Ciepło pobrane { 2756,1 – 3241,5} [J]

W przypadku stali i mosiądzu, jeżeli weźmiemy pod uwagę niepewności pomiarowe uzyskujemy wyniki, które możemy uznać za spełniające zasadę bilansu cieplnego. Musimy tutaj zwrócić uwagę na fakt, ze wszystkie nasze doświadczenia prowadzone są w warunkach szkolnych a nie laboratoryjnych – dlatego też nasz „układ izolowany termicznie” samodzielnie przez nas stworzony na pewno dawał wiele do życzenia. Do naszych doświadczeń podeszliśmy trochę nietypowo, ponieważ za pomocą bilansu cieplnego zazwyczaj wyznacza się ciepło właściwe substancji my natomiast staraliśmy się sprawdzić czy sam bilans cieplny jest możliwy do udowodnienia.

Część doświadczalna - badanie przejść fazowych
Badanie zjawiska topnienia lodu i topnienia oraz krzepnięcia kwasu stearynowego. Ćwiczenie ma na celu zbadanie zjawiska topnienia i krzepnięcia ciał: obserwację przebiegu zmian temperatury w czasie topnienia i krzepnięcia, przyporządkowanie odpowiednich obszarów wykresu fazie stałej i ciekłej oraz przejściu fazowemu.

Zestaw eksperymentalny: Interfejs pomiarowy Coach Lab II+, podłączony do komputera Czujniki temperatury Probówka ze szkła żaroodpornego Większe naczynie żaroodporne Palnik spirytusowy Kwas stearynowy Lód Woda Statyw –kalorymetr

Przebieg doświadczenia z kwasem stearynowym: Kwas stearynowy wsypaliśmy do probówki żaroodpornej. Probówkę umieściliśmy w kąpieli wodnej, podgrzewaliśmy wodę aż do stopnienia kwasu stearynowego. Do probówki włożyliśmy czujnik temperatury. Wykonywaliśmy pomiary temperatury podczas podgrzewania aż do stopienia kwasu stearynowego. Gdy kwas stearynowy się stopił wyciągnęliśmy próbówkę z wody i mieszając mierzyliśmy temperaturę podczas krzepnięcia badanej substancji.

Tabela przedstawia wyniki pomiarów:

Poniżej przedstawiamy wykres z zaznaczeniem poszczególnych elementów wykresów

Wykonane przez nas doświadczenie pozwala nam wyznaczyć temperaturę topnienia kwasu stearynowego i temperaturę jego krzepnięcia. Możemy tego dokonać odczytując wartości z wykresu. Wyraźnie na wykresie widać, kiedy dochodziło do zmiany stanu skupienia – mamy wówczas do czynienia z poziomym fragmentem wykresu. Temperaturę topnienia i krzepnięcia szacujemy na 66.5 °C. Nasze doświadczenie pozwoliło nam zobaczyć, że zmiany stanu skupienia zachodzą faktycznie w stałej temperaturze.

Przebieg doświadczenia z lodem: Wcześniej „zrobiony” lód wsypaliśmy do wewnętrznego naczynia kalorymetru, które umieściliśmy w zewnętrznym naczyniu kalorymetru, do którego wlaliśmy wodę. Podgrzewaliśmy wodę aż do stopnienia lodu. Do naczynia z lodem włożyliśmy czujnik temperatury.

Tabela przedstawia wyniki pomiarów:

Poniżej przedstawiamy wykres z zaznaczeniem poszczególnych elementów wykresów:

Wykonane przez nas doświadczenie pozwala nam wyznaczyć temperaturę topnienia lodu. Możemy tego dokonać odczytując wartości z tabeli bądź z wykresu. Wyraźnie na wykresie widać, kiedy dochodziło do zmiany stanu skupienia – mamy wówczas do czynienia z poziomym fragmentem wykresu. Temperaturę topnienia lodu szacujemy na 0,8 °C. Musimy pamiętać, że przyjęta ogólnie temperatura 0°C jako temperatura topnienia lodu jest w tzw. warunkach normalnych, czyli chociażby przy ciśnieniu 1013 hPa. W dniu, kiedy dokonywaliśmy pomiarów ciśnienie atmosferyczne wynosiło 997hPa – nie zmierzyliśmy ciśnienia wewnątrz kalorymetru, w którym znajdował się lód.

Wyznaczanie temperatury wrzenia dla denaturatu. Zestaw eksperymentalny: -Interfejs pomiarowy Coach Lab II+, podłączony do komputera -Czujniki temperatury -zlewka ze szkła żaroodpornego -Palnik spirytusowy -denaturat -węże gumowe -Statyw

Ćwiczenie ma na celu zbadanie zjawiska parowania i wrzenia : obserwację przebiegu zmian temperatury w czasie wrzenia przyporządkowanie odpowiednich obszarów wykresu fazie ciekłej oraz przejściu fazowemu. Denaturat wlaliśmy do probówki żaroodpornej. Probówkę umieściliśmy w kąpieli wodnej, podgrzewaliśmy wodę aż do wrzenia denaturatu. Do probówki włożyliśmy czujnik temperatury oraz podczepiliśmy wąż gumowy, który odprowadzał opary denaturatu. Wykonywaliśmy pomiary temperatury podczas podgrzewania aż do wrzenia.

Tabela przedstawia wyniki pomiarów przez nas wykonanych. Poniżej znajduje się wykres obrazujący zmianę temperatury jaka zachodziła w czasie Odczytując wartości z tabeli oraz z wykresu ustalamy temperaturę wrzenia dla denaturatu na °C.

Podobnie jak w przypadku topnienia i krzepniecie dla różnych substancji tak i wrzenie zachodzi w stałej temperaturze. Teraz, po wykonaniu przez nas doświadczeń możemy potwierdzić to wynikami naszych pomiarów.

Część doświadczalna - wyrównywanie temperatur
Celem ćwiczenia jest otrzymanie i analiza wykresów zmian temperatury cieczy w czasie wyrównywania temperatur. Przyrządy i materiały: interfejs pomiarowy Coach Lab II/II+, 2 czujniki temperatury, małe, metalowe naczynie, większe naczynie, osłona izolacyjna: pudełko ze styropianu, ciepła i zimna woda.

Przebieg doświadczenia: Przyłączyliśmy czujniki temperatury do interfejsu i ustawiliśmy czas pomiaru 5 minut. Jeden czujnik temperatury włożyliśmy do naczynia z gorącą wodą, a drugi do naczynia z zimną wodą (większe naczynie) – zmierzyliśmy temperaturę początkową wody w obu naczyniach. Wstawiliśmy mniejsze naczynie do większego. Wykonaliśmy pomiary zmian temperatur w obu naczyniach.

Wykres zmian temperatur w obu naczyniach:

Z wykresu możemy odczytać, że szybkość zmian temperatury w obu naczyniach jest praktycznie taka sama. Wynika to z faktu, że ilość ciepła oddanego przez wodę gorącą jest taka sama jak ilość ciepła pobranego przez wodę zimniejszą – znowu mamy do czynienia z bilansem cieplnym – czyli zasadą zachowania energii w zjawiskach cieplnych Jak ma się to do temperatury? Ponieważ nie mamy tu zmian objętości (nie wykonywana jest praca) a więc w myśl I zasady termodynamiki w obu cieczach dochodzi do zmiany energii wewnętrznej , a im większa jest energia wewnętrzna, tym większa będzie temperatura ciała.

Część doświadczalna - parowanie cieczy
Ćwiczenie ma na celu pomiar spadku temperatury cieczy podczas parowania oraz zbadanie wpływu różnych czynników na efekt parowania. Zestaw eksperymentalny: Interfejs pomiarowy Coach Lab II+, podłączony do komputera 2 czujniki temperatury Woda i denaturat

Przebieg doświadczenia: Dwa czujniki temperatury owinęliśmy kawałkami ręczników papierowych i nasączyliśmy jeden wodą a drugi denaturatem - tą sama ilością – użyliśmy strzykawki do pomiaru ilości cieczy. Po uruchomieniu pomiaru obserwowaliśmy przebieg zmian temperatury obu czujników.

Wykres zmian temperatury przedstawia się następująco:

Ciecze, aby móc rozpocząć parowanie pobierają ciepło z otoczenia – stąd obniżenie temperatury na czujniku. Szybkość parowania cieczy z jednostki powierzchni wyrażana jest wzorem v = gdzie: m - masa molowa cieczy, k - stała Boltzmanna, T - temperatura bezwzględna, p0 - ciśnienie pary nasyconej w danej temperaturze, p - aktualne ciśnienie pary nad cieczą.

Pobrane ciepło pozwala zwiększyć energie kinetyczną cząstek cieczy. Energia kinetyczna pozwala cząsteczkom cieczy parować, pomimo występowania sił przyciągania miedzy nimi. Dwie lub więcej cząsteczek może się jednocześnie zderzyć z kolejną, która zyskuje wskutek zderzenia większą energię kinetyczną od średniej energii pozostałych cząsteczek. Jeżeli zdarzy się to w pobliżu powierzchni cieczy, to może dojść do przezwyciężenia sił przyciągania przez sąsiednie cząsteczki i bogatsza energetycznie cząsteczka cieczy może przejść w stan gazowy.

Część doświadczalna - badanie stygnięcia cieczy
Badając stygnięcie cieczy postanowiliśmy wyznaczyć stałą wymiany cieplnej k dla danego układu (zależną m.in. od fizycznej wielkości układu, jego pojemności cieplnej i jego wewnętrznej struktury, przenikalności cieplnej ścianek układu, rodzaju otoczenia). Ćwiczenie ma na celu pomiar spadku temperatury cieczy. Zestaw eksperymentalny: Interfejs pomiarowy Coach Lab II+, podłączony do komputera czujniki temperatury zlewka gliceryna woda

Przebieg doświadczenia. Podgrzaliśmy glicerynę i wodę do momentu wrzenia. Wyłączyliśmy palnik. Do rozgrzanej cieczy – gdy wrzenie ustało - włożyliśmy czujnik temperatury. Zlewkę z cieczą ustawiliśmy na korkowej podkładce. Zmierzyliśmy temperaturę otoczenia i rozpoczęliśmy pomiar temperatury cieczy podczas jej stygnięcia. Zebrane wyniki odnotowane przez program Coach6 odpowiednio opracowaliśmy w programie Excel. Niepewność pomiaru temperatury oszacowaliśmy na: ΔT = 0.1 °C

W programie Excel zamieniliśmy jednostki oraz wykonaliśmy podstawowe obliczenia niezbędne do wyznaczenia wartości k. Korzystamy z przekształconego wzoru na stygnięcie Newtona, który ma postać: Gdzie: T – temperatura cieczy w danej chwili czasu TR – temperatura otoczenia To – temperatura początkowa cieczy t- czas

Korzystając z różniczki logarytmicznej wyznaczyliśmy wzór na niepewność dla k Dalsze obliczenia wykonywaliśmy korzystając z arkusza kalkulacyjnego Excel. Poniżej przedstawiamy wyniki pomiarów i obliczenia dla obu cieczy : wody i gliceryny.

Poniżej przedstawiamy wyniki naszego pomiaru stygnięcia wody w formie wykresu zależności temperatury od czasu.

Zestawienie wyników i obliczenia: t [s] T Tr T-Tr To-Tr ln[(T-Tr)/(To-T)] k dk 80,3 19 61,3 0,0000 #DZIEL/0! 120 72,2 19,5 52,7 60,8 -0,1430 0,00119 0, 240 68 20,8 47,2 59,5 -0,2316 0,00096 0, 360 61,5 21,4 40,1 58,9 -0,3845 0,00107 0, 480 58,2 21,6 36,6 58,7 -0,4724 0,00098 0, 600 54,1 21,7 32,4 58,6 -0,5926 0,00099 0, 720 51,6 21,9 29,7 58,4 -0,6762 0,00094 0, 840 47,4 22,1 25,3 -0,8331 0, 960 44,4 22,3 58 -0,9649 0,00101 0, 1080 42,3 22,5 19,8 57,8 -1,0713 0, 1200 40,5 22,7 17,8 57,6 -1,1743 0, 1320 39,4 22,9 16,5 57,4 -1,2467 0, 1440 38,1 23 15,1 57,3 -1,3336 0,00093 0, 1560 37,5 23,1 14,4 57,2 -1,3793 0,00088 0, 1680 36,8 23,2 13,6 57,1 -1,4347 0,00085 0, 1800 35,8 23,3 12,5 57 -1,5173 0,00084 0, 1920 35 23,4 11,6 56,9 -1,5903 0,00083 0, 2040 34,2 23,5 10,7 56,8 -1,6693 0,00082 0, 2160 33,4 23,6 9,8 56,7 -1,7554 0,00081 2280 32,5 8,9 -1,8517 0, 2400 31,4 23,7 7,7 56,6 -1,9948 2520 30,8 7,1 -2,0759 0, 2640 30 23,8 6,2 56,5 -2,2097 2760 29,2 5,4 -2,3478 2880 28,7 4,9 -2,4450 0, 3000 28 23,9 4,1 56,4 -2,6215 0,00087

Poniżej przedstawiamy wyniki naszego pomiaru stygnięcia gliceryny w formie wykresu zależności temperatury od czasu.

Zestawienie wyników i obliczenia: t T próbki Tr To - Tr T-Tr ln[(T-Tr)/(To-T)] k dk 240 96 22,9 73,1 0,0000 0,00000 0, 600 85,5 24,2 71,8 61,3 -0,1581 0,00026 0, 840 79,7 24,5 71,5 55,2 -0,2587 0,00031 0, 1080 74,4 24,6 71,4 49,8 -0,3603 0,00033 0, 1320 69,5 45 -0,4630 0,00035 1560 65,4 24,4 71,6 41 -0,5575 0,00036 1800 61,9 24,3 71,7 37,6 -0,6455 2160 58,8 24,1 71,9 34,7 -0,7285 0,00034 2280 56,3 23,9 72,1 32,4 -0,7999 2520 53,8 23,7 72,3 30,1 -0,8763 2760 51,7 23,3 72,7 28,4 -0,9400 3000 49,9 23 73 26,9 -0,9983 3240 48,1 22,7 73,3 25,4 -1,0598 3480 46,7 22,5 73,5 -1,1109 0,00032 3720 45,3 22,3 73,7 -1,1645 0, 3960 44,1 22,2 73,8 21,9 -1,2149 4200 43 22 74 21 -1,2595 0,00030 4440 41,9 21,8 74,2 20,1 -1,3060 0,00029 4680 21,7 74,3 19,3 -1,3480 0, 4920 40,2 21,6 18,6 -1,3863 0,00028 5160 39,5 21,5 74,5 18 -1,4204 5400 38,9 17,4 -1,4543 0,00027

Obie ciecze znajdowały się w takim samym naczyniu. Zajmowały taka sama objętość. Wyznaczamy średnią wartość współczynnika k dla wody: kw= 9,2 *10 ± 0.03 * 10 Wyznaczamy średnią wartość współczynnika k dla gliceryny: kg= 3 *10 ± 0.05 * 10 Z naszych obliczeń wynika, że dla każdej z tych cieczy i układu z nią związanego stała wymiany cieplnej k ma inną wartość

Podsumowanie Przeprowadzone przez nas doświadczenia znacznie przybliżyły nam zjawiska cieplne. Sami sprawdziliśmy, ze temperatury przy zmianie stanu skupienia są stałe tak długo, aż nie skończy się przemiana fazowa. Zobaczyliśmy, że stygniecie ciała nie przebiega liniowo w czasie, ale wykładniczo. Sprawdziliśmy zgodność bilansu cieplnego. Mamy nadzieję, że nasz pokaz pozwolił przybliżyć te zagadnienia także oglądającym. Pamiętajmy jednak, że jest wiele metod badania zjawisk cieplnych, a nasz wybór doświadczeń jest jedynie naszym sposobem na zobrazowanie zachodzących zjawisk.

podsumowanie Tylko człowiek ambitny i zarozumiały, próżny i zazdrosny chce wyperswadować innym, że jedyna jest tylko droga badania i poznania natury, a jedynie głupiec i człowiek bez rozwagi może w to uwierzyć. Giordano Bruno Dziękujemy za wspólnie spędzony z nami czas.

Bibliografia Pracownia fizyczna – Henryk Szydłowski
Z.Kąkol – „Notatki do wykładu z fizyki” D.Halliday, R.Resnick, J.Walker – „Podstawy Fizyki”

Dane INFORMACYJNE Nazwa szkoły: Zespół Szkół Ponadgimnazjalnych im. Franciszka Ratajczaka w Kościanie ID grupy: 97/45_MF_G1 Opiekun: Anna Berlińska.

Podobne prezentacje

Prezentacja na temat: "Dane INFORMACYJNE Nazwa szkoły: Zespół Szkół Ponadgimnazjalnych im. Franciszka Ratajczaka w Kościanie ID grupy: 97/45_MF_G1 Opiekun: Anna Berlińska."— Zapis prezentacji:

Podobne prezentacje

О projekcie

Zwrotny adres

Wejść

Zaloguj się poprzez sieć społeczną:

Dane INFORMACYJNE Nazwa szkoły: Zespół Szkół Ponadgimnazjalnych im. Franciszka Ratajczaka w Kościanie ID grupy: 97/45_MF_G1 Opiekun: Anna Berlińska.

Podobne prezentacje

Prezentacja na temat: "Dane INFORMACYJNE Nazwa szkoły: Zespół Szkół Ponadgimnazjalnych im. Franciszka Ratajczaka w Kościanie ID grupy: 97/45_MF_G1 Opiekun: Anna Berlińska."— Zapis prezentacji:

Podobne prezentacje

О projekcie

Zwrotny adres