Dane INFORMACYJNE

2. Dane INFORMACYJNE • Nazwa szkoły: • Zespół Szkół Ponadgimnazjalnych im. Franciszka Ratajczaka w Kościanie • ID grupy: 97/45_MF_G1 • Opiekun: Anna Berlińska • Kompetencja: Matematyczno - fizyczna • Temat projektowy: Badanie zjawisk cieplnych • Semestr/rok szkolny: • Semestr czwarty / rok szkolny 2011/2012

3. Spis treści • WSTĘP • „BADACZE” TERMODYNAMIKI I MATERII • PODSTAWY TEORETYCZNE • ENERGIA I JEJ PRZEMIANY • ENERGIA WEWNĘTRZNA I CIEPŁO • BILANS CIEPLNY • STANY SKUPIENIA MATERII • OGRZEWANIE I CHŁODZENIE • PRZEJŚCIA FAZOWE • PRAWO STYGNIĘCIA NEWTONA • CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA • OPIS WSTĘPNY • SPRAWDZANIE SŁUSZNOŚCI ZAŁOŻEŃ BILANSU CIEPLNEGO • BADANIE PRZEJŚĆ FAZOWYCH • WYRÓWNYWANIE TEMPERATUR • PAROWANIE CIECZY • PODSUMOWANIE • ŹRÓDŁA MULTIMEDIALNE

4. Wstęp • W czwartym semestrze zajęć projektu „AS KOMPETENCJI” jako temat naszej pracy wybraliśmy „Badanie zjawisk cieplnych”. • Zainteresowaliśmy się tym tematem przede wszystkim dlatego, że chcieliśmy aby nasze prezentacje były z różnych działów fizyki a do tej pory zajmowaliśmy się już dynamiką, optyką i elektromagnetyzmem. • W ramach projektu AS KOMPETENCJI, przy pracy MGP wykonywaliśmy już pomiary związane ze stygnięciem cieczy do tematu o funkcjach wykładniczych. Upewniło nas to, że badanie zjawisk cieplnych może być ciekawe i znacznie ułatwiło wybór tematu dla naszych zajęć na semestr czwarty.

5. wstęp • Dzięki temu tematowi mogliśmy się bardziej zagłębić w termodynamikę oraz poznać bliżej zjawiska związane z przepływem ciepła. • Celem naszego przedsięwzięcia było poznanie i ukazanie zjawisk związanych z przepływem ciepła. • Obserwowaliśmy przemiany fazowe, przekazywanie ciepła, sprawdzaliśmy „słuszność” bilansu cieplnego. Wszystko to mogliśmy zobaczyć i zmierzyć dzięki dostarczonemu do szkoły w ramach projektu AS KOMPETENCJI sprzętowi doświadczalnemu. • Prace prowadziliśmy w grupach – każdy miał swoje wyznaczone zadania i staraliśmy się je w pełni realizować.

6. wstęp • Prezentacja ta obejmuje zagadnienia związane z przepływem ciepła. Omawiamy w niej zagadnienia takie jak energia i jej przemiany, związek energii wewnętrznej z temperaturą, budowę mikroskopową ciał, przejścia fazowe i wiele innych. • Staraliśmy się, aby ta praca odzwierciedlała nasze działania podejmowane przy tym projekcie. Mamy nadzieję że nam się udało. • Działania , które doprowadziły do powstania tej prezentacji wykonywaliśmy w grupach. • Zapraszamy na prezentację.

7. „BADACZE” TERMODYNAMIKI I MATERII • Na początku naszej prezentacji wspomnimy w kilku słowach o naukowcach zajmujących się budowaniem teorii molekularnej oraz badaniem ciepła i termodynamiki. • »» NEWTON ISAAC (1643-1727)«« • Angielski fizyk, astronom i matematyk. Prace Newtona dotyczyły prawie wszystkich działów fizyki. Opublikowaną w 1701 pracę Newtona o skali stopni ciepła i zimna często uważa się za początek nauki o cieple.

8. „BADACZE” TERMODYNAMIKI I MATERII • »» FAHRENHEIT GABRIEL (1686-1736)«« • Fizyk pochodzący z rodziny niemieckich kupców, osiadłych w Gdańsku; w 1721 opisał zjawisko przechłodzenia wody; stwierdził zależność temperatury wrzenia wody od ciśnienia. • »» Avogardo Di Quaregna Amadeo (1776 -1856)«« Fizyk, z wykształcenia prawnik; jeden z twórców podstaw molekularnej teorii materii; sformułował tzw. prawo Avogadra i na jego podstawie podał sposób wyznaczania ciężarów: cząsteczkowego i atomowego.

9. „BADACZE” TERMODYNAMIKI I MATERII • »» JOULE JAMES PRESCOTT (1818-1889) «« Fizyk brytyjski pisał prace z zakresu elektromagnetyzmu, ciepła, budowy materii; badał wydzielanie się ciepła w przewodniku, przez który płynie prąd; uogólnił zasadę zachowania energii obejmując nią procesy, w których nie tylko energia mechaniczna, ale i elektryczna zamienia się w ciepło; wyznaczył równoważnik mechaniczny ciepła; zajmował się również zagadnieniem energii wewnętrznej gazów;

10. „BADACZE” TERMODYNAMIKI I MATERII • »» THOMSON WILlIAM (1824-1907)«« Brytyjski fizyk i matematyk - szczególne znaczenie mają prace Thomsona dotyczące termodynamiki; opracował skalę temperatur bezwzględnych, zw. skalą Kelvina, w 1851 podał jedno ze sformułowań II zasady termodynamiki, wprowadził pojęcie energii wewnętrznej układu termodynamicznego, sformułował zasadę rozpraszania energii;

11. „BADACZE” TERMODYNAMIKI I MATERII • »» MACH ERNEST (1838-1916)«« Austriacki fizyk i filozof; w dziedzinie fizyki jest autorem prac z podstaw mechaniki oraz z aerodynamiki, optyki i nauki o cieple • »» PLANCK MAX (1858-1947)«« • Fizyk niemiecki; autor prac głównie z zakresu termodynamiki (m.in. podał termodynamiczną teorię roztworów) oraz termicznego promieniowania ciał;

12. podstawy Teoretyczne – energia i jej przemiany • Tematyka energii jest bardzo obszerna. Uproszczona definicja energii, którą spotykamy w fizyce, chemii, astronomii i astrofizyce, mówi nam, że jest ona wielkością, która opisuje zdolność ciała lub układu ciał do wykonania określonej pracy. Rozwijając ta definicję, musimy dodać, że energia jest wielkością opisującą stan układu: skalarną, addytywną i zachowywaną. Jedna z najistotniejszych zasad, będąca podstawą całej fizyki, jest związana właśnie z pojęciem energii. Wspomnieliśmy już o niej pisząc, że energia jest wielkością zachowywaną. Tą zasadą jest oczywiście „zasada zachowania energii”. Brzmi ona następująco: w każdym izolowanym układzie fizycznym całkowita suma energii jest stała (nie zmienia się w czasie).

13. podstawy Teoretyczne – energia i jej przemiany • Aby uniknąć błędnego rozumienia opisanych zjawisk, należy zaznaczyć, że doskonałe przemiany energii z jednej w drugą, bez ponoszenia strat, są czysto teoretyczne. W rzeczywistości procesom takim towarzyszy zawsze mniejsza bądź większa strata energii. Wyobraźmy sobie znowu spadające ciało, a dokładniej moment jego zderzenia z powierzchnią ziemi. Ciało to po odbiciu nie osiągnie poprzedniej wysokości ze względu na straty energii: wzrost energii wewnętrznej piłki i podłoża (możliwy do zaobserwowania poprzez wzrost temperatury). Nie możemy powiedzieć, że skoro ciało nie osiągnęło poprzedniej energii potencjalnej, gdy zawisło w powietrzu, to energia „zginęła”. Po prostu uległa ona przemianie w inną.

14. podstawy Teoretyczne – energia i jej przemiany • Energia mechaniczna:Wcześniej mieliśmy już okazję wspomnieć o energii mechanicznej, definiując ją jako sumę energii kinetycznej (związanej z ruchem ciała lub inaczej mówiąc – jaką posiada ciało znajdujące się w ruchu) i potencjalnej danego ciała (związanej ze wzajemnym położeniem poszczególnych części ciała i zależnej od ich położenia w zewnętrznym polu sił). Wyrażając się bardziej precyzyjnie, energia mechaniczna jest to suma energii kinetycznych tworzących układ fizyczny i energii potencjalnych wszystkich oddziałujących ze sobą ciał tego układu. Gdy zastanowimy się nad różnicą pomiędzy tymi dwoma definicjami, widzimy, że druga jest zarazem bardziej ogólna i możemy stosować ją z łatwością w bardziej złożonych przypadkach.

15. podstawy Teoretyczne – energia i jej przemiany • Energia elektrycznaEnergia elektryczna jest kolejnym pojęciem, które można traktować niejako na dwóch płaszczyznach: życia codziennego oraz ścisłej nauki. W pierwszym przypadku bowiem hasło to rozumie się jako prace wykonywaną lub ciepło dostarczane przez urządzenia elektryczne. W ujęciu bardziej naukowym energia elektryczna jest jedną z postaci energii potencjalnej związaną ze wzajemnym oddziaływaniem ładunków. W dużym uogólnieniu energię tę można traktować jako energię pola elektrycznego (gdy występuje jedynie ciągły rozkład ładunku). Istotne jest rozróżnienie energii elektrodynamicznej i elektrostatycznej: pierwsza występuje w sytuacjach, gdy ładunki elektryczne się poruszają, druga zaś, gdy pozostają w spoczynku. elektrycznych.

16. podstawy Teoretyczne – energia i jej przemiany • Energia jądrowaZ tym rodzajem energii mamy kontakt najrzadziej, chociaż w ostatnim wieku pojęcie to stało się bardzo istotne. Energia jądrowa wykorzystywana jest w produkcji broni (bomby atomowe i wodorowe), medycynie, jak również przez elektrownie. Energia ta wyzwala się podczas łańcuchowej reakcji rozszczepienia ciężkich jąder atomowych. Energia ta jest oddawana głównie w postaci energii kinetycznej fragmentów. Chcielibyśmy także wspomnieć o specyficznym rodzaju energii jądrowej - o energii termojądrowej. Powstaje ona podczas łączenia lekkich jąder atomowych. Próby uzyskania kontrolowanej reakcji tego typu trwają już wiele lat, gdyż mogłaby ona posłużyć jako najbardziej wydajne źródło energii na świecie.

17. podstawy Teoretyczne – energia i jej przemiany energia wewnętrzna i ciepło • Wspomnieliśmy już o energii mechanicznej. Drugim rodzajem energii, według tego podziału, jest energia mikroskopowa, czyli „ukryta” energia cząstek. To jest właśnie energia wewnętrzna. Pojęcie to jest wykorzystywane głównie w termodynamice. Ograniczymy się w tym momencie do omówienia pierwszej zasady termodynamiki. Jest to po prostu inna wersja zasady zachowania energii. Aby ją zrozumieć potrzebna nam jest znajomość jeszcze jednego pojęcia: ciepła. Nie jest to, jak uważa wiele osób, rodzaj energii, lecz sposób przekazywania energii między zamkniętym układem termodynamicznym a otoczeniem, różny od pracy mechanicznej.

18. podstawy Teoretyczne – energia i jej przemiany energia wewnętrzna i ciepło • Poniżej podajemy pierwszą zasadę termodynamiki: • ∆Q = ∆U + ∆W (Q – ciepło, U – energia wewnętrzna, W – praca) • Zasada ta stwierdza, że ciepło pobrane przez układ równe jest sumie wzrostu energii wewnętrznej układu oraz pracy wykonanej przez ten układ. Najprostszym przykładem ukazującym prawdziwość tej zasady jest sytuacja, w której stykają się ze sobą dwa ciała o różnych temperaturach. Zaobserwujemy wtedy, że ciepło jest przekazywane z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Ciepło pobrane przez ciało o niższej temperaturze musi się równać wzrostowi jego energii wewnętrznej (ewentualnie dodatkowo pracy wykonanej przez ten układ nad otoczeniem zewnętrznym).

19. podstawy Teoretyczne – energia i jej przemiany energia wewnętrzna i ciepło • Dla określenia ilości ciepła niezbędnego do spowodowania określonego wzrostu temperatury stosuje się wielkość zwaną pojemnością cieplną C. Pojemność cieplna nie określa jednak ile ciepła przypada na dana jednostkę masy W tym celu wprowadza się kolejną wielkość zwaną ciepłem właściwym c. m- masa, Q – ciepło, Δt – zmiana temperatury. • Zjawisko przenoszenia energii zachodzące dzięki różnicy temperatur nosi nazwę przewodnictwa cieplnego. Ciała można scharakteryzować wielkością zwaną przewodnością cieplną. Ciała o dużej przewodności cieplnej są dobrymi przewodnikami ciepła. Natomiast ciała, dla których przewodność ma małą wartość są dobrymi izolatorami cieplnymi (dobrymi przewodnikami ciepła są metale, a dobrymi izolatorami niemetale i gazy).

20. podstawy Teoretyczne – energia i jej przemiany energia wewnętrzna i ciepło • Drugim sposobem przenoszenia ciepła jest konwekcja. Jest to proces transportu ciepła zachodzący dzięki ruchom materii w obrębie dowolnego płynu. -Konwekcja swobodna zachodzi wskutek ruchów w obrębie płynu zachodzących na skutek różnic gęstości w danej substancji , która znajduje się pod działaniem pola grawitacyjnego. -Konwekcja wymuszona występuje wówczas , gdy ruchy środowiska ciekłego lub gazowego zależą od różnicy ciśnień, która powstała w tym środowisku w sposób niezależny od naturalnych procesów. • Ostatni sposób przenoszeni energii to promieniowanie cieplne. Transport energii odbywa się dzięki falom elektromagnetycznym.

21. podstawy Teoretyczne – energia i jej przemiany energia wewnętrzna i ciepło • Promieniowanie cieplne zwane promieniowaniem termicznym i jest emitowane przez wszystkie ciała, których temperatura jest większa od zera bezwzględnego. Ciała mają także zdolność absorpcji promieniowania termicznego. Oba te procesy zachodzą równocześnie. Jeśli ciało znajdzie się w otoczeniu o niższej temperaturze niż samo posiada to wychładza się ponieważ proces emisji zaczyna przeważać nad absorpcją. Tempo obu procesów będzie takie samo gdy osiągnięty zostanie stan równowagi termodynamicznej. • Promieniowanie termiczne jest związane z przejściami elektronów pomiędzy dozwolonymi poziomami energetycznymi w danym ciele.

22. podstawy Teoretyczne – energia i jej przemiany bilans cieplny • Bilans cieplny • Jeśli zetkniemy ze sobą dwa ciała o różnej temperaturze, to następuje między nimi wymiana ciepła. Ciało o wyższej temperaturze oddaje (traci) ciepło, a ciało o niższej temperaturze pobiera (zyskuje) ciepło. Wymiana ciepła kończy się, gdy temperatury obu ciał wyrównają się. • Ciepło jest formą energii (energią przekazywaną na sposób mikroskopowy), a zatem podlega ono jednemu z najbardziej podstawowych praw fizyki - zasadzie zachowania energii. W myśl tej zasady energia nie zanika bez śladu, a więc i ciepło też nie może nagle ginąć, lub powstawać z niczego podczas jego przemian termodynamicznych.

23. podstawy Teoretyczne – energia i jej przemiany bilans cieplny • Podstawowe równanie bilansu cieplnego ma postać: • Ciepło oddane = Ciepłu pobranemu • lub, używając symboli: • Qpobr = Qodd • Oba ciepła będące składnikami równania są liczone jako dodatnie - tzn. należy tak podstawiać do wzoru składniki ciepła pobranego i oddanego, aby obliczone ciepło miało wartość dodatnią.

24. podstawy Teoretyczne - stany skupienia materii • Cała materia otaczającego nas świata występuje w trzech dobrze znanych stanach skupienia: stałym, ciekłym i gazowym. Istnieje także czwarty stan skupienia – plazma.

25. podstawy Teoretyczne - stany skupienia materii • Ciało stałeWiększość ciał stałych to kryształy o płaskich powierzchniach i prostych powierzchniach i krawędziach. Typowymi przykładami kryształów są sól i cukier. Badania mikroskopowe wykazały, że inne ciała stałe, takie na przykład jak stal czy miedź, są również zbudowane z małych kryształków.

26. podstawy Teoretyczne - stany skupienia materii • Z pomiarów za pomocą promieni rentgenowskich wynika, że każdy kryształ jest uporządkowanym układem atomów, ułożonych bardzo blisko siebie w odległości zaledwie kilku dziesiątych nanometra. Takie geometryczne ułożenie atomów znajduje często odzwierciedlenie w zewnętrznym kształcie kryształów.Wiele własności ciał stałych zależy od ułożenia ich atomów lub cząsteczek. Ciekawym tego przykładem jest węgiel, który występuje w trzech różnych postaciach krystalicznych, zwanych inaczej odmianami alotropowymi.

27. podstawy Teoretyczne - stany skupienia materii • Wiele innych własności ciał stałych również zależy od siły i charakteru wiązań chemicznych pomiędzy ich atomami lub cząsteczkami. Przykładowo kryształy o silnych wiązaniach chemicznych mają wysoką temperaturę topnienia: ich stopienie wymaga dostarczenia dużej ilości energii. Podobnie od rodzaju wiązań zależy rozszerzalność cieplna ciał stałych. W miarę ogrzewania kryształu jego atomy lub cząsteczki poruszają się coraz szybciej. Wzrost średniej odległości między nimi, a co za tym idzie, zmiana rozmiarów kryształu zależy więc zarówno od siły wiązań jak i od temperatury.

28. podstawy Teoretyczne - stany skupienia materii • CieczSiły przyciągania pomiędzy cząsteczkami cieczy są słabsze od występujących w ciele stałym. Ich działanie możemy jednak bez trudu obserwować na co dzień. Jednym ze świadczących o nich zjawisk jest napięcie powierzchniowe, które wywołuje wrażenie, iż ciecz pokryta jest cienką, elastyczną błonką. To napięcie powierzchniowe nadaje kulisty kształt kropelkom cieczy i umożliwia małym owadom spacerowanie po powierzchni wody. Efekt ten wywołują cząsteczki ze środka cieczy przyciągające ku sobie cząsteczki znajdujące się na powierzchni.

29. podstawy Teoretyczne - stany skupienia materii • Dzięki siłom oddziaływania cząsteczek obserwujemy również podnoszenie się poziomu wody w cienkiej rurce, gdy zanurzymy jej koniec w wodzie. Zjawisko to nazywa się włoskowatością. Wywołują je siły przyciągania cząsteczek wody przez cząsteczki szkła (tzw. siły przylegania), które są większe od sił napięcia powierzchniowego. Powierzchnia wody unosi się i zakrzywia ku górze tuż przy ściankach rurki. Identyczny efekt, lecz odwrotnie skierowany, występuje w rurce z rtęcią. Napięcie powierzchniowe rtęci jest silniejsze od sił przyleganie rtęci do szkła. Powierzchnia rtęci ulega więc obniżeniu i zakrzywia się w dół przy ściankach rurki

30. podstawy Teoretyczne - stany skupienia materii • GazGaz składa się z poruszających się z wielką prędkością atomów lub cząsteczek. W temperaturze pokojowej i pod normalnym ciśnieniem w każdym centymetrze sześciennym powietrza, którym oddychamy, znajduje się około 20 trylionów atomów lub cząsteczek. Ich średnia prędkość wynosi około 450 metrów na sekundę. Oczywiście, każda z cząsteczek co chwilę zderza się z innymi. Ich swobodna droga wynosi średnio zaledwie około 0,0001 mm. Stopniowe mieszanie gazów, zwane dyfuzją, jest więc rezultatem milionów zderzeń.

31. podstawy Teoretyczne - stany skupienia materii • Cząsteczki powietrza są zbyt małe, aby można je było zobaczyć gołym okiem. Obserwując jednak pod mikroskopem unoszące się w powietrzu cząsteczki dymu można zobaczyć ich niewielkie, nieregularne przesunięcia. Nazywamy je ruchami Browna - od nazwiska brytyjskiego badacza Roberta Browna, który zaobserwował to zjawisko po raz pierwszy w roku 1827. Ruchy cząsteczek dymu spowodowane są ich ciągłymi zderzeniami z cząsteczkami powietrza. Gazy bardzo łatwo dają się sprężać. Dzieje się tak, ponieważ istnieje względnie duża wolna przestrzeń między ich cząsteczkami.

32. podstawy Teoretyczne - stany skupienia materii • Plazma. Plazma to zjonizowany gaz o odpowiednio dużej koncentracji cząstek naładowanych w postaci jonów i elektronów. Na ogół gaz przed jonizacją jest elektrycznie obojętny, więc zgodnie z zasadą zachowania ładunku wytworzona plazma będzie również obojętna, ponieważ będzie zawierać jednakowe ilości ładunków dodatnich i ujemnych. Jednak na skutek na skutek termicznych ruchów jonów, elektronów, atomów lub cząsteczek w plazmie występują chaotyczne, chwilowe niejednorodności przestrzennego rozmieszczenia ładunków.

33. podstawy Teoretyczne - ogrzewanie i chłodzenie • Najczęstszym skutkiem zmiany energii wewnętrznej ciała jest przyrost jego temperatury. Jednak ta prosta reguła zawodzi w przypadku zbliżania się z temperaturą do temperatury przejścia fazowego – czyli np. topnienia, wrzenia. • Podobny wykres jak dla wody ma większość substancji. Pewne wyjątki mogą zachodzić dla ciał stałych bezpostaciowych – dla nich topnienie nie zachodzi w stałej temperaturze – zamiast jednego punktu przemiany fazowej mamy proces mięknięcia, podczas którego temperatura powoli rośnie podczas zmiany fazy stałej na ciekłą

34. podstawy Teoretyczne - ogrzewanie i chłodzenie • Podczas ogrzewania (dostarczania ciepła) bez zmiany stanu skupienia dochodzi do wzrostu temperatury ciała. W przypadku odwrotnym - oziębiania - temperatura maleje. Większość substancji (ciała stałe, ciecze, gazy) reaguje zmianą na dostarczone ciepło w sposób proporcjonalny. Rządzi tym wzór: • Q = mcw Δt • Q - ciepło pobierane/oddawane przez ciało podczas ogrzewania/oziębiania m - masa substancji - cw - ciepło właściwe Δt = tkońc - tpocz (przy ogrzewaniu) przyrost temperatury Δt = tpocz - tkońc(przy oziębianiu) zmiana temperatury

35. podstawy Teoretyczne - przejścia fazowe • Wraz ze wzrostem temperatury rośnie liczba cząsteczek o dostatecznie dużej energii umożliwiającej im uwolnienie się z sieci krystalicznej. Oznacza to początek topnienia. W miarę dostarczania ciepła wzrasta liczba cząsteczek opuszczających swoje stałe pozycje. Temperatura kryształu pozostaje jednak stała aż do całkowitego stopnienia ciała. W ten sposób następuje więc zmiana stanu skupienia: stałego w ciekły. Energię cieplną potrzebną do całkowitego stopienia kilograma masy danego ciała nazywamy jego ciepłem topnienia. Wzór na energię (cieplną) potrzebną do stopienia określonej ilości ciała stałego ma postać: Qt = m ∙ L • Qt - energia potrzebna do stopienia m - masa topiącej się substancji L - ciepło topnienia

36. podstawy Teoretyczne - przejścia fazowe • Podobne zjawisko występuje podczas parowania cieczy, czyli przechodzenia jej w stan gazowy. Znacznie więcej energii potrzeba jednak do przejścia cieczy w gaz niż kryształu w ciecz. Proces parowania cieczy można przyspieszyć podgrzewając ją. Dostatecznie gorąca ciecz zaczyna wrzeć, ale nawet w temperaturze wrzenia parowanie wymaga ciągłego dostarczania ciepła. Ciepło potrzebne do przeprowadzenia w parę kilograma masy cieczy nazywamy ciepłem parowania. Wzór na energię (cieplną) potrzebną do odparowania określonej ilości ciała stałego ma postać: • Qp = m ∙ R • Qp - energia potrzebna do odparowania m - masa parującej substancji R - ciepło parowania

37. podstawy Teoretyczne - przejścia fazowe • Niekiedy możliwe jest powolne odparowywanie ciał stałych, na przykład kryształów kamfory. Zjawisko to nazywane jest sublimacją. Zdarzają się sytuacje, gdy możemy obserwować wszystkie trzy stany skupienia materii. Dzieje się tak np. podczas wybuchu wulkanu. Wulkan i otaczające go skały to ciała stałe. Wrząca stopiona skała jest cieczą, a unoszone w górę dymy – gazami. • Znajomość praw rządzących stanami skupienia materii pozwala wytłumaczyć wiele zjawisk zachodzących wokół nas. Dzięki tym prawom możemy tworzyć nowe technologie i wynalazki ułatwiające i pomagające nam w życiu.

38. podstawy Teoretyczne -prawo stygnięcia newtona • Prawo stygnięcia (prawo stygnięcia Newtona) mówi, że: “Szybkość z jaką układ stygnie jest proporcjonalna do różnicy temperatur pomiędzy układem a otoczeniem.” Matematycznie można to wyrazić jako: gdzie: * T – temperatura ciała; * TR – temperatura otoczenia; * ΔT – różnica temperatur układu i otoczenia; * t – czas; * k – stała dla danego układu (zależna m.in. od fizycznej wielkości układu, jego pojemności cieplnej i jego wewnętrznej struktury, przenikalności cieplnej ścianek układu, rodzaju otoczenia).

39. podstawy Teoretyczne -prawo stygnięcia newtona • Z powyższego, przy założeniu stałości temperatury otoczenia, otrzymujemy ekspotencjalną zależność temperatury stygnącego układu od czasu stygnięcia: • Prawo ostygania zapisane w postaci • TR – temperatura otoczenia T – aktualną temperaturą układu, Ostatecznie otrzymujemy: • Temperaturę stygnącego ciała w funkcji czasu ilustruje krzywa ostygania

40. Część doświadczalna • Do badania zjawisk cieplnych wykorzystaliśmy notebooka z programem Coach6 oraz zestaw czujek pomiarowych – w tym głównie czujników pomiarów temperatury. Wykonaliśmy szereg pomiarów i doświadczeń, których wyniki opracowywaliśmy z użyciem programu Excel. • Przejdźmy teraz do opisu wykonywanych przez nas doświadczeń oraz analizy uzyskanych wyników obserwacji i pomiarów. • Wykonaliśmy następujące doświadczenia i obserwacje: - sprawdzanie słuszności założeń bilansu cieplnego - badanie przejść fazowych - wyrównywanie temperatur - parowanie cieczy - badanie stygnięcia cieczy

41. Część doświadczalna - SPRAWDZANIE SŁUSZNOŚCI ZAŁOŻEŃ BILANSU CIEPLNEGO • Pomoce dydaktyczne: • Zestaw służący do przeprowadzania doświadczeń wspomaganych komputerowo, w skład którego wchodzą: czujniki temperatury, interfejs pomiarowy Coach Lab II+, oprogramowanie Coach 6, notebook. • Pozostałe pomoce do przeprowadzenia doświadczeń: • Kalorymetr aluminiowy; wykonane ze stali, żeliwa i mosiądzu „klocki”; palnik; zlewka; woda.

42. Część doświadczalna - SPRAWDZANIE SŁUSZNOŚCI ZAŁOŻEŃ BILANSU CIEPLNEGO • Doświadczenie miało następujący przebieg: • -Do zważonego wcześniej kalorymetru wlaliśmy wodę -Zważyliśmy kalorymetr wraz z wodą -Kalorymetr wraz z wodą izolowaliśmy termicznie – umieściliśmy go wewnątrz kartonu, wypełnionego styropianem oraz pogniecionymi gazetami. -Zmierzyliśmy temperaturę wody. -Do kalorymetru z wodą wrzuciliśmy ogrzany metalowy klocek – mierząc wcześniej jego temperaturę (klocek znajdował się wcześniej w ogrzanej na palniku wodzie, na tyle długo, aby temperatura klocka i wody wyrównała się). - Po 10 minutach zmierzyliśmy temperaturę wody z klockiem metalowym.

43. Część doświadczalna - SPRAWDZANIE SŁUSZNOŚCI ZAŁOŻEŃ BILANSU CIEPLNEGO • Wyniki pomiarów: • Masa kalorymetru mk = 82 g • Ciepło właściwe aluminium ck = 900 J/(kg·K) • Masa wody mw = 238 g • Ciepło właściwe wody cw = 4190 J/(kg·K) • Niepewności : • Δm = 2 g • ΔT = 0,2 °C

44. Część doświadczalna - SPRAWDZANIE SŁUSZNOŚCI ZAŁOŻEŃ BILANSU CIEPLNEGO • Pomiary:

45. Część doświadczalna - SPRAWDZANIE SŁUSZNOŚCI ZAŁOŻEŃ BILANSU CIEPLNEGO • W opisanej sytuacji mamy do czynienia z przekazywaniem ciepła od metalowej bryły do wody. Temperatury bryły i wody - początkowo różne – po wymianie ciepła będą miały jedną temperaturę końcową (oznaczymy ją przez Tk). • Temperatura ta będzie większa od początkowej temperatury wody, ale mniejsza od początkowej temperatury bryły. Nie możemy pominąć kalorymetru, który także się ogrzeje.Zastosujemy tu bilans cieplny – w tej konkretnej sytuacji będzie on miał postać: • mn ·cn_· (tn – tk) = mw ·cw_· (tk – t0) + mk ·ck· (tk – to)

46. Część doświadczalna - SPRAWDZANIE SŁUSZNOŚCI ZAŁOŻEŃ BILANSU CIEPLNEGO • Sprawdzimy, czy ciepło oddane przez metalowe bryły: • Qod = mn ·cn_· (tn – tk) • jest faktycznie równe ciepłu pobranemu przez wodę i kalorymetr: • Qp = mw ·cw_· (tk – t0) · (tk – to). • Niepewność pomiaru wyznaczamy korzystając z metody różniczki zupełnej: • ΔQp = cw_· (tk – t0) Δm + ck· (tk – to)Δm + (mw ·cw + mk ·ck )ΔT • ΔQod = cn_· (tn – tk) Δm + mn ·cnΔT

47. Część doświadczalna - SPRAWDZANIE SŁUSZNOŚCI ZAŁOŻEŃ BILANSU CIEPLNEGO • Obliczamy wartości ciepła pobranego i oddanego w poszczególnych przypadkach oraz wartości niepewności pomiaru:

48. Część doświadczalna - SPRAWDZANIE SŁUSZNOŚCI ZAŁOŻEŃ BILANSU CIEPLNEGO • Omówmy wyniki pomiarów dla poszczególnych metali: • Żeliwo: Ciepło oddane Qod = 3305,8 J ± 70,3 J • Ciepło pobrane Qp = 2891,7 J ± 241,7 J • Ciepło oddane { 3235,5 – 3376,1} [J] • Ciepło pobrane { 2650 – 3133,4} [J] • Bilans cieplny nie został spełniony – może to wynikać z założenia, że badana przez nas bryłka żeliwa to żeliwo szare, o wartości ciepła właściwego c = 540 J/(kg·K). Być może mieliśmy do czynienia z innym rodzajem żeliwa.

49. Część doświadczalna - SPRAWDZANIE SŁUSZNOŚCI ZAŁOŻEŃ BILANSU CIEPLNEGO • Stal: Ciepło oddane Q= 2860,9 J ± 59,1 J • Ciepło pobrane Q = 2784,6 J ± 240,7 J • Q oddane { 2801,8 – 2920} [J] • Q pobrane { 2543,9 – 3025,3} [J] • ------------------------------------------------------------------------------- • Mosiądz : Ciepło oddane Q = 2720,2 J ± 51,6 J • Ciepło pobrane Q = 2998,8 J ± 242,7 J • Ciepło oddane { 2668,6 –2771,8} [J] • Ciepło pobrane { 2756,1 – 3241,5} [J]

50. Część doświadczalna - SPRAWDZANIE SŁUSZNOŚCI ZAŁOŻEŃ BILANSU CIEPLNEGO • W przypadku stali i mosiądzu, jeżeli weźmiemy pod uwagę niepewności pomiarowe uzyskujemy wyniki, które możemy uznać za spełniające zasadę bilansu cieplnego. • Musimy tutaj zwrócić uwagę na fakt, ze wszystkie nasze doświadczenia prowadzone są w warunkach szkolnych a nie laboratoryjnych – dlatego też nasz „układ izolowany termicznie” samodzielnie przez nas stworzony na pewno dawał wiele do życzenia. • Do naszych doświadczeń podeszliśmy trochę nietypowo, ponieważ za pomocą bilansu cieplnego zazwyczaj wyznacza się ciepło właściwe substancji my natomiast staraliśmy się sprawdzić czy sam bilans cieplny jest możliwy do udowodnienia.