Dane INFORMACYJNE Zmiany stanów skupienia Nazwa szkoły: Gimnazjum nr 10 ID grupy: 98/71_MF_G1 Opiekun: Agnieszka Szaniewska Kompetencja: mat-fiz. Temat projektowy: Zmiany stanów skupienia Semestr/rok szkolny: II/ 2010/2011

Stany skupienia i procesy prowadzące do ich zmiany Rys. 1. Źródło: http://sciaga.onet.pl/12581,60,166,102,1,20138,sciaga.html T r e ś ć s l a j d u

Wykres zmian temperatury podczas zmian stanów skupienia wody Rys. 2. Źródło: http://www.lepla.edu.pl/pl/modules/Activities/m18/m18-theo.htm

Ciepło właściwe substancji Ciepło właściwe jest równe energii, którą należy dostarczyć aby podnieść temperaturę 1 kg substancji o 1 stopień. c – ciepło właściwe ΔQ – ciepło dostarczone/oddane m - masa substancji ΔT - zmiana temperatury

Ciepło topnienia Ciepło topnienia jest równe ilości ciepła, jakie należy dostarczyć substancji, aby je stopić, bez zmiany temperatury. [ctop]=J/kg ctop – ciepło topnienia Q – ciepło dostarczone m - masa substancji

Tabela – substancje i ich ciepło topnienia Substancja Ciepło topnienia kJ/kg lód 333,7 rtęć 11,3 woda tlen 13 wosk 176 dwutlenek węgla 180 Źródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/Ciep%C5%82o_topnienia

Ciepło parowania Ciepło parowania jest równe ilości ciepła, jakie należy dostarczyć 1 kg cieczy, aby zmienić ją w parę, bez zmiany temperatury. [cpar]=J/kg cpar – ciepło parowania Q – ciepło dostarczone m - masa substancji

Tabela – substancje i ich ciepło parowania Substancja Ciepło parowania kJ/kg Aluminium 10 500 Żelazo 6 340 Woda 2 257 Wodór 454 Rtęć 301 Źródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/Ciep%C5%82o_parowania

Doświadczenie 1: Mierzenie temperatury powietrza Przy użyciu konsoli Coach II, przeprowadziliśmy doświadczenie, które miało na celu przetestowanie działania czujników temperatury. Ustawiliśmy pomiar na 5 minut i obserwowaliśmy pomiar temperatury w czasie. Według pomiarów zamieszczonych na Wykresie 1 w naszej sali panowała temperatura 240C.

Doświadczenie 1: Mierzenie temperatury powietrza Wykres 1.

Doświadczenie 2: Ochładzanie się ciepłej wody Na początku wlaliśmy 200 ml wrzątku do zlewki. Pomiar ustawiliśmy na 15 minut. Temperatura wody początkowo wynosiła 90,50C. Po zakończeniu doświadczenia temperatura wody wynosiła 590C.

Doświadczenie 2: Ochładzanie się ciepłej wody Wykres 2.

Doświadczenie 2: Ochładzanie się ciepłej wody Wnioski: Jak widać na Wykresie 2 temperatura nie spada proporcjonalnie do czasu – naszybciej woda ochładza się na początku, kiedy różnica między temperaturą wody i powietrza jest największa (widać to w pierwszej minucie pomiaru). Później proces oddawania ciepła i stygnięcia wody jest coraz wolniejszy. Ze względu na ograniczenia czasowe zajęć, nie mogliśmy poczekać, aż temperatura wody i powietrza wyrównają się. Znając masę wody i różnicę między temperaturą początkową wody i końcową, możemy policzyć ile ciepła woda oddała w ciągu 15 minut do otoczenia (powietrza w klasie).

Doświadczenie 2: Ochładzanie się ciepłej wody Wnioski: Vwody= 200ml mwody = 0,2 kg cwody = 4190 J/kg·K ΔT = 31,5 K Więc ciepło oddane z wody do otoczenia: ΔQ = c·m·ΔT ΔQ = 4190 J/kg·K · 0,2kg · 31,5 K = 26397 J

Doświadczenie 3: Wrzenie wody Do czajnika wlaliśmy 1 litr wody. Początkowa temperatura wody wynosiła 260C. Włączyliśmy następnie czajnik do źródła napięcia i czekaliśmy aż woda się zagotuje.

Doświadczenie 3: Wrzenie wody Wykres 3.

Doświadczenie 3: Wrzenie wody Wnioski: Na Wykresie 3 widać, że temperatura wody rośnie proporcjonalnie do czasu przez około 4 minuty. Po osiągnięciu temperatury 99,20C woda zaczęła wrzeć. Proces wrzenia (zmiany stanu skupienia), zgodnie ze schematem na Rys. 2, powinien zachodzić w stałej temperaturze. To też obserwujemy na Wykresie 3 w ostatniej minucie pomiaru. Na kolejnych wykresach (4 i 5) widać stałą temperaturę podczas procesu wrzenia wody (kolejne powiększenia Wykresu 3).

Doświadczenie 3: Wrzenie wody Wykres 4. Wykres 5.

Doświadczenie 3: Wrzenie wody Wnioski: Możemy policzyć ilość ciepła, jaką oddała wodzie grzałka czajnika: mwody = 1 kg cwody = 4190 J/kg·K ΔT = 73,2 K Więc ciepło oddane przez grzałkę: ΔQ = c·m·ΔT ΔQ = 4190 J/kg·K · 1kg · 73,2 K = 306708 J Możemy też policzyć przybliżoną moc grzałki: P = ΔQ/t P = 306708 J/ 246 s = 1247 W

Doświadczenie 4: Topnienie lodu i wyrównywanie temperatur

Doświadczenie 4: Topnienie lodu i wyrównywanie temperatur W jednym pojemniku umieściliśmy 0,2 kg lodu a w nim pierwszy czujnik temperatury. Zlewkę z lodem umieściliśmy w większej, wypełnionej 0,6 kg wody o temperaturze 900C.

Doświadczenie 4: Topnienie lodu i wyrównywanie temperatur Wynik doświadczenia: Kolorem niebieskim zaznaczona jest zmiana w czasie temperatury wody, a kolorem zielonym – temperatura lodu, a następnie wody o mniejszej masie (w mniejszym pojemniku). Wykres 6.

Doświadczenie 4: Topnienie lodu i wyrównywanie temperatur Topnienie lodu odbywa się cały czas w stałej temperaturze, aż zniknie ostatni kryształek lodu i od tego czasu rozpoczyna się ogrzewanie wody powstałej z lodu. Woda, która współistniała z lodem, miała temperaturę 00C i nie mogła się ogrzać dopóki cały lód nie stopniał. Na wykresie widać wahania temperatury pomiaru (wynikające z tego, że czujnik był nieprawidłowo osadzonyw lodzie) a stała temp. utrzymuje się do około 5,5 minuty pomiaru. Sam proces topnienia trwał jednak 11 minut. Wykres 7.

Doświadczenie 4: Topnienie lodu i wyrównywanie temperatur Jeżeli stykają się ze sobą dwa ciała, pomiędzy którymi może zajść wymiana cieplna, to ciało ktore ma wyższą temperaturę oddaje część energii temu o niższej. W wyniku tego następuje wzrost temperatury ciała mającego niższą temperaturę. Trwa to tak długo aż do wyrównania się temperatur ciał. Na Wykresie 8 widać, że temperatury wody w obu pojemnikach niemal się wyrównały po upływie 35 minut od rozpoczęcia eksperymentu. Wykres 8.

Podsumowanie Wykonując powyższe doświadczenia nauczyliśmy się planować i robić eksperymenty oraz obserwować zachodzące zjawiska i wyciągać wnioski. Wzbogaciliśmy również naszą Szkołę w bazę instrukcji do wykonywania eksperymentów związanych ze zmianą stanów skupienia na najprostszej i najlepiej dostępnej substancji jaką jest woda. Staraliśmy się, żeby czas eksperymentu nie przekraczał 35 minut, tak, by dowiadczenia mogły być wykorzystane do pokazu na lekcjach fizyki w innych klasach.