На цій сторінці описано два досвіди, які дозволяють нам визначити приховані теплоти плавлення води:
Лід пливе по воді, щільність льоду менше щільності води. Цей факт дозволяє нам розробити експеримент для вимірювання теплоти плавлення води.
Другий експеримент - процедура сумішей, подібна до тієї, яка використовується для визначення питомої нагрівання твердої речовини
Зміни держави
Зазвичай речовина зазнає змін температури, коли поглинає або передає тепло навколишньому середовищу. Однак, коли речовина змінює фазу, воно поглинає або віддає тепло без зміни температури. Тепло Q, яке необхідно забезпечити масою m певної речовини для зміни фази, дорівнює
де L називається прихованою теплотою речовини і залежить від типу фазової зміни.
Наприклад, для переходу води з твердої речовини (льоду) на рідину при 0 ° C потрібно 334 · 10 3 Дж/кг. Для переходу від рідини до пари при 100 ° C потрібно 2260 · 10 3 Дж/кг.
У наступній таблиці наведені дані, що стосуються змін стану деяких речовин.
| Крижана вода) | 0 | 334 | 100 | 2260 |
| Етиловий спирт | -114 | 105 | 78.3 | 846 |
| Ацетон | -94.3 | 96 | 56.2 | 524 |
| Бензол | 5.5 | 127 | 80.2 | 396 |
| Алюміній | 658,7 | 322-394 | 2300 | 9220 |
| Олово | 231,9 | 59 | 2270 | 3020 |
| Залізо | 1530 рік | 293 | 3050 | 6300 |
| Мідь | 1083 | 214 | 2360 | 5410 |
| Меркурій | -38,9 | 11,73 | 356,7 | 285 |
| Вести | 327,3 | 22.5 | 1750 рік | 880 |
| Калій | 64 | 60,8 | 760 | 2080 рік |
| Натрію | 98 | 113 | 883 | 4220 |
Джерело: Кошкін Н. І., Ширкевич М. Г. . Посібник з елементарної фізики, Під ред. Мир (1975) с. 74-75.
Зміни стану можна пояснити якісно наступним чином:
У твердому тілі атоми та молекули займають фіксоване положення вузлів кристалічної решітки. Тверде тіло має фіксований об’єм і певну форму за відсутності зовнішніх сил.
Атоми та молекули вібрують навколо своїх позицій стабільної рівноваги зі збільшенням амплітуди із збільшенням температури. Настає момент, коли вони долають сили притягання, які утримують атоми у фіксованому положенні, і тверда речовина перетворюється на рідину. Атоми і молекули все ще утримуються разом за допомогою привабливих сил, але вони можуть рухатися відносно один одного, що змушує рідини адаптуватися до контейнера, що їх містить, але підтримувати постійний об’єм.
При подальшому підвищенні температури долаються сили притягання, які утримують атоми і молекули в рідині. Молекули знаходяться далеко один від одного, вони можуть рухатися навколо контейнера, що їх містить, і вони взаємодіють лише тоді, коли вони знаходяться дуже близько один до одного, в той момент, коли вони стикаються. Газ приймає форму ємності, яка його містить, і, як правило, займає весь доступний обсяг.
Класичним прикладом, у якому використовуються поняття питомого тепла та прихованого тепла, є наступне:
Визначте тепло, яке потрібно подавати для перетворення 1 г льоду при -20 ° С у пару при 100 ° С. Дані такі:
- Питома теплоємність льоду ch = 2090 Дж/(кг К)
- Тепло плавлення льоду Lf = 334 10 3 Дж/кг
- Питома теплоємність води c = 4180 Дж/(кг K)
- Тепло випаровування води Lv = 2260 10 3 Дж/кг
Етапи:
-
Температура 1 г льоду підвищується з -20ºC (253 K) до 0ºC (273 K)
Лід тане
Температура води підвищується з 0 ° C (273 K) до 100 ° C (373 K)
1 г води при температурі 100 ° С перетворюється на пару при тій же температурі
Якщо у нас є джерело тепла, яке забезпечує енергію з постійною швидкістю q Дж/с, ми можемо розрахувати тривалість кожного з етапів
Цифра, яка не була масштабована, показує, як зростає температура при додаванні тепла в систему. Випаровування води вимагає великої кількості тепла, як ми бачимо на графіку та в розрахунках, зроблених у прикладі.
| 0 | -двадцять |
| 41.8 | 0 |
| 375,8 | 0 |
| 793,8 | 100 |
| 3053,8 | 100 |
Вимірювання прихованої теплоти плавлення (I)
Термос наповнюють льодом і закривають. Довга скляна трубка з невеликим перетином S пропускається через пробку і два кабелі, які з'єднуються з опором, через який циркулює електричний струм, що нагріває лід, перетворюючи його у воду при 0ºC.
Вода додається через пробірку, щоб наповнити пляшку та мати трубку.
У лівій частині малюнка показано початкову ситуацію. Праворуч ситуація через певний час t після підключення резистора до акумулятора.
Електричний опір нагріває лід, він тане, і об’єм системи зменшується, як наслідок, вода переходить зі скляної трубки в термос. Ми вимірюємо коливання висоти води у градуйованій вертикальній трубці.
Експеримент полягає у вимірюванні енергії, необхідної для зменшення об’єму системи на певну величину при постійній температурі та постійному тиску.
У вихідному стані маємо масу М льоду щільністю ρh = 0,917 г/см 3 в об'ємі V0.
Через певний час t маса Δm льоду перетворена у воду щільністю ρa = 1,0 г/см 3, об’єм V системи зменшується
V = M - Δ m ρ h + Δ m ρ a
Зміна обсягу в абсолютному значенні становить
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)
Щоб розтопити масу Δм льоду і перетворити його у воду, потрібно кількість тепла
де Lf - прихована теплота плавлення
У міру зменшення об’єму системи вода з вертикальної трубки надходить у термос, зменшуючи висоту на ΔV = SΔh
S Δ h = Q L f (ρ a - ρ h ρ a ρ h)
Ми вимірюємо тепло Q, яке подається електричним опором в момент часу t.
Вимірюємо варіацію висоти Δh води у вертикальній скляній трубці та визначаємо приховану теплоту плавлення Lf
Приклад:
- Вертикальний переріз трубки становить S = 0,1782 см 2
- Щільність льоду ρh = 0,917 г/см 3
- Щільність води ρa = 1,0 г/см 3
Q = 13140 Дж необхідний для того, щоб рівень води у вертикальній трубі зменшився Δh = 20 см
0,1782 · 20 = 13140 L f (1 - 0,917 1,0 · 0,917) L f = 333,7 Дж/г = 333,7 · 10 3 Дж/кг
Діяльність
- Вертикальний переріз трубки становить S = 0,1782 см 2
- Щільність льоду ρh = 0,917 г/см 3
- Щільність води ρa = 1,0 г/см 3
Потужність P = i 2 R W, у контролі названа Потужність
Кнопка з назвою Новий
Помічено, що коли лід тане і стає водою в контейнері, рівень води у вертикальній скляній трубці зменшується.
Праворуч знаходиться лічильник енергії, що розсіюється опором, який тане лід.
Вимірювання прихованої теплоти плавлення (II)
Масу льоду вводять у калориметр з водою при температурі Т трохи вище кімнатної температури Та і суміш перемішують до повного розплавлення льоду. Маса льоду m вибирається таким чином, щоб рівноважна температура Te була трохи нижче кімнатної, тобто так, щоб T-Ta≈T-Te.
Таким чином, тепло, що передається в навколишнє середовище на першій стадії досвіду, компенсується теплом, отриманим на другій стадії.
У досвіді, описаному нижче, застосовується процедура змішування, але не приймаються до уваги теплові прирости або втрати між калориметром та навколишнім середовищем.
Масу води при початковій температурі Ta змішують з калориметром при масі льоду при 0 ° C. Суміш льоду з водою перемішують до досягнення остаточної температури рівноваги Te.
Можуть статися два випадки:
Частина m початкової маси mh льоду тане, залишаючи суміш, утворену льодом (mh-m) та водою (ma + m) при кінцевій температурі Te = 0ºC.
- Тепло, яке поглинається льодом, становить Q1 = mLf
- Тепло, яке віддає вода, становить Q2 = ma · c · (0-Ta)
Якщо калориметр ідеально ізольований, він не втрачає і не набирає тепло, це буде правдою
Q 1 + Q 2 = 0 L f = m a c T a m (1)
Якщо весь лід тане, кінцевим станом є маса (mh + ma) води при кінцевій температурі Te> 0.
Тепер ми повинні взяти до уваги, що маса льоду льоду перетворюється на воду, а потім підвищує її температуру з 0ºC до Te. З іншого боку, калориметр (його еквівалентна маса у воді k) підвищує свою температуру з 0 ° C до Te.
Якщо калориметр ідеально ізольований, він не втрачає і не набирає тепло, це буде правдою
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)
На сторінці “питома теплоємність твердої речовини” значення еквівалентної маси k у воді калориметра вже пояснено.
Діяльність
- Вимірювання калориметричного водного еквівалента
Вводимо такі дані:
- Маса М води в грамах в калориметрі,
- Початкова температура Т0 калориметра
- Маса м води в грамах у пробірці
- Температура води Т
Кнопка з назвою Підготуйся, термометри та градуйовані шкали об’єму води відображають введені дані.
Якщо ми задоволені, натисніть кнопку з назвою Обчислити. Масу m води вливають у калориметр, а термометр вимірює кінцеву рівноважну температуру Te.
Приклад:
- Нехай М = 170 г, Т0 = 92,7 ºC
- Нехай m = 170 г, а T = 2,7 ºC
- Температура рівноваги Te = 54,2ºC
Водний еквівалент калориметра буде
k = m (T - T e) T e - T 0 - M k = 170 · (2,7 - 54,2) 54,2 - 92,7 - 170 = 57,4 г
Вимірювання тепла плавлення
Вводимо такі дані:
- Маса mh льоду в грамах в калориметрі,
- Початкова температура льоду встановлюється на рівні 0ºC
- Маса води в грамах
- Температура води Ta
Кнопка з назвою Підготуйся.
Якщо ми задоволені, натисніть кнопку з назвою Обчислити. Воду виливають у калориметр, а термометр вимірює кінцеву рівноважну температуру Te.
У випадку, якщо тане лише частина льоду, кінцевою температурою буде Te = 0ºC. Лід можна було вийняти з калориметра і зважити на вазі. Знаючи масу м льоду, теплоту плавлення визначали б за формулою (1). Коли виникає така ситуація, маса води або її температура одночасно збільшуються або одночасно, поки весь лід в калориметрі не розтане.
Приклад:
- Лід: mh = 128 г.,
- Вода, ma = 170 г, та Ta = 80ºC
- Весь лід тане, а кінцева температура рівноваги становить Te = 9,5 ºC
- Ми розрахували еквівалентну масу калориметра у воді в попередньому розділі k = 57,4 г.
L f = 4180 (80 170 128 - 9,5 170 + 128 + 57,4 128) = 333868 Дж/кг
Список літератури
Соулз Дж. А. Удосконалений другий курс експерименту для вимірювання прихованої теплоти плавлення. Am. J. Phys. 35 (1967) с. 23-26
Güemez, Fiolhais C., Fiolhais M. Перегляд експериментів Блека на прихованих спеках води. Вчитель фізики том 40, січень 2002 р., С. 26-31