Statisztikai fizika és termodinamika
A látens fúziós hő mérése (I)
A látens fúziós hő mérése (II)
Ezen az oldalon két kísérletet írnak le, amelyek lehetővé teszik 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 keverési eljárás, hasonló 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 hő Q hogy közreműködni kell, hogy tömeg legyen m egy bizonyos anyagváltozási fázis értéke egyenlő
hol L az anyag látens hőjének nevezik, és a fázisváltozás típusától függ.
Például ahhoz, hogy a víz szilárd anyagból (jégből) folyadékká váljon, 0єC-on 334 · 10 3 J/kg-ra van szükség. 100 ° C-on folyadékról gőzre váltáshoz 226010 3 J/kg szükséges.
A következő táblázat az egyes anyagok állapotváltozásaival kapcsolatos adatokat tartalmazza.
Forrás: Koshkin N. I., Shirkйvich M. G. Fizikai kézikönyv, 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 a molekulák a stabil egyensúlyi helyzetük körül rezegnek, amplitúdójuk növekszik a hőmérséklet növekedésével. Eljön az idő, amikor leküzdik azokat a vonzó erőket, amelyek az atomokat rögzített helyzetükben tartják, és a szilárd anyag folyékony lesz. 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 még jobban megemelik, legyőzik azokat a vonzó erőket, amelyek az atomokat és a molekulákat együtt tartják a folyadékban. 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.
A fajlagos hő és a látens hő fogalmát használó klasszikus példa a következő:
Határozza meg azt a hőt, amelyet át kell adni ahhoz, hogy 1 g -20 єC hőmérsékletű jeget 100єC hőmérsékleten gőzzé alakítson. Az adatok a következők:
- Jég fajhője ch= 2090 J/(kg K)
- Olvadó jég hője Lf= 334 10 3 J/kg
- A víz fajhője c= 4180 J/(kg K)
- A víz elpárologtató hője Lv= 2260 10 3 J/kg
- 1 g jég hőmérsékletét -20 ° C-ról (253 K) 0 ° C-ra (273 K) emeljük.
- A jég megolvad
Q2= 0,001 334 10 3 = 334 J
- A víz hőmérséklete 0єC-ról (273 K) 100 єC-ra (373 K) emelkedik
- 1 g 100 ° C hőmérsékletű vizet gőzzé alakítunk ugyanazon a hőmérsékleten
Q4= 0,001 · 2260 · 10 3 = 2260 J
Ha van olyan hőforrásunk, amely állandó sebességgel látja el az energiát mit J/s kiszámíthatjuk az egyes szakaszok időtartamát
Az ábra, amely nem méretarányos, azt mutatja, hogy a hőmérséklet hogyan növekszik, amikor a hő hozzáadódik a rendszerhez. A víz elpárologtatása nagy mennyiségű hőt igényel, amint azt a grafikonon és a példában elvégzett számításokban láthatjuk.
Az alábbi ábra méretarányosan készült a Microsoft Excel programjával, a táblázat adataiból
| Hő, Q | Hőmérséklet, T |
| 0 | -húsz |
| 41.8 | 0 |
| 375,8 | 0 |
| 793,8 | 100 |
| 3053.8 | 100 |
A látens fúziós hő mérése
A termoszt jéggel megtöltik és bezárják. Egy hosszú, kis részű üvegcsövet vezetnek át a dugón. S és két kábel, amelyek összekapcsolódnak egy ellenállással, amelyen keresztül elektromos áram kering, amely felmelegíti a jeget, hogy 0 ° C-on vízzé alakuljon.
A csövön keresztül vizet adnak az üveg és maga a cső megtöltéséhez.
Az ábra bal oldalán a kezdeti helyzet látható. A jobb oldalon a helyzet egy bizonyos idő után t miután az ellenállást akkumulátorhoz csatlakoztatta.
A kísérlet abból áll, hogy meg kell mérni a rendszer térfogatának bizonyos mértékű csökkentéséhez szükséges energiát állandó hőmérsékleten és állandó nyomáson.
A kezdeti állapotban tömegünk van M jégsűrűség ρh= 0,917 g/cm3 térfogatban V0.
Egy bizonyos idő után t, tömeg Δm a jég sűrűvé vált vízzé ρa= 1,0 g/cm3, a térfogat V a rendszer csökken
A térfogat változása abszolút értékben az
A Δ tömeg megolvadásáram jég és vízzé alakítása hőmennyiséget igényel
hol Lf a fúzió látens hője
A rendszer térfogatának csökkentésével a függőleges csőből a víz bejut a termoszba, a magasságot Δ-val csökkentveV = SΔh
Meg tudjuk mérni a meleget Q amely idővel biztosítja az elektromos ellenállást t.
Megmérjük a Δ magasság változásáth vízzel a függőleges üvegcsőben, és tisztítsa meg a látens fúziós hőt Lf
A függőleges csőszakasz az S= 0,1782 cm 2
A jég sűrűsége ρh= 0,917 g/cm 3
A víz sűrűsége ρa= 1,0 g/cm 3
Szükségesek Q= 13140 J úgy, hogy a függőleges csőben a vízszint csökkenjen Δh= 20 cm
Tevékenységek
A függőleges csőszakasz az S= 0,1782 cm 2
A jég sűrűsége ρh= 0,917 g/cm 3
A víz sűrűsége ρa= 1,0 g/cm 3
A hatalom P = i2R W, a gördítősávon működik Erő
Nyomja meg a címet Indul
Megfigyelhető, hogy amint a jég megolvad és vízzé válik a tartályban, a függőleges üvegcsőben csökken a vízszint.
Az applet jobb oldalán található egy számláló a jeget megolvasztó ellenállás által elvezetett energiához.
A látens fúziós hő mérése
Tésztát vezetnek be m jég egy kaloriméterig vízzel, hőmérsékleten T kissé meghaladja a szobahőmérsékletet Ta és az elegyet addig keverjük, amíg a jég teljesen meg nem olvad. A misét választják m jég, hogy a hőmérséklet Tea az egyensúly kissé a környezeti hőmérséklet alatt van, vagyis úgy, hogy 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.
Egy misét ma vizet a kezdeti hőmérsékleten Ta tésztával összekeverve mh jég 0 ° C-on, kaloriméterben. A jeges víz keverékét addig keverjük, amíg a végső egyensúlyi hőmérséklet el nem ér. Tea.
Két eset fordulhat elő
Egy rész megolvad m a kezdeti tömeg mh jégből képződött keverék marad (mh-m) és a víz (ma+m) végső hőmérsékletén Tea= 0 ° C.
- A jég által elnyelt hő az Q1 = mlf
- A víz által felszabadított hő Q2 = ma c(0-Ta)
Ha a kaloriméter tökéletesen szigetelt, nem veszít vagy hőt nyer, akkor ez igaz lesz
Q1 + Q2 = 0
(1)
Ha az összes jég megolvad, a végállapot tömeg (mh + ma) víz végső hőmérsékleten Te> 0.
Most figyelembe kell vennünk, hogy a tömeg mh a jég vízzé válik, majd 0єC-ról hőmérsékletre emeli a hőmérsékletét Tea. Másrészt a kaloriméter (ekvivalens tömege a vízben k) hőmérsékletét 0єC-ról emeli Tea.
- A jég által elnyelt hő az Q1 = mh · Lf + mh · c ·(Tea-0)
- A kaloriméter által elnyelt hő Q2 = k c(Tea-0)
- A víz által felszabadított hő Q3 = ma c (Te-Ta)
Ha a kaloriméter tökéletesen szigetelt, nem veszít vagy hőt nyer, akkor ez igaz lesz
Q1 + Q2 + Q3 =0
(két)
A „szilárd anyag fajlagos hője” oldalon az ekvivalens tömeg jelentését már elmagyarázták k kaloriméteres vízben.
Tevékenységek
- A kaloriméter vízegyenértékének mérése
Bevezetjük a következő adatokat:
- Tömeg M víz grammokban, kaloriméterben,
- Hőfok T0 kezdeti kaloriméter
- Tömeg m víz grammban egy mérőhengerben
- Hőfok T a víz
Nyomja meg a címet Készít, hőmérők és a víz térfogatának mérésére szolgáló fokozatos mérlegek tükrözik a bevitt adatokat.
Ha elégedettek vagyunk, nyomja meg a gombot Kiszámítja. Tömeg m vizet öntünk a kaloriméterbe, és a hőmérőben leolvashatjuk a végső egyensúlyi hőmérsékletet Tea.
Példa:
- Lenni M= 170 g, T0= 92,7 єC
- Lenni m= 170 g, és T= 2,7 єC
- Az egyensúlyi hőmérséklet az Tea= 54,2 ° C
A kaloriméter vízértéke ekvivalens lesz
- Az fúziós hő mérése
Bevezetjük a következő adatokat:
- Tömeg mh jég grammokban, kaloriméterben,
- A kezdeti jéghőmérséklet 0 ° C-on van rögzítve
- Tömeg ma víz grammban
- Hőfok Ta a víz
Nyomja meg a címet Készít.
Ha elégedettek vagyunk, nyomja meg a gombot Kiszámítja. A vizet beleöntjük a kaloriméterbe, és a hőmérőben leolvashatjuk a végső egyensúlyi hőmérsékletet Tea.
Abban az esetben, ha a jégnek csak egy része olvad meg, a végső hőmérséklet megegyezik Tea= 0 ° C. A jeget le lehetett venni a kaloriméterről, és mérlegre mérhető. Ismert tömeg m jég fúziós hőjét az (1) képlet segítségével határozzuk meg. Amikor ez a helyzet bekövetkezik, a víz tömege vagy annak hőmérséklete egyszerre növekszik, vagy mindkettő, mindaddig, amíg a kaloriméter összes jege meg nem olvad.
- Jég: mh= 128 g,
- Víz, ma= 170 g, és Ta= 80 ° C
- Az összes jég megolvad, és a végső egyensúlyi hőmérséklet megegyezik Tea= 9,5 єC
- Az előző szakaszban kiszámoltuk a kaloriméter ekvivalens tömegét vízben. k= 57,4 g
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. Visszatérve Black látens vízmelegítési kísérleteire. The Physics Teacher 40. évfolyam, 2002. január, pp. 26-31