ΑΣΚΗΣΗ 6

ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΕΞΑΕΡΩΣΗΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ.

Θεωρία

Η θερμότητα Q που προσφέρεται σε ένα σώμα μάζας m για να ανυψωθεί η θερμοκρασία του από θ_α σε θ_τ ισούται με :

Q = mc (θ_τ-θ_α), (1)

όπου c είναι η ειδική θερμότητα του σώματος, ενώ το γινόμενο mc ονομάζουμε θερμοχωρητικότητα του σώματος. Μεγάλη θερμοχωριτηκότητα σημαίνει ότι το σώμα απορροφάει σχετικά μεγάλα ποσά θερμότητας για να ανυψωθεί η θερμοκρασία του κατά μία δεδομένη τιμή.

Τα μόρια του νερού στην επιφάνεια του νερού που έχουν αρκετά μεγάλη κινητική ενέργεια ξεφεύγουν από την υγρά φάση και εξαερώνονται. Όταν θερμαίνεται το νερό η εξαέρωση επιταχύνεται και όταν σχηματίζονται φυσαλίδες σε όλο τον όγκο του υγρού τότε το νερό βράζει.

Κατά τη διάρκεια της βράσης του νερού η θερμοκρασία του παραμένει σταθερή ενώ του προσφέρεται συνεχώς θερμότητα και καλείται θερμοκρασία ζέσεως (100^οC σε πίεση 1Atm). Η συνολική θερμότητα που χρειάζεται να προσφερθεί στη μονάδα μάζας του νερού κατά τη διάρκεια της εξαέρωσής του για να μετατραπεί αυτή από υγρό σε αέριο ονομάζεται θερμότητα εξαέρωσης L του νερού. Η συνολική θερμότητα Q που απαιτείται για την εξαέρωσης μάζας νερού m είναι

Q = m L (2)

Σκοπός

Θέλουμε να προσδιορίσουμε πειραματικά τη θερμότητα εξαέρωσης L του νερού.

Αυτό μπορεί να γίνει μετρώντας τη συνολική θερμότητα Q εξαέρωσης μάζας νερού m χρησιμοποιώντας της σχέση (2).

Α. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ

1. Ζυγίστε περίπου 500-800g νερού (m₁) και βάλτε το στο δοχείο ζέσεως

Προσοχή το νερό πρέπει να καλύπτει καλά το θερμαντικό στοιχείο ώστε να μη καταστραφεί.

2. Συνδέστε τους ακροδέκτες του θερμαντικού στοιχείου στο ηλεκτρικό δίκτυο φροντίστε έτσι ώστε το θερμόμετρο να είναι μακριά από το θερμαντικό στοιχείου ώστε να μη καταστραφεί.

3. Καταγράψτε τη θερμοκρασία ανά ένα λεπτό σε κατάλληλο πίνακα.

4. Το σημείο βρασμού ευρίσκεται λίγο πριν το σημείο όπου η θερμοκρασία αρχίζει να είναι περίπου σταθερή με το χρόνο. Διατηρήστε το βρασμό του νερού για περίπου 15 λεπτά μετά την έναρξη του βρασμού συνεχίζοντας να καταγράφετε τη θερμοκρασία ανά ένα λεπτό. Ζυγίστε τη ποσότητα του νερού m₂ που παραμένει στο δοχείο μετά το βρασμό.

Προσοχή αν κατά τη διάρκεια του βρασμού η στάθμη του νερού κατέλθει έτσι ώστε ο βραστήρας να μην καλύπτεται από νερό να σταματήσετε αμέσως τη θέρμανση.

5. Καταγράψτε την ισχύ του θερμαντικού στοιχείου (προσέξτε, η τιμή της αναγραφόμενης ισχύος αντιστοιχεί στα 220V).

Β. ΣΥΜΠΛΗΡΩΣΗ ΑΝΑΦΟΡΑΣ

Γράφεται το τίτλο της άσκησης, ημερομηνία, τους συνεργάτες σας που συμμετέχουν στη ίδια άσκηση και το σκοπό της άσκησης.

Καθαρογράφετε τις μετρήσεις και τα αποτελέσματα των υπολογισμών σε Πίνακα.

Κάνετε τη γραφική παράσταση της θερμοκρασίας του νερού σα συνάρτηση του χρόνου θ=f(t) στο origin και κατόπιν στο μιλλιμετρέ χαρτί.

Το τμήμα όπου αυξάνεται η θερμοκρασία πρέπει να είναι ευθεία. Υπολογίστε τη κλίση της κ=Δθ/Δt με τη μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων στο origin, η οποία δίνει τη ταχύτητα θέρμανσης του νερού.

Να υπολογίστε τη θερμότητα που μεταδίδεται στο νερό από το βραστήρα ανά λεπτό από τη σχέση

ΔQ/Δt = (m_νc_ν + m_θc_θ) κ (3)

όπου m_θc_θ η θερμοχωρητικότητα του θερμιδομέτρου, m_ν και c_ν η μάζα και η ειδική θερμότητα του νερού και πρακτικά είναι αμελητέα γιατί ισχύει m_νc_ν >> m_θc_θ. Συγκρίνετε τη ποσότητα ΔQ/Δt με την ισχύ του βραστήρα, είναι συγκρίσιμη ;

Από τη γραφική παράσταση θ=f(t) προσδιορίστε την ακριβή διάρκεια του βρασμού:

t_{βρασμού} = t_τελικό - t_{έναρξης βρασμού} (4)

όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Να υπολογίστε τη θερμότητα που μεταδίδεται στο νερό κατά τη διάρκεια του βρασμού από το βραστήρα στο νερό Q = {ΔQ/Δt} t_{βρασμού} και τη θερμότητα εξαέρωσης L από τη σχέση (2) λαμβάνοντας υπόψη ότι m=m₁-m_2.

			t cν
	tενερξης	tτελικό

Η απόλυτη τιμή της απόκλισης ΔL της L που υπολογίζουμε από τη γνωστή τιμή L_βιβλ από τη βιβλιογραφία μας δίνει τη τάξη μεγέθους του σφάλματος των υπολογισμών.

Δηλ. . Στρογγυλέψτε στο 1 ΣΨ το ΔL, αυτό το ψηφίο μας δείχνει μέχρι πιο ΣΨ του L θα κρατήσουμε, τα υπόλοιπα ψηφία αγνοούνται γιατί είναι πέρα από το πειραματικό σφάλμα και πρέπει να παραλείπονται.

Γράψτε το τελικό αποτέλεσμά σας στη μορφή L ± ΔL με τα σωστά ΣΨ.

Παράδειγμα: Έστω ότι βρίσκω L=543.89 cal/g τότε ΔL=2.6421 cal/g και στρογγυλεύω ΔL=3 cal/g και γράφω τελικά ( 544 ± 3) cal/g.