2.3 Wyznaczanie ciepła parowania wody (C3)

86 Ciepło

2.3 Wyznaczanie ciepła parowania wody (C3)

Celem ćwiczenia jest pomiar ciepła parowania wody w temperaturze wrzenia.

Zagadnienia do przygotowania:

– temperatura i energia wewnętrzna;

– przepływ ciepła, pierwsza zasada termodynamiki;

– zasada działania i metoda pomiaru ilości ciepła za pomocą kalorymetru;

– przemiany stanu skupienia materii i związane z tym ciepło przemiany.

Literatura podstawowa: [2], [9], [10].

2.3.1 Podstawowe pojęcia i definicje

Większość informacji podana została w rozdziale 2.2, tutaj przedstawione są spe- cyficzne pojęcia potrzebne przy wyznaczeniu ciepła topnienia lodu przy użyciu kalo- rymetru.

Układ doświadczalny (przedstawiony na rysunku 2.3.1) pozwala na skroplenie pa- ry wodnej o temperaturze 100^◦C w kalorymetrze wypełnionym wodą o temperaturze początkowej Tp. Mierząc ilość ciepła wydzielanego przy skraplaniu się pary wodnej, wyznaczamy oczywiście ilość ciepła potrzebnego na odparowanie tej samej masy wody.

wê¿ownica kalorymetr

woda kocio³ek

termometr para wodna

grzejnik

Rys. 2.3.1: Układ pomiarowy do wyznaczania ciepła parowania wody.

Na początku musimy wyznaczyć masę m_k suchego kalorymetru wraz z wężownicą i mieszadełkiem. Następnie napełniamy kalorymetr wodą i wyznaczamy jej masę m_w ważąc kalorymetr z wodą. Mierzymy temperaturę początkową Tp i wprowadzamy wąż z parą wodną na pewien czas do kalorymetru. Po skropleniu się pary wyznaczamy temperaturę T_k jaka się ustabilizowała w kalorymetrze. Ważąc powtórnie kalorymetr z wodą wyznaczamy masę skroplonej pary mp. Ciepło oddane przy skraplaniu pary qp

Wyznaczanie ciepła parowania wody (C3) 87

na jednostkę jej masy i przy ochładzaniu wody powstałej ze skroplonej pary od 100^◦C do T_k musi być równe ciepłu pobranemu przez kalorymetr i wodę w nim zawartą

mp[qp+ cw(100^◦C − Tk)] = (cwmw+ c_km_k) (T_k− Tp) . (2.3.1) Ciepło parowania wody jest więc równe

q_p= (c_wm_w+ c_km_k) (T_k− Tp)

m_p − cw(100^◦C − Tk) . (2.3.2) Jeżeli średnie ciepło kalorymetru było wyznaczane eksperymentalnie, należy wy- znaczyć z pomiaru wielkość C = c_km_k, aby uniknąć zwiększania niepewności pomiaru pochodzącej z niedokładności wyznaczenia m_k.

2.3.2 Przebieg pomiarów Układ doświadczalny

Przyrządy: palnik i kociołek do wytwarzania pary wodnej, kalorymetr z wężownicą do skraplania pary, termometr, waga z zestawem odważników.

Przebieg doświadczenia

Upewnić się, że w kociołku jest odpowiednia ilość wody, a następnie włączyć palnik.

W czasie gdy woda w kociołku będzie się podgrzewać, zważyć wewnętrzne naczynie kalorymetru, mieszadełko i wężownicę, upewniwszy się uprzednio, że nie ma w niej wody. Nalać wody do kalorymetru tak, aby cała spirala wężownicy była zakryta, zważyć kalorymetr z wodą.

Wstawić kalorymetr do zewnętrznego naczynia izolującego i rozpocząć obserwację temperatury. Kiedy temperatura wody w kalorymetrze ustabilizuje się, zanotować ją i rozpocząć wprowadzanie pary do wężownicy. Należy zminimalizować ilość pary, która skropli się poza kalorymetrem.

Gdy temperatura wzrośnie o 10 − 15^◦C zakończć wprowadzanie pary do wężow- nicy i ponownie zaczekać na ustabilizowanie się temperatury w kalorymetrze. Zapisać temperaturę końcową i zważyć kalorymetr w celu ustalenia masy skroplonej pary wod- nej. Kilkakrotnie powtórzyć wykonane pomiary. Na koniec wyznaczyć średnie ciepło właściwe kalorymetru. W tym celu do kalorymetru z wodą o ustalonej temperatu- rze i znanej masie dolać wody o innej znanej temperaturze i masie. Po ustaleniu się równowagi zmierzyć temperaturę końcową.

2.3.3 Opracowanie wyników

Obliczyć ciepło właściwe kalorymetru i oszacować niepewność pomiaru tego ciepła.

Obliczyć ciepło parowania wody korzystając z wcześniejszego rezultatu. Wyznaczyć niepewność pomiarową otrzymanych wyników. Porównać wynik z wartością tablicową i przedyskutować niepewności systematyczne wykonanych pomiarów.