Zespół Szkół Miejskich Nr 1 w Wałczu Matematyczno-fizyczna Dane INFORMACYJNE Nazwa Szkoły Zespół Szkół w Mosinie Zespół Szkół Miejskich Nr 1 w Wałczu ID grupy 98/67_MF_G2 98/82_MF_G2 kompetencja Matematyczno-fizyczna Temat projektowy Zjawiska cieplne Semestr Rok szkolny IV semestr 2011/2012

Część teoretyczna

WSTĘP Człowiek rozumie intuicyjnie, co to znaczy, że jest mu ciepło lub zimno. Jest to zgodne z odczuciami receptorów, które mamy w skórze. Aby uściślić codzienne pojęcia "ciepły" i "zimny", używamy pojęcia "temperatura". Jest to wielkość fizyczna, którą możemy określić dla każdego ciała. Jeśli jakieś ciało jest cieplejsze, na ogół ma wyższą temperaturę. PRZYJRZYJMY SIĘ TEMU BLIŻEJ ->>

Energia wewnętrzna a temperatura Energia wewnętrzna jest sumą energii kinetycznej cząstek ciała i energii ich wzajemnego oddziaływania ( energii potencjalnej). Temperatura jest miarą energii kinetycznej cząstek materii. Im wyższa jest jej wartość, tym większą średnią energię kinetyczną posiadają cząstki budujące dane ciało.

Skale temperatur Do określenia temperatury najczęściej używa się skali Celsjusza i skali Kelvina. Kelvin[K] jest podstawową jednostką temperatury w układzie SI Między obiema skalami zachodzą następujące zależności: Temperatura 0[K] to zero absolutne/bezwględne, najniższa możliwa temperatura, w której cząsteczki nie wykonują żadnych drgań. Zero absolutne nigdy nie zostało osiągnięte

I zasada termodynamiki Zmiana energii wewnętrznej jest równa sumie pracy (W) wykonanej przez układ bądź nad układem i ciepła (Q)dostarczonego lub oddanego przez układ. Podczas wymiany ciepła nie jest wykonana praca mechaniczna, a przekazywanie energii odbywa się na drodze przewodzenia, konwekcji lub promieniowania

Ciepło właściwe Niektóre substancje ogrzewają się szybciej np. ołów, stal, a inne wolniej np. woda. Związane jest to z ich budową wewnętrzną. Do opisu tej właściwości substancji wprowadzono pojęcie ciepła właściwego. Ciepło właściwe jest to wielkość fizyczna, która informuje nas ile ciepła (energii) należy dostarczyć, aby ogrzać 1 kg danej substancji o 1 K (1 oC). Ciepło właściwe wody wynosi: Oznacza to, że aby ogrzać 1 kilogram wody o 1K (1oC) potrzebne jest dostarczenie energii o wartości 4200 dżuli.

ciepło oddane = ciepło pobrane Bilans cieplny Ciepło potrzebne do ogrzania o ∆T ciała o masie m można obliczyć ze wzoru: Bilansem cieplnym nazywamy zasadę zachowania energii cieplnej dla stykających się ciał o różnej temperaturze, między którymi zachodzi wymiana energii. Jeżeli nie ma wymiany ciepła z otoczeniem (co jest spełnione w dobrze izolowanym kalorymetrze) to ilość ciepła traconego przez ciała o wyższej temperaturze równa jest ilości ciepła pobranego przez ciało o niższej temperaturze. ciepło oddane = ciepło pobrane Qoddane = Q pobrane

ciepło oddane = ciepło pobrane Bilans cieplny Ciepło potrzebne do ogrzania o ∆T ciała o masie m można obliczyć ze wzoru: 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. Jeśli ilość ciepła pobranego przez ciało o niższej temperaturze jest równa ilości ciepła oddanego przez ciało o wyższej temperaturze, to mówimy, że zachodzi bilans cieplny. ciepło oddane = ciepło pobrane Qoddane = Q pobrane

kalorymetr Kalorymetr – przyrząd laboratoryjny do pomiaru ciepła wydzielanego lub pobieranego podczas procesów chemicznych i fizycznych. Najprostszy kalorymetr, tzw. "szkolny" jest urządzeniem, które mierzy zmiany temperatury ciepła właściwego cieczy i ciał stałych, ciepła topnienia i ciepła parowania.

Część eksperymentalna

Badanie przewodzenia ciepła Do metalowego pręta mocujemy „na parafinę” pinezki. Pręt jednym końcem mocujemy do statywu, a drugi ogrzewamy palnikiem. Obserwujemy jak po pewnym czasie pinezki kolejno odpadają, pierwsze te najbliżej palnika.

Badanie przewodzenia ciepła WNIOSEK: metale są dobrymi przewodnikami ciepła. Ich przeciwieństwem są izolatory ciepła

WYZNACZANIE CIEPŁA WŁASCIWEGO WODY Wodę wlewamy do czajnika, włączamy go i mierzymy czas potrzebny na zagotowanie wody. Rysunek obok przedstawia plan doświadczenia oraz wyprowadzony wzór do obliczenia ciepła właściwego wody. Musimy znać masę wody (m), moc czajnika (P), czas gotowania (t) oraz zmianę temperatury ∆T.

WYZNACZANIE CIEPŁA WŁASCIWEGO WODY Wyznaczone przez nas ciepło właściwe wody wynosi: i jest znacznie większe od wartości tablicowej. Po zastanowieniu doszliśmy do wniosku, że część energii grzałki jest tracona na ogrzanie samego czajnika oraz jego najbliższego otoczenia.

WYZNACZANIE CIEPŁA WŁASCIWEGO nieznanej substancji Celem tego doświadczenia jest identyfikacja nieznanej substancji dzięki wyznaczeniu jej ciepła właściwego za pomocą kalorymetru. Do obliczeń wykorzystamy zasadę bilansu cieplnego. Wyniki pomiarów - kalorymetr pusty 89,5g - kalorymetr z wodą 227,62g - ciało stałe 121,02g temp. początkowa wody 17,7°C temp. początkowa ciała 100°C - temperatura końcowa 24,1°C

WYZNACZANIE CIEPŁA WŁASCIWEGO nieznanej substancji

WYZNACZANIE CIEPŁA WŁASCIWEGO nieznanej substancji

WYZNACZANIE CIEPŁA WŁASCIWEGO nieznanej substancji

WYZNACZANIE CIEPŁA WŁASCIWEGO nieznanej substancji Po obliczeniach i zaokrągleniu otrzymano wynik: Poszukiwania w tablicach fizycznych substancji o podobnej wartości doprowadziły nas do cynku którego ciepło właściwe wynosi: Doszliśmy do wniosku, że rozbieżność ta może wynikać z nieuwzględnienia ciepła pobieranego przez sam kalorymetr oraz dokładność pomiarów.

Podsumowanie i wnioski Zjawiska cieplne towarzyszą nam na co dzień a znajomość właściwości cieplnych substancji stanowi o ich wykorzystaniu w przemyśle, budownictwie i innych. Dom z dobrą izolacją to mniejsze zużycie energii i kosztów związanych z jego ogrzaniem. Wielkością fizyczną charakteryzującą cieplne właściwości substancji jest ich ciepło właściwe, dlatego poza dodatkowym badaniem przewodnictwa cieplnego skupiliśmy uwagę na wyznaczeniu tej właśnie wielkości. Pracę podzieliliśmy między 2 grupy na część teoretyczną i obliczenia oraz część eksperymentalną z wykorzystaniem zestawu COACH.