Ezen az oldalon két olyan élményt írunk le, amelyek lehetővé teszik számunkra a víz fúziójának látens hőjének meghatározását:
A jég a vízen úszik, a jég sűrűsége kisebb, mint a víz sűrűsége. Ez a tény lehetővé teszi számunkra, hogy kísérletet tervezzünk a víz fúziós hőjének mérésére.
A második kísérlet a keverékek eljárása, hasonlóan a szilárd anyag fajlagos hőjének meghatározásához
Állapotváltozások
Normális esetben az anyag hőmérséklete megváltozik, amikor hőt vesz fel vagy továbbít a környező környezetbe. Amikor azonban egy anyag fázist vált, a hőmérséklet változása nélkül elnyeli vagy leadja a hőt. A Q hő, amely egy anyag m tömegének ellátásához szükséges a fázis megváltozásához, egyenlő
ahol L-t az anyag látens hőjének nevezzük, és a fázisváltozás típusától függ.
Például ahhoz, hogy a víz szilárd anyagból (jégből) folyadékká váljon, 0 ° C-on 334 · 10 3 J/kg-ra van szükség. 100 ° C-on folyadékról gőzre váltáshoz 2260 · 10 3 J/kg szükséges.
A következő táblázat az egyes anyagok állapotváltozásaival kapcsolatos adatokat tartalmazza.
| Jeges víz) | 0 | 334 | 100 | 2260 |
| Etilalkohol | -114. | 105 | 78.3 | 846 |
| Aceton | -94.3 | 96 | 56.2 | 524 |
| Benzol | 5.5 | 127. | 80.2 | 396 |
| Alumínium | 658,7 | 322-394 | 2300 | 9220 |
| Ón | 231.9 | 59 | 2270 | 3020 |
| Vas | 1530 | 293 | 3050 | 6300 |
| Réz | 1083 | 214 | 2360 | 5410 |
| Higany | -38.9 | 11.73 | 356,7 | 285 |
| Vezet | 327.3 | 22.5 | 1750 | 880 |
| Kálium | 64. | 60.8 | 760 | 2080 |
| Nátrium | 98 | 113 | 883 | 4220 |
Forrás: Koshkin N. I., Shirkevich M. G . Elemi fizika kézikönyve, Edt. Mir (1975) pp. 74-75.
Az állapotváltozások minőségileg a következőképpen magyarázhatók:
Szilárd anyagban az atomok és molekulák elfoglalják a kristályrács csomóinak rögzített helyzetét. A szilárd anyag rögzített térfogatú és külső erők hiányában bizonyos alakú.
Az atomok és molekulák a stabil egyensúlyi helyzetük körül rezegnek, amplitúdójuk növekszik a hőmérséklet növekedésével. Eljön az idő, amikor legyőzik azokat a vonzó erőket, amelyek az atomokat rögzített helyzetükben tartják, és a szilárd anyag folyadékká válik. Az atomokat és a molekulákat továbbra is vonzó erők tartják össze, de egymáshoz képest mozoghatnak, ami a folyadékokat alkalmazkodásra készteti az őket tartalmazó tartályhoz, de állandó térfogatot tart fenn.
Ha a hőmérsékletet tovább emelik, legyőzik azokat a vonzó erőket, amelyek együtt tartják a folyadékban lévő atomokat és molekulákat. A molekulák messze vannak egymástól, mozoghatnak az őket tartalmazó tartályban, és csak akkor lépnek kapcsolatba, amikor nagyon közel vannak egymáshoz, abban az pillanatban, amikor ütköznek. A gáz az azt tartalmazó tartály alakját veszi fel, és hajlamos az összes rendelkezésre álló térfogatot elfoglalni.
Klasszikus példa a fajlagos hő és a látens hő fogalmának használatára a következő:
Határozza meg azt a hőt, amelyet hozzá kell adni ahhoz, hogy 1 g -20 ° C-on jeget 100 ° C-os gőzzé alakítson. Az adatok a következők:
- Jég fajhője = 2090 J/(kg K)
- A jég fúziós hője Lf = 334 10 3 J/kg
- Víz fajhője c = 4180 J/(kg K)
- A víz elpárologtatási hője Lv = 2260 10 3 J/kg
Szakasz:
-
1 g jég hőmérsékletét -20ºC-ról (253 K) 0 ° C-ra (273 K) emelik.
A jég megolvad
A víz hőmérséklete 0 ºC-ról (273 K) 100 ºC-ra (373 K) emelkedik
1 g vizet 100 ° C hőmérsékleten gőzzé alakítunk ugyanazon a hőmérsékleten
Ha van olyan hőforrásunk, amely q J/s állandó sebességgel szolgáltatja az energiát, kiszámíthatjuk az egyes szakaszok időtartamát
A nem méretezett ábra azt mutatja, hogy a hőmérséklet hogyan növekszik, ha a rendszerbe hő kerül. A víz elpárologtatása nagy mennyiségű hőt igényel, amint azt a grafikonon és a példában elvégzett számításokban láthatjuk.
| 0 | -húsz |
| 41.8 | 0 |
| 375,8 | 0 |
| 793,8 | 100 |
| 3053.8 | 100 |
A látens fúziós hő mérése (I)
A termoszt jéggel megtöltik és bezárják. A dugón egy hosszú üvegcsövet, kis S szelvényt és két kábelt kötnek össze, amelyek olyan ellenállással kapcsolódnak össze, amelyen keresztül elektromos áram kering, amely felmelegíti a jeget, hogy 0 ° C-on vízzé alakuljon át.
A csövön keresztül vizet adnak az üveg megtöltéséhez és a cső birtoklásához.
Az ábra bal oldalán a kezdeti helyzet látható. A jobb oldalon a helyzet egy bizonyos idő után t, miután az ellenállást akkumulátorhoz csatlakoztatta.
Az elektromos ellenállás felmelegíti a jeget, megolvad és a rendszer térfogata csökken, ennek következtében az üvegcsőből a víz átjut a termoszba. Mérjük a víz magasságváltozását a beosztott függőleges csőben.
A kísérlet abból áll, hogy meg kell mérni a rendszer térfogatának bizonyos mértékű csökkentéséhez szükséges energiát állandó hőmérsékleten és állandó nyomáson.
A kiindulási állapotban M jégtömegünk sűrűsége ρh = 0,917 g/cm 3 V0 térfogatban.
Egy bizonyos t elteltével a Δm jégtömeg átalakult ρa = 1,0 g/cm 3 sűrűségű vízzé. A rendszer V térfogata csökken
V = M - Δ m ρ h + Δ m ρ a
A térfogatváltozás abszolút értékben az
Δ V = V 0 - V = M ρ h - M - Δ m ρ h - Δ m ρ a = Δ m (1 ρ h - 1 ρ a)
A Δm jég tömegének megolvasztásához és vízzé alakításához hőmennyiség szükséges
ahol Lf a látens fúziós hő
A rendszer térfogatának csökkentésével a függőleges csőből a víz bejut a termoszba, a magasságot csökkentve ΔV = SΔh
S Δ h = Q L f (ρ a - ρ h ρ a ρ h)
Mérjük a t időben az elektromos ellenállás által szolgáltatott Q hőt.
Megmérjük a víz Δh magasságának változását a függőleges üvegcsőben, és megoldjuk az Lf látens fúziós hőre
Példa:
- A függőleges csőszakasz S = 0,1782 cm 2
- A jég sűrűsége ρh = 0,917 g/cm 3
- A víz sűrűsége ρa = 1,0 g/cm 3
Q = 13140 J szükséges, hogy a függőleges csőben a vízszint csökkenjen Δh = 20 cm-rel
0,1782 · 20 = 13140 L f (1 - 0,917 1,0 · 0,917) L f = 333,7 J/g = 333,7,7 10 3 J/kg
Tevékenységek
- A függőleges csőszakasz S = 0,1782 cm 2
- A jég sűrűsége ρh = 0,917 g/cm 3
- A víz sűrűsége ρa = 1,0 g/cm 3
A P = i 2 R W teljesítmény a kontrollban Erő
A gomb címmel Új
Megfigyelhető, hogy amint a jég megolvad és vízzé válik a tartályban, a függőleges üvegcsőben csökken a vízszint.
A jobb oldalon van egy számláló a jeget megolvasztó ellenállás által elvezetett energiához.
A látens fúziós hő mérése (II)
M tömeg jeget vezetünk be a kaloriméterbe vízzel T hőmérsékleten, kissé Ta szobahőmérséklet felett, és az elegyet addig keverjük, amíg a jég teljesen meg nem olvad. A jég m tömegét úgy választjuk meg, hogy a Te egyensúlyi hőmérséklet kissé a szobahőmérséklet alatt legyen, vagyis a T-Ta≈T-Te.
Ily módon az élmény első szakaszában a környezetbe továbbított hőt kompenzálja a második szakaszban nyert hő.
Az alábbiakban ismertetett tapasztalatok szerint a keverési eljárást alkalmazzák, de a kaloriméter és a környezet közötti hőnyereséget vagy -veszteséget nem veszik figyelembe.
A kezdeti Ta hőmérsékletű víz tömegét 0 ° C-on jégtömeghez keverjük kaloriméterben. A jég-víz elegyet a végső egyensúlyi hőmérsékletig Te keverjük.
Két eset fordulhat elő:
A jég kezdeti tömegének m része megolvad, így a jég (mh-m) és a víz (ma + m) által képzett keverék marad a végső hőmérsékleten, Te = 0 ° C.
- A jég által elnyelt hő Q1 = mlf
- A víz által adott hő Q2 = ma · c · (0-Ta)
Ha a kaloriméter tökéletesen szigetelt, akkor nem veszít el és nem szerez hőt, igaz lesz
Q 1 + Q 2 = 0 L f = m a c T a m (1)
Ha az összes jég megolvad, akkor a végállapot víztömeg (mh + ma) a Te> 0 véghőmérsékleten.
Most figyelembe kell vennünk, hogy a jég mh tömege vízzé válik, majd 0 ° C-ról Te-re emeli a hőmérsékletét. Másrészt a kaloriméter (ekvivalens tömege k vízben) 0 ° C-ról Te-re emeli a hőmérsékletét.
Ha a kaloriméter tökéletesen szigetelt, akkor nem veszít el és nem szerez hőt, igaz lesz
Q 1 + Q 2 + Q 3 = 0 L f = c (T a m a m h - T e m a + m h + k m h) (2)
A „szilárd anyag fajlagos hője” oldalon már elmagyarázták a kaloriméter k ekvivalens tömegének jelentését a vízben.
Tevékenységek
- Kaloriméter vízegyenérték mérése
Bevezetjük a következő adatokat:
- M víz tömege grammokban a kaloriméterben,
- A kaloriméter kezdeti T0 hőmérséklete
- Víz tömege grammban egy kémcsőben
- A víz hőmérséklete T
A gomb címmel Készít, a hőmérők és a beosztott vízmennyiség-mérleg a bevitt adatokat tükrözi.
Ha elégedettek vagyunk, nyomja meg a gombot Kiszámítja. A víz m tömegét a kaloriméterbe öntjük, és a hőmérő méri a végső egyensúlyi Te hőmérsékletet.
Példa:
- Legyen M = 170 g, T0 = 92,7 ° C
- Legyen m = 170 g, és T = 2,7 ° C
- Az egyensúlyi hőmérséklet Te = 54,2ºC
A kaloriméter vízértéke ekvivalens lesz
k = m (T - T e) T e - T 0 - M k = 170 · (2,7 - 54,2) 54,2 - 92,7 - 170 = 57,4 g
Fúziós hő mérése
Bevezetjük a következő adatokat:
- Tömeg mh jeget grammokban a kaloriméterben,
- A kezdeti jéghőmérséklet 0 ° C-ra van beállítva
- A víz tömege grammban
- A víz hőmérséklete Ta
A gomb címmel Készít.
Ha elégedettek vagyunk, nyomja meg a gombot Kiszámítja. A vizet a kaloriméterbe öntjük, és a hőmérő méri a végső egyensúlyi Te hőmérsékletet.
Abban az esetben, ha a jégnek csak egy része olvad meg, a végső hőmérséklet Te = 0 ° C lesz. A jeget el lehet távolítani a kaloriméterről, és mérlegre lehet mérlegelni. A jég tömegének ismeretében az fúziós hőt az (1) képlet segítségével határozzuk meg. Amikor ez a helyzet bekövetkezik, a víz tömege vagy hőmérséklete egyszerre növekszik, vagy mindkettő, mindaddig, amíg a kaloriméterben lévő összes jég megolvad.
Példa:
- Jég: mh = 128 g,
- Víz, ma = 170 g, és Ta = 80 ° C
- Az összes jég megolvad, és a végső egyensúlyi hőmérséklet Te = 9,5 ºC
- Kiszámítottuk a kaloriméter ekvivalens tömegét az előző szakaszban k = 57,4 g
L f = 4180 (80 170 128 - 9,5 170 + 128 + 57,4 128) = 333868 J/kg
Hivatkozások
Soules J. A. továbbfejlesztett másodéves kísérlet a látens fúziós hő mérésére. Am. J. Phys. 35 (1967) pp. 23–26
Güemez, Fiolhais C., Fiolhais M. Black kísérleteinek áttekintése a látens vízmelegeken. The Physics Teacher 40. évfolyam, 2002. január, pp. 26-31