Semestr IV rok szkolny 2011/2012 Dane INFORMACYJNE Nazwa szkoły: Gimnazjum im. Adama Mickiewicza w Drawsku Pom. ID grupy: 98/11_mf_g1 Kompetencja: matematyka i fizyka Temat projektowy: Zjawiska cieplne Semestr IV rok szkolny 2011/2012

Autorzy prezentacji Paulina Wilczewska Bartosz Musiał Igor Półgrabski Weronika Michalska Tomasz Matusiak Konrad Jakubczak Marta Stympin Bartosz Kurzątkowski Jakub Ostrowski Jakub Jakubowski

Spis treści I. Część teoretyczna Przemiany fazowe Ogrzewanie ciał Konwekcja Cieplny przepływ energii II. Część doświadczalna Wyznaczanie ciepła właściwego aluminium Wyznaczanie ciepła topnienia lodu Wyznaczanie temperatury palnika gazowego III. Posumowanie Wzrost kompetencji w obszarze zjawisk cieplnych

Wstęp Żyjemy w świecie, w którym następują po sobie pory roku. Nasze otoczenie jest ciepłe lub zimne. Wokół nas występują zjawiska cieplne.

Część teoretyczna

Przemiany fazowe Wymianie ciepła mogą towarzyszyć zjawiska zmiany stanu skupienia, czyli tzw. przemiany fazowe. Dostarczane ciepło w pewnej temperaturze nie podwyższa temperatury, lecz powoduje zmianę stanu skupienia.

Topnienie substancji Q=ctm Topnienie zachodzi w stałej i charakterystycznej dla danej substancji temperaturze zwanej temperaturą topnienia. Ciało topniejące pobiera ciepło z otoczenia, zatem rośnie jego energia wewnętrzna (energia potencjalna cząsteczek). Q=ctm Ciepło topnienia(ct) informuje nas, ile trzeba dostarczyć energii, aby stopić 1 kg ciała stałego bez zmiany temperatury. Wielkość tę wyrażamy w J/kg

Parowanie Jest to proces przechodzenia z fazy ciekłej danej substancji w fazę gazową, zachodzący z reguły na powierzchni cieczy. Może odbywać się w całym zakresie ciśnień i temperatur, w których mogą współistnieć z sobą obie fazy. Parowanie zachodzi wtedy, gdy cząsteczka ma dostatecznie wysoką energię kinetyczną, by wykonać pracę przeciwko siłom przyciągania między cząsteczkami cieczy. Procesem odwrotnym do parowania jest skraplanie pary.

Wrzenie cieczy To szczególny rodzaj parowania. Gdy ogrzewana ciecz osiągnie temperaturę wrzenia, parowanie zachodzi nie tylko na powierzchni, ale w całej objętości cieczy. Wrzenie każdej cieczy odbywa się w stałej temperaturze, zależnej od zewnętrznego ciśnienia. Parująca ciecz pobiera z otoczenia ciepło: Q=cpm Ciepło parowania(cp) informuje nas, jaką energię należy dostarczyć cieczy o masie 1 kg aby wyparowała, nie zmieniając temperatury. Wielkość tę wyrażamy w J/kg

Sublimacja Przemiana fazowa bezpośredniego przejścia ze stanu stałego w stan gazowy z pominięciem stanu ciekłego. Zjawisko odwrotne do sublimacji to resublimacja. Większość związków chemicznych nie sublimuje w temperaturze i przy ciśnieniu zbliżonym do warunków normalnych. Warunki sublimacji określa ciśnienie punktu potrójnego dla danej substancji. Przykładem ciała sublimującego w warunkach normalnych jest suchy lód czyli zamrożony dwutlenek węgla.

gdzie c jest ciepłem właściwym tej substancji. Ogrzewanie ciał Ciepło potrzebne do ogrzania o ΔT substancji o masie m obliczamy ze wzoru Q = c m Δ T gdzie c jest ciepłem właściwym tej substancji. Ciepło właściwe informuje nas, ile ciepła należy dostarczyć aby ogrzać 1kg substancji o 1 K. Wielkość tę wyrażamy w J/kg·K

Konwekcja Konwekcja jest jednym z kilku mechanizmów transportu energii cieplnej (wymiany ciepła). Zjawisko to w atmosferze i wodzie ma duże znaczenie w kształtowaniu klimatu i pogody na Ziemi. Rozkład temperatury wywołany konwekcją (czerwień - wyższa temperatura, niebieski - niższa) uzyskany jako symulacja komputerowa.

Cieplny przepływ energii Zjawisko to polega na przekazaniu energii od ciała o temperaturze wyższej do ciała o temperaturze niższej. Cieplny przepływ energii trwa do chwili wyrównania się temperatur. Nie wszystkie substancje jednakowo przewodzą ciepło. Dobrymi przewodnikami ciepła są metale. Do izolatorów cieplnych należy większość cieczy, szkło, piasek, drewno słoma, styropian, wełna, śnieg, wata szklana.

Izolacja cieplna budynków Obowiązek sporządzenia charakterystyki energetycznej dla wybudowanego domu oraz względy ekonomiczne coraz częściej skłaniają nas do szukania rozwiązań poprawiających komfort cieplny w naszych domach. Dobrze wykonana izolacja ścian i dachu to zmniejszenie strat ciepła o ok. 25%-30%.

Przykłady Wykorzystania Izolatorów i przewodników Takie okna odznaczają się wysoką izolacyjnością Doskonała izolacja termiczna termosu dla płynów zarówno gorących jak i zimnych. Plastikowe wykończenie brzegu kubka chroni przed poparzeniem ust.

Część Doświadczalna

Wyznaczanie ciepła właściwego aluminium Przyrządy: kalorymetr, menzurka, termometr, waga. Czynności: Do zlewki wlej 200g (m1)wody. Zmierz jej temperaturę (t1). Aluminiową bryłkę zanurz na kilka minut w naczyniu z gotującą się wodą. Przełóż aluminiową bryłkę do zlewki a wodą. Po chwili zmierz temperaturę (tk) wody w zlewce. Pomiary: masa wody m1=200g masa aluminium m2=25g temperatura początkowa wody t1=20 °C temperatura początkowa aluminium t2=100 °C temperatura końcowa wody tk=22°C

Obliczenia Q1=Q2 m1cw(tk-t1)= m2cx(t2-tk) Ciepło pobrane przez wodę Q1=m1cw(tk-t1) Ciepło oddane przez aluminium Q2=m2cx(t2-tk) Q1=Q2 m1cw(tk-t1)= m2cx(t2-tk)

Wniosek: Wyznaczona wartość ciepła właściwego aluminium wynosi 864 J·kg-1·K-1 i różni się od nieco wartości tablicowej (920 J·kg-1·K-1 ). Przyczyną różnicy są niepewności pomiarowe.

Wyznaczanie ciepła topnienia lodu Przyrządy: kalorymetr, menzurka, termometr, waga Pomiary: masa wody m1=200g masa lodu m2=20g masa kalorymetru mk=55g temperatura początkowa wody t1=17 °C temperatura końcowa wody tk=11°C

mwcw(t1-tk)+ mkck(t1-tk)=mlct +mlcw(t1-tk) Bilans cieplny Ciepło oddane przez wodę Q1=mwcw(t1-tk) Ciepło oddane przez kalorymetr Q2=mkck(t1-tk) Ciepło pobrane przez lód w czasie topnienia Q3=mlct Ciepło pobrane przez wodę powstałą z lodu Q4=mlcwtk Q1+Q2=Q3+Q4 mwcw(t1-tk)+ mkck(t1-tk)=mlct +mlcw(t1-tk)

Obliczenia Po podstawieniu danych uzyskanych w doświadczeniu i podstawieniu wartości tablicowej ciepła właściwego wody i aluminium obliczamy ciepło topnienia lodu: Wniosek: Wyznaczona wartość ciepła topnienia lodu wynosi 339 960 J/kg i nieco różni się od wartości tablicowej . Przyczyną tej różnicy są niepewności pomiarowe.

Wyznaczanie temperatury palnika gazowego Przyrządy: nakrętka stalowa, zlewka z niewielką ilością zimnej wody, termometr, menzurka, waga. Pomiary: Masa zimnej wody m1=50g Masa stalowej nakrętki m2=15g Temperatura zimnej wody t1=19⁰C Temperatura końcowa tk=34⁰C Temperatura palnika (ogrzanej stalowej nakręteki) tx Ciepło właściwe wody c1=4200 J/kg·K Ciepło właściwe stali c2=450 J/kg·K

Bilans cieplny Q1= Q2 m1c1(tk-t1) =m2c2(tx-tk) Ciepło pobrane przez wodę Q1=m1c1(tk-t1) Ciepło oddane przez stalową nakrętkę Q2=m2c2(tx-tk) Q1= Q2 m1c1(tk-t1) =m2c2(tx-tk) m1c1(tk-t1)= m2c2tx-m2c2tk m2c2tx =m1c1(tk-t1)+m2c2tk

Obliczenia Wniosek: Temperatura palnika gazowego wynosi 500ºC.

PoDsumowanie

Wiem, że … Piasek na plaży jest gorący, szybko się nagrzewa, bo ma małe ciepło właściwe.

Woda w zbiornikach wodnych jest zimna, bo stale paruje i ma duże ciepło właściwe

Duże ciepło topnienia lodu chroni nas przed powodzią

Wychodząc z wody w upalny dzień jest nam zimno, bo zachodzi intensywne parowanie

Wzrost kompetencji w obszarze zjawisk cieplnych lp IMIĘ i NAZWISKO UCZNIA WYNIK PROCENTOWY wejściowy WYNIK PROCENTOWY wyjściowy 1 Konrad Jakubczak 45 50 2 Jakub Jakubowski 90 3 Bartosz Kurzątkowski 40 4 Tomasz Matusiak 5 Weronika Michalska 35 100 6 Bartosz Musiał 65 7 Jakub Ostrowski 8 Igor Półgrabski 30 95 9 Marta Stympin 10 Paulina Wilczewska

Źródła informacji „Fizyka 1” – Krzysztof Tabaszewski– wyd. Pruszyński i S-ka „Świat fizyki cz. 2” (podręcznik dla gimnazjum) – pod redakcją B. Sagnowskiej wyd. ZamKor www.wikipedia.org http://www.czestochowa.energiaisrodowisko.pl/poradniki/broszury/broszura1_1 http://naukafizyka.blogspot.com/p/konwekcja.html