1

2 Dane INFORMACYJNE Zmiany stanów skupienia Nazwa szkoły:Gimnazjum nr 10 ID grupy: 98/71_MF_G1 Opiekun: Agnieszka Szaniewska Kompetencja: mat-fiz. Temat projektowy: Zmiany stanów skupienia Semestr/rok szkolny: II/ 2010/2011

3 Stany skupienia i procesy prowadzące do ich zmianyRys. 1. Źródło: T r e ś ć s l a j d u

4 Wykres zmian temperatury podczas zmian stanów skupienia wodyRys. 2. Źródło:

5 Ciepło właściwe substancjiCiepło właściwe jest równe energii, którą należy dostarczyć aby podnieść temperaturę 1 kg substancji o 1 stopień. c – ciepło właściwe ΔQ – ciepło dostarczone/oddane m - masa substancji ΔT - zmiana temperatury

6 Ciepło topnienia Ciepło topnienia jest równe ilości ciepła, jakie należy dostarczyć substancji, aby je stopić, bez zmiany temperatury. [ctop]=J/kg ctop – ciepło topnienia Q – ciepło dostarczone m - masa substancji

7 Tabela – substancje i ich ciepło topnieniaSubstancja Ciepło topnienia kJ/kg lód 333,7 rtęć 11,3 woda tlen 13 wosk 176 dwutlenek węgla 180 Źródło:

8 Ciepło parowania Ciepło parowania jest równe ilości ciepła, jakie należy dostarczyć 1 kg cieczy, aby zmienić ją w parę, bez zmiany temperatury. [cpar]=J/kg cpar – ciepło parowania Q – ciepło dostarczone m - masa substancji

9 Tabela – substancje i ich ciepło parowaniaSubstancja Ciepło parowania kJ/kg Aluminium 10 500 Żelazo 6 340 Woda 2 257 Wodór 454 Rtęć 301 Źródło:

10 Doświadczenie 1: Mierzenie temperatury powietrzaPrzy użyciu konsoli Coach II, przeprowadziliśmy doświadczenie, które miało na celu przetestowanie działania czujników temperatury. Ustawiliśmy pomiar na 5 minut i obserwowaliśmy pomiar temperatury w czasie. Według pomiarów zamieszczonych na Wykresie 1 w naszej sali panowała temperatura 240C.

11 Doświadczenie 1: Mierzenie temperatury powietrzaWykres 1.

12 Doświadczenie 2: Ochładzanie się ciepłej wodyNa początku wlaliśmy 200 ml wrzątku do zlewki. Pomiar ustawiliśmy na 15 minut. Temperatura wody początkowo wynosiła 90,50C. Po zakończeniu doświadczenia temperatura wody wynosiła 590C.

13 Doświadczenie 2: Ochładzanie się ciepłej wodyWykres 2.

14 Doświadczenie 2: Ochładzanie się ciepłej wodyWnioski: Jak widać na Wykresie 2 temperatura nie spada proporcjonalnie do czasu – naszybciej woda ochładza się na początku, kiedy różnica między temperaturą wody i powietrza jest największa (widać to w pierwszej minucie pomiaru). Później proces oddawania ciepła i stygnięcia wody jest coraz wolniejszy. Ze względu na ograniczenia czasowe zajęć, nie mogliśmy poczekać, aż temperatura wody i powietrza wyrównają się. Znając masę wody i różnicę między temperaturą początkową wody i końcową, możemy policzyć ile ciepła woda oddała w ciągu 15 minut do otoczenia (powietrza w klasie).

15 Doświadczenie 2: Ochładzanie się ciepłej wodyWnioski: Vwody= 200ml mwody = 0,2 kg cwody = 4190 J/kg·K ΔT = 31,5 K Więc ciepło oddane z wody do otoczenia: ΔQ = c·m·ΔT ΔQ = 4190 J/kg·K · 0,2kg · 31,5 K = J

16 Doświadczenie 3: Wrzenie wodyDo czajnika wlaliśmy 1 litr wody. Początkowa temperatura wody wynosiła 260C. Włączyliśmy następnie czajnik do źródła napięcia i czekaliśmy aż woda się zagotuje.

17 Doświadczenie 3: Wrzenie wodyWykres 3.

18 Doświadczenie 3: Wrzenie wodyWnioski: Na Wykresie 3 widać, że temperatura wody rośnie proporcjonalnie do czasu przez około 4 minuty. Po osiągnięciu temperatury 99,20C woda zaczęła wrzeć. Proces wrzenia (zmiany stanu skupienia), zgodnie ze schematem na Rys. 2, powinien zachodzić w stałej temperaturze. To też obserwujemy na Wykresie 3 w ostatniej minucie pomiaru. Na kolejnych wykresach (4 i 5) widać stałą temperaturę podczas procesu wrzenia wody (kolejne powiększenia Wykresu 3).

19 Doświadczenie 3: Wrzenie wodyWykres 4. Wykres 5.

20 Doświadczenie 3: Wrzenie wodyWnioski: Możemy policzyć ilość ciepła, jaką oddała wodzie grzałka czajnika: mwody = 1 kg cwody = 4190 J/kg·K ΔT = 73,2 K Więc ciepło oddane przez grzałkę: ΔQ = c·m·ΔT ΔQ = 4190 J/kg·K · 1kg · 73,2 K = J Możemy też policzyć przybliżoną moc grzałki: P = ΔQ/t P = J/ 246 s = 1247 W

21 Doświadczenie 4: Topnienie lodu i wyrównywanie temperatur

22 Doświadczenie 4: Topnienie lodu i wyrównywanie temperaturW jednym pojemniku umieściliśmy 0,2 kg lodu a w nim pierwszy czujnik temperatury. Zlewkę z lodem umieściliśmy w większej, wypełnionej 0,6 kg wody o temperaturze 900C.

23 Doświadczenie 4: Topnienie lodu i wyrównywanie temperaturWynik doświadczenia: Kolorem niebieskim zaznaczona jest zmiana w czasie temperatury wody, a kolorem zielonym – temperatura lodu, a następnie wody o mniejszej masie (w mniejszym pojemniku). Wykres 6.

24 Doświadczenie 4: Topnienie lodu i wyrównywanie temperaturTopnienie lodu odbywa się cały czas w stałej temperaturze, aż zniknie ostatni kryształek lodu i od tego czasu rozpoczyna się ogrzewanie wody powstałej z lodu. Woda, która współistniała z lodem, miała temperaturę 00C i nie mogła się ogrzać dopóki cały lód nie stopniał. Na wykresie widać wahania temperatury pomiaru (wynikające z tego, że czujnik był nieprawidłowo osadzonyw lodzie) a stała temp. utrzymuje się do około 5,5 minuty pomiaru. Sam proces topnienia trwał jednak 11 minut. Wykres 7.

25 Doświadczenie 4: Topnienie lodu i wyrównywanie temperaturJeżeli stykają się ze sobą dwa ciała, pomiędzy którymi może zajść wymiana cieplna, to ciało ktore ma wyższą temperaturę oddaje część energii temu o niższej. W wyniku tego następuje wzrost temperatury ciała mającego niższą temperaturę. Trwa to tak długo aż do wyrównania się temperatur ciał. Na Wykresie 8 widać, że temperatury wody w obu pojemnikach niemal się wyrównały po upływie 35 minut od rozpoczęcia eksperymentu. Wykres 8.

26 Podsumowanie Wykonując powyższe doświadczenia nauczyliśmy się planować i robić eksperymenty oraz obserwować zachodzące zjawiska i wyciągać wnioski. Wzbogaciliśmy również naszą Szkołę w bazę instrukcji do wykonywania eksperymentów związanych ze zmianą stanów skupienia na najprostszej i najlepiej dostępnej substancji jaką jest woda. Staraliśmy się, żeby czas eksperymentu nie przekraczał 35 minut, tak, by dowiadczenia mogły być wykorzystane do pokazu na lekcjach fizyki w innych klasach.

27