На тази страница са описани два опита, които ни позволяват да определим скритите топлини на сливане на водата:
Ледът плава по вода, плътността на леда е по-малка от плътността на водата. Този факт ни позволява да създадем експеримент за измерване на топлината на сливане на водата.
Вторият експеримент е процедурата на смесите, подобна на тази, използвана за определяне на специфичната топлина на твърдото вещество
Промени в държавата
Обикновено веществото претърпява промяна в температурата, когато поглъща или предава топлина в околната среда. Когато обаче дадено вещество смени фазата, то поглъща или отдава топлина, без да предизвиква промяна в температурата. Топлината Q, която е необходима за доставяне на маса m на определено вещество за промяна на фазата, е равна на
където L се нарича латентна топлина на веществото и зависи от вида на фазовата промяна.
Например, за да се промени водата от твърдо вещество (лед) в течност, при 0 ° C са ви необходими 334 · 10 3 J/kg. За преминаване от течност към пара при 100 ° C са необходими 2260 · 10 3 J/kg.
Следващата таблица предоставя данните, отнасящи се до промените в състоянието на някои вещества.
| Ледена вода) | 0 | 334 | 100 | 2260 |
| Етилов алкохол | -114 | 105 | 78.3 | 846 |
| Ацетон | -94.3 | 96 | 56.2 | 524 |
| Бензен | 5.5 | 127 | 80.2 | 396 |
| Алуминий | 658.7 | 322-394 | 2300 | 9220 |
| Калай | 231.9 | 59 | 2270 | 3020 |
| Желязо | 1530 | 293 | 3050 | 6300 |
| Мед | 1083 | 214 | 2360 | 5410 |
| живак | -38.9 | 11.73 | 356,7 | 285 |
| Водя | 327.3 | 22.5 | 1750 | 880 |
| Калий | 64 | 60.8 | 760 | 2080 |
| Натрий | 98 | 113 | 883 | 4220 |
Източник: Кошкин Н. И., Ширкевич М. Г. . Наръчник по елементарна физика, Изд. Мир (1975) стр. 74-75.
Промените в състоянието могат да бъдат обяснени качествено, както следва:
В твърдо вещество атомите и молекулите заемат фиксираните позиции на възлите на кристална решетка. Твърдото тяло има фиксиран обем и определена форма при липса на външни сили.
Атомите и молекулите вибрират, около техните позиции на стабилно равновесие, с увеличаване на амплитудата с увеличаване на температурата. Идва момент, когато те преодоляват атрактивните сили, които държат атомите във фиксираните им позиции и твърдото вещество се превръща в течност. Атомите и молекулите все още се държат заедно чрез атрактивни сили, но те могат да се движат един спрямо друг, което кара течностите да се адаптират към контейнера, който ги съдържа, но да поддържат постоянен обем.
Когато температурата се повиши допълнително, привлекателните сили, които държат атомите и молекулите в течността заедно, се преодоляват. Молекулите са далеч една от друга, те могат да се движат около контейнера, който ги съдържа и си взаимодействат само когато са много близо една до друга, в момента, в който се сблъскат. Газът има формата на контейнера, който го съдържа, и има тенденция да заема целия наличен обем.
Класически пример, в който се използват понятията специфична топлина и латентна топлина, е следният:
Определете топлината, която трябва да бъде доставена, за да се превърне 1g лед при -20 ° C в пара при 100 ° C. Данните са както следва:
- Специфична топлина на лед ch = 2090 J/(kg K)
- Топлина на топене на лед Lf = 334 10 3 J/kg
- Специфична топлина на вода c = 4180 J/(kg K)
- Топлина на изпаряване на вода Lv = 2260 10 3 J/kg
Етапи:
-
Температурата на 1g лед се повишава от -20ºC (253 K) на 0ºC (273 K)
Ледът се топи
Температурата на водата се повишава от 0º C (273 K) на 100 ºC (373 K)
1 g вода при 100 ° C се превръща в пара при същата температура
Ако имаме източник на топлина, който доставя енергия с постоянна скорост q J/s, можем да изчислим продължителността на всеки от етапите
Фигурата, която не е мащабирана, показва как температурата се увеличава с добавянето на топлина към системата. Изпаряването на вода изисква голямо количество топлина, както можем да видим на графиката и в изчисленията, направени в примера.
| 0 | -двайсет |
| 41.8 | 0 |
| 375,8 | 0 |
| 793.8 | 100 |
| 3053.8 | 100 |
Измерване на латентна топлина на синтез (I)
Термосът се пълни с лед и се затваря. Дълга стъклена тръба с малка секция S се прокарва през запушалката и два кабела, които се свързват с съпротивление, през което циркулира електрически ток, който загрява леда, за да го превърне във вода при 0 ° C.
През епруветката се добавя вода, за да се напълни бутилката и да се притежава епруветката.
В лявата част на фигурата е показана първоначалната ситуация. От дясната страна ситуацията след известно време t след свързване на резистора към батерия.
Електрическото съпротивление загрява леда, той се топи и обемът на системата намалява, като следствие водата преминава от стъклената тръба към термос. Измерваме вариацията във височината на водата в градуираната вертикална тръба.
Експериментът се състои в измерване на енергията, необходима за намаляване на обема на системата с определено количество при постоянна температура и постоянно налягане.
В начално състояние имаме маса М лед с плътност ρh = 0,917 g/cm 3 в обем V0.
След определено време t маса Δm лед е превърната във вода с плътност ρa = 1,0 g/cm 3, Обемът V на системата намалява
V = M - Δ m ρ h + Δ m ρ a
Промяната на обема в абсолютна стойност е
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)
За да се стопи маса Δm лед и да се превърне във вода, е необходимо количество топлина
където Lf е скритата топлина на синтез
Тъй като обемът на системата намалява, водата от вертикалната тръба навлиза в термос, намалявайки височината с ΔV = SΔh
S Δ h = Q L f (ρ a - ρ h ρ a ρ h)
Измерваме топлината Q, доставяна от електрическото съпротивление в момент t.
Измерваме вариацията на височината Δh на водата във вертикалната стъклена тръба и решаваме за латентната топлина на синтез Lf
Пример:
- Вертикалната секция на тръбата е S = 0,1782 cm 2
- Плътността на леда ρh = 0,917 g/cm 3
- Плътността на водата ρa = 1,0 g/cm 3
Q = 13140 J е необходимо, за да се намали нивото на водата във вертикалната тръба Δh = 20 cm
0,1782 · 20 = 13140 L f (1 - 0,917 1,0 · 0,917) L f = 333,7 J/g = 333,7 · 10 3 J/kg
Дейности
- Вертикалната секция на тръбата е S = 0,1782 cm 2
- Плътността на леда ρh = 0,917 g/cm 3
- Плътността на водата ρa = 1,0 g/cm 3
Мощността P = i 2 R W, в заглавието на контрола Мощност
Бутонът е озаглавен Ново
Забелязва се, че докато ледът се топи и става вода в контейнера, нивото на водата във вертикалната стъклена тръба намалява.
От дясната страна има брояч на енергията, разсейвана от съпротивлението, което топи леда.
Измерване на латентна топлина на синтез (II)
Маса m лед се въвежда в калориметър с вода при температура T малко над стайната температура Ta и сместа се разбърква, докато ледът се разтопи напълно. Масата m на леда е избрана така, че равновесната температура Te да е малко под стайната температура, тоест, така че T-Ta≈T-Te.
По този начин топлината, пренесена в околната среда през първия етап от преживяването, се компенсира от топлината, получена във втория етап.
В описания по-долу опит се използва процедурата за смесване, но топлинните печалби или загуби между калориметъра и околната среда не се вземат предвид.
Маса вода при начална температура Ta се смесва с маса лед при 0 ° C в калориметър. Сместа лед-вода се разбърква до достигане на крайната равновесна температура Te.
Могат да възникнат два случая:
Част m от първоначалната маса mh лед се топи, оставяйки смес, образувана от лед (mh-m) и вода (ma + m) при крайната температура Te = 0ºC.
- Топлината, погълната от леда, е Q1 = mLf
- Топлината, която се дава от водата е Q2 = ma · c · (0-Ta)
Ако калориметърът е перфектно изолиран, той не губи или набира топлина, ще бъде вярно, че
Q 1 + Q 2 = 0 L f = m a c T a m (1)
Ако целият лед се стопи, крайното състояние е маса (mh + ma) вода при крайна температура Te> 0.
Сега трябва да вземем предвид, че масата mh лед се превръща във вода и след това повишава температурата си от 0ºC до Te. От друга страна, калориметърът (еквивалентната му маса във вода k) повишава температурата си от 0 ° C до Te.
Ако калориметърът е перфектно изолиран, той не губи или набира топлина, ще бъде вярно, че
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 страницата „специфична топлина на твърдо вещество“ значението на еквивалентната маса k във вода на калориметъра вече е обяснено.
Дейности
- Калориметрично измерване на воден еквивалент
Въвеждаме следните данни:
- Маса М вода в грамове в калориметъра,
- Начална температура T0 на калориметъра
- Маса m вода в грамове в епруветка
- Температура на водата T
Бутонът е озаглавен приготви се, термометрите и градуираните скали за обем вода отразяват въведените данни.
Ако сме доволни, натиснете бутона със заглавие Изчисли. Масата m вода се излива в калориметъра и термометърът измерва крайната равновесна температура Te.
Пример:
- Нека M = 170 g, T0 = 92,7 ºC
- Нека m = 170 g и T = 2,7 ºC
- Равновесната температура е Te = 54.2ºC
Водният еквивалент на калориметъра ще бъде
k = m (T - T e) T e - T 0 - M k = 170 · (2,7 - 54,2) 54,2 - 92,7 - 170 = 57,4 g
Измерване на топлината на синтез
Въвеждаме следните данни:
- Маса mh лед в грамове в калориметъра,
- Първоначалната температура на леда е зададена на 0ºC
- Маса ма вода в грамове
- Температура на водата Ta
Бутонът е озаглавен приготви се.
Ако сме доволни, натиснете бутона със заглавие Изчисли. Водата се излива в калориметъра и термометърът измерва крайната равновесна температура Te.
В случай, че се разтопи само част от леда, крайната температура ще бъде Te = 0ºC. Ледът може да бъде отстранен от калориметъра и претеглен на везна. Знаейки масата лед m, топлината на синтез ще се определи по формула (1). Когато възникне тази ситуация, масата на водата или нейната температура се увеличават или и двете едновременно, докато целият лед в калориметъра се разтопи.
Пример:
- Лед: mh = 128 g,
- Вода, ma = 170 g и Ta = 80 ° C
- Целият лед се топи и крайната равновесна температура е Te = 9,5 ºC
- Изчислихме еквивалентната маса във вода на калориметъра в предишния раздел k = 57,4 g
L f = 4180 (80 170 128 - 9,5 170 + 128 + 57,4 128) = 333868 J/kg
Препратки
Soules J. A. Подобрен второкурсник за измерване на латентна топлина на синтез. Am. J. Phys. 35 (1967) стр. 23-26
Güemez, Fiolhais C., Fiolhais M. Преразглеждане на експериментите на Блек върху скритите топлини на водата. Учителят по физика том 40, януари 2002 г., стр. 26-31