Měření měrného skupenského tepla tání ledu

Transkript

1 KATEDRA EXPERIMENTÁLNÍ FYZIKY PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA UNIVERZITY PALACKÉHO V OLOMOUCI FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM Z MOLEKULOVÉ FYZIKY A TERMODYNAMIKY Měření měrného skupenského tepla tání ledu

2 Úvod Tání, měrné skupenské teplo tání Tání je změna skupenství pevné látky v kapalnou, která nastává při určité teplotě za daného vnějšího tlaku, přijímá-li látka teplo. U krystalických látek tání nastává tehdy, když je narušena krystalová mřížka, tj. když amplituda kmitání částic krystalové mřížky je srovnatelná se vzdáleností mezi částicemi. Tehdy energie kmitání vzroste na hodnotu vazebné energie krystalu, vazba se rozruší a krystal přejde do kapalné fáze. K narušení vazeb dochází jen při určité teplotě. Tání nastává při určitém tlaku a teplotě. Tuto tepotu nazýváme teplotou tání T t. a závisí jen na vnějším tlaku. Zvýší-li se tlak nad pevnou látkou, potom se teplota tání dané pevné látky buď sníží (např. voda v krystalickém stavu) nebo zvýší (platí pro většinu pevných látek). Amorfní látka nemá určitou teplotu tání. U této látky existuje interval měknutí. Měrné skupenské teplo tání l t je teplo, které přijme homogenní pevné těleso o hmotnosti 1 kg zahřáté na teplotu tání při daném tlaku, aby změnilo skupenství za téže teploty a tlaku. Tedy měrné skupenské teplo tání závisí na tlaku a teplotě. Jednotkou je J kg -1. 1

3 1. Měření měrného skupenského tepla tání ledu Za normálních podmínek (teplotě 0 C a tlaku 1, Pa) je měrné skupenské teplo tání ledu l t = 3, J.kg -1. Vložíme-li do kalorimetru o tepelné kapacitě K, který obsahuje vodu o hmotnosti m 1, teplotě t 1 a měrné tepelné kapacitě c, led o hmotnosti m 2, jehož teplota je t 0 = 0 C (tj. teplota tání ledu za normálních podmínek), led v kalorimetru nejprve roztaje a vzniklá voda se ohřeje na výslednou teplotu t v kalorimetru. Platí kalorimetrická rovnice a odtud měrné skupenské teplo tání ledu ( )( ) ( ) ( )( ) ( ). U Dewarovy nádoby je tepelná izolace realizována vzduchoprázdnou mezerou mezi skleněnými stěnami. Stěny jsou opatřeny lesklým kovovým nátěrem, aby se minimalizovalo vyzařování tepla. Podobné konstrukce je termoska. Obr. 1: Průřez Dewarovou nádobou 1. 1 Pomůcky Dewarova nádoba, teploměr, voda, led, stopky, digitální váhy Postup měření Nejprve určíme tepelnou kapacitu kalorimetru. 2

4 Zvážíme prázdný suchý kalorimetr, jeho hmotnost je m 0. Kalorimetr naplníme asi do dvou třetin vodou, jejíž teplotu volíme mezi 30 C až 40 C a určíme hmotnost m 1. Hmotnost vody v kalorimetru m 1 = m 1 - m 0. Měříme ve třech etapách. Vodu v kalorimetru promícháváme a po půl minutě zapisujeme její teplotu (I. etapa). Během první etapy si připravíme přiměřené množství ledu. Roztlučeme led na menší kousky a osušíme filtračním papírem. Při odečtení poslední teploty v první etapě (tj. první teploty ve druhé etapě) vhodíme led do kalorimetru. Teplota v kalorimetru klesá zprvu rychle, pak pomaleji. Obsah kalorimetru stále mícháme a jako poslední hodnotu ve druhé etapě bereme nejnižší teplotu kalorimetru. Tato hodnota je první hodnotou třetí etapy. Ve třetí etapě provedeme ještě deset měření po půl minutě. Množství použitého ledu musí být zvoleno tak, aby teplota v kalorimetru klesla alespoň o 15 C (pod teplotu místnosti), ale zároveň neklesla až na 0 C. Je-li ledu příliš mnoho, ochladí se obsah kalorimetru na 0 C a další tání ledu by mohlo nastat jen výměnou tepla s okolím. Skupenské teplo tání ledu v tomto případě nelze určit a měření je třeba opakovat s menším množstvím ledu, popř. s vyšší počáteční teplotou vody nebo větším množstvím vody. Po skončení třetí etapy měření zvážíme znovu kalorimetr, jeho hmotnost je m 2. Hmotnost ledu, který roztál v kalorimetru je tedy m 2 = m 2 - m 1. Do vztahu pro výpočet měrného skupenského tepla dosazujeme za teplotu t 1 poslední teplotu v první etapě (neboli první teplotu ve druhé etapě), jako teplotu t opravenou poslední teplotu ve druhé etapě. Teplota t 0 = 0 C, nebo závislost bodu tání na barometrickém tlaku je mnohem menší než u bodu varu. Měření je zatíženo chybou související s tím, že led při vhazování do kalorimetru není dokonale suchý, ve hmotnosti m 2 je tedy obsaženo určité procento vody. Při měření využijte tabulku 1 z Kalorimetrického měření I. cyklu pro zápis teplot v etapách. Výsledek měření porovnáme s tabelovanou hodnotou. 3

5 Příklady k měření: 1. Led o hmotnosti 850 g a teplotě 0 C vložíme do kalorimetru, v němž je voda o hmotnosti 420 g a teplotě 55 C. Tepelná kapacita kalorimetru K = 100 J K -1. Určete výslednou teplotu vody v případě, že všechen led roztaje. 2. Nádobu s ledem o teplotě 0 C vložíme do vody o teplotě 0 C. Roztaje led? 3. Vypočtěte teplo potřebné k přeměně ledu o hmotnosti 2 kg a teplotě -5 C na vodu téže hmotnosti a teploty 70 C. Měrná tepelná kapacita ledu je 2,14 kj kg -1 K -1. 4