Pracownia fizyczna dla optyków okularowych

T e r m o d y n a m i k a

Instrukcja dla studentów

Tematy ćwiczeń:

I. Badanie procesów termodynamicznych Doświadczenie 1. Badanie przemiany izobarycznej gazu Doświadczenie 2. Badanie przemiany izochorycznej gazu Doświadczenie 3. Badanie przemiany izotermicznej gazu

II. Sporządzanie bilansu cieplnego do wyznaczania ciepła właściwego, ciepła topnienia, ciepła parowania wody w temperaturze wrzenia Doświadczenie 4. Wyznaczanie ciepła właściwego wybranej substancji (stali, aluminium) Doświadczenie 5. Wyznaczanie ciepła właściwego wody Doświadczenie 6. Wyznaczanie ciepła parowania wody Doświadczenie 7. Wyznaczenie ciepła topnienia lodu

III. Wyznaczanie gęstości ciał stałych, ciekłych i gazowych Doświadczenie 8. Wyznaczenie gęstości wybranych ciał stałych Doświadczenie 9. Wyznaczanie gęstości ciała stałego o nieregularnym kształcie z wykorzystaniem prawa Archimedesa Doświadczenie 10. Wyznaczanie gęstości oleju i denaturatu z wykorzystaniem prawa równowagi cieczy w naczyniach połączonych Doświadczenie 11. Wyznaczanie gęstości powietrza

IV. Badanie anomalnej rozszerzalności wody Doświadczenie 12. Badanie zależności objętości wody od temperatury V(T) oraz gęstości od temperatury d(T)

I. Badanie procesów termodynamicznych

Doświadczenie 1. Badanie przemiany izobarycznej gazu

Celem doświadczenia jest zbadanie zależności objętości stałej masy gazu od temperatury w przemianie izobarycznej.

Przemiana izobaryczna to taki proces w którym pod stałym ciśnieniem wraz ze zmianą temperatury zmienia się objętość gazu.

Metoda: doświadczenie polega na mierzeniu zmian objętości odpowiadających kolejnym przyrostom temperatury. Przyrost objętości gazu jest równy ilości wody wypchniętej z menzurki.

Przyrządy:menzurka, dwie duże zlewki, zakorkowana kolba(około 200 cm³), wąż gumowy, termometr

rys .1 Schemat aparatury do badania przemiany izobarycznej gazu

Przebieg doświadczenia: Zbudować układ składający się z zakorkowanej kolby i dwu dużych zlewek. Kolba

zamknięta jest gumowym korkiem ze szklaną rurką w środku. Przymocować jeden koniec kawałka węża gumowego do końca szklanej rurki a drugi

wprowadzić do menzurki napełnionej wodą i zanurzonej w zlewce odwróconej do góry dnem.

Gaz zamknięty w kolbie ogrzewać w kąpieli zmieniając temperaturę 6-7 razy. Przed pomiarem przyrostu objętości gazu należy odczekać około 3 minut, aby doszło

do wymiany ciepła między wodą w zlewce, a powietrzem w kolbie. Zmiany temperatury powinny zawierać się w granicach 20-45º ze względu na dużą

rozszerzalność gazu.

Tabela pomiarów:

Temperatura T Przyrost objętości ΔV V = Vı + ΔV

Korzystając z danych zawartych w tabeli przedstawić wykres zależności objętości od temperatury V(T). Punkty pomiarowe wyznaczają linię prostą.

Otrzymana prosta jest wykresem równania:

V = Vı + Vı α t = Vı (1 + α t )

a α jest współczynnikiem rozszerzalności objętościowej gazu zależnym od rodzaju gazu.Sens fizyczny α - względny przyrost objętości przypadający na jednostkowy przedział temperatur, jednostką jest 1/K

α = ΔV / Vı Δt

wartość αVı jest równa tangensowi kąta nachylenia prostej do osi OX. Korzystając z wykresu, można wyznaczyć współczynnik α .oraz odczytać temperaturę objętości gazu równej zeru, jest ona równa w przybliżeniu - 273ºC Wnioski: W przemianie izobarycznej stałej masy gazu objętość jest wprost proporcjonalna do temperatury.

Wymagania do kolokwium wstępnego:Prawo przemiany izobarycznej,Współczynnik rozszerzalności objętościowej gazu,Równanie stanu gazu doskonałego.

Doświadczenie 2. Badanie przemiany izochorycznej gazu

Celem doświadczenia jest zbadanie zależności pomiędzy temperaturą i ciśnieniem w przemianie izochorycznej.

Przemiana izochoryczna to proces, w którym nie zmienia się objętość określonej masy gazu, zmienia się natomiast temperatura i ciśnienie pod wpływem dostarczania lub odprowadzania energii na drodze cieplnej.

Przyrządy:kolba zamknięta korkiem ze szklaną rurką w środku, termometr, zlewki, długa giętka, przezroczysta rurka (około 2,5 m)wypełniona wodą

rys. 2 Schemat aparatury do przemiany izochorycznej gazu

Przebieg doświadczenia:

Zamocować przezroczysty wąż do szklanej rurki znajdującej się w korku. Temperaturę gazu zamkniętego w kolbie należy zmieniać zanurzając kolbę w zlewce z

ciepłą wodą. Zmieniając 6-7 razy temperaturę wody w zlewce powodujemy zmianę temperatury

gazu w kolbie. Należy odczekać około 3-5 minut do ustalenia się temperatury gazu. Każdej zmianie temperatury odpowiada zmiana ciśnienia i objętości co daje się

zauważyć w zmianie poziomu wody w ramionach rurki. Aby objętość się nie zmieniała należy odpowiednio podnosić lub opuszczać prawe

ramię zestawu aby w lewym połączonym z kolbą pozostawał stały poziom. Odczytać na barometrze wartość ciśnienia atmosferycznego.

pat = ……….

Wyznaczyć ciśnienie gazu w kolbie z zależności:

p = pat + h d g, gdzie h – różnica wysokości poziomów wody w rurce przezroczystejg – przyspieszenie ziemskie, d – gęstość wody

Tabela pomiarów:

t [ º C] h p

Sporządzić wykres zależności ciśnienia od temperatury p(t), punkty pomiarowe układają się na linii prostej.Odczytać wartość ciśnienia w punkcie przecięcia prostej z osią OY w temperaturze 0ºCWspółczynnik kierunkowy prostej jest równy tangensowi kąta nachylenia jej do osi OX i zależy od rodzaju gazu i od ciśnienia w temperaturze 0º C.Równanie prostej ma postać:

p = po + po β t = p (1 + β t ),

β to współczynnik termicznej prężności gazu, jest on równy względnemu przyrostowi ciśnienia przypadającemu na jednostkowy przyrost temperatury. Jednostką jest 1/K.

Wnioski :

W izochorycznej przemianie stałej masy gazu ciśnienie jest wprost proporcjonalne do jego temperatury.

Wymagania do kolokwium wstępnego:Prawo przemiany izochorycznej.Współczynnik termicznej prężności.Równanie stanu gazu doskonałego.

Doświadczenie 3. Badanie przemiany izotermicznej gazu

Celem doświadczenia jest ustalenie związku pomiędzy ciśnieniem i objętością pewnej stałej masy gazu. Metoda: ściskanie powietrza w strzykawce lekarskiej podczas przesuwania tłoka.Przyrządy : sztywna listwa z podpórką, odważnik 1-2 kg, linijka, szklana strzykawka lekarska o pojemności 10-20 cm3

Przebieg doświadczenia:

Zakorkować gumowym korkiem strzykawkę. Nad tłokiem została zamknięta pewna masa powietrza.

Nacisnąć powoli tłok co spowoduje zmniejszenie objętości powietrza w strzykawce oraz zwiększenie ciśnienia.

Odczytać objętość gazu na skali strzykawki.

Przygotować układ stanowiący dźwignię dwustronną, który pozwoli zmierzyć ciśnienie.

Umieścić na jednym końcu dźwigni odważnik i naciskać tłokiem strzykawki drugi jej koniec aż do zrównoważenia dźwigni.

rys. 3 Schemat aparatury do badania przemiany izotermicznej gazuPoprzez zmianę położenia strzykawki na dźwigni uzyskujemy różne wartości objętości powietrza oraz odpowiadające jej wartości ciśnienia. Wartości tych wielkości obliczamy z następujących zależności:

p = pat + Fi / S, gdzie pat - ciśnienie atmosferyczne, S – powierzchnia tłoka

RP = ri Fi i = 1, 2, 3,…, n

Fi = PR / ri

p= pat + PR/ ri S,

gdzie ri to odległość tłoka strzykawki od osi dźwigni.

Objętość powietrza pod tłokiem wyliczamy z zależności:

V = l S,gdzie l to długość słupka powietrza.

Tabela pomiarów:

p = ….., R = ….., p at = ….., S = …..

r i F i p l V pV

Nanieść wyniki pomiarów na wykres zależności ciśnienia od objętości p(V)Otrzymana krzywa to hiperbola.

Wnioski: W przemianie izotermicznej stałej masy gazu ciśnienie i objętość są do siebie odwrotnie proporcjonalne.

pV = const.

W izotermicznej przemianie ustalonej masy gazu iloczyn ciśnienia i objętości jest stały.Uzyskany związek pomiędzy ciśnieniem i objętością nazwany jest prawem Boyle’a i Mariotte’a od nazwisk pierwszych odkrywców.

Uwaga! można ciśnienie powietrza w kolbie odczytywać bezpośrednio na manometrze umieszczonym u ujścia kolby. Odczytujemy wówczas wartości przyrostu ciśnienia.

Wymagania do kolokwium wstępnego:Prawo przemiany izotermicznej.Warunek równowagi dźwigni dwustronnej.Równanie stanu gazu doskonałego.

II. Sporządzanie bilansu cieplnego do wyznaczenia ciepła właściwego, ciepła topnienia oraz ciepła parowania w temperaturze wrzenia

Doświadczenie 4. Wyznaczanie ciepła właściwego ciał stałych (stali, aluminium, ołowiu)

Celem doświadczenia jest wyznaczenie ciepła właściwego wybranej substancji z bilansu cieplnego ułożonego dla wymiany energii pomiędzy tym ciałem ogrzanym do temperatury wrzenia, a kalorymetrem napełnionym wodą o niższej temperaturze.

Ciepłem właściwym nazywamy ilość energii potrzebną do zmiany temperatury 1 kilograma substancji o 1 kelwin c w = J / kg KEnergią wewnętrzną nazywamy wielkość charakteryzującą stan ciała lub układu ciał, która jest równa sumie wszystkich rodzajów energii cząsteczek i atomów tworzących ten układ.

Przyrządy: kalorymetr, śrut ołowiany, nity aluminiowe lub stalowe nakrętki, waga, termometr, grzałka, naczynie z wodą

rys. 4 Schemat aparatury do wyznaczania ciepła właściwego substancjiPrzebieg doświadczenia:

Wyznaczyć za pomocą wagi masę badanego ciała: nitów aluminiowych, śrutu ołowianego lub stalowych nakrętek.

Wyznaczyć masę pustego kalorymetru (jego wewnętrznej części) oraz kalorymetru napełnionego do połowy wodą, wyznaczyć masę kalorymetru oraz wody.

Do naczynia z wodą wrzucić badane ciało i podgrzewać do temperatury wrzenia przez 5 minut.

Zmierzyć temperaturę wody oraz kalorymetru t p tuż przed wrzuceniem ogrzanych do temperatury wrzenia stalowych nakrętek (lub innego ciała).

Temperatura wody w kalorymetrze będzie równa temperaturze kalorymetru, jeśli pomiaru dokonamy po kilku minutach (8-10) od wlania wody do kalorymetru.

Wrzucić ogrzane ciało do wody w kalorymetrze i dokonać pomiaru temperatury po około 3-5 minutach.

Sporządzić bilans cieplny dla wymiany energii pomiędzy rozgrzanym ciałem a kalorymetrem wypełnionym wodą.

Tabela pomiarów:

Masabadanego ciałamx

Masakalorymetru

m k

Masa wody

m w

Temperaturapoczątkowa

t p

Temperaturakońcowa

t k

Ciepłowłaściwewodyc w

Ciepło właściwekalorymetruc Al

Cx

Ilość energii oddana przez rozgrzane badane ciało o masie mx o temperaturze t100 , ochłodzone od temperatury końcowej tk jest równa Q 1 = mx ∙ cx ∙ (t100 - tk )

Energia pobierana przez wodę jest równa: Q2 = m w ∙ c w ∙ (t k - t p )

Energia pobierana przez kalorymetr jest równa Q3 = m k∙ c k ∙ ( t k - t p )

zatem

Q1 = Q2 + Q3

mx ∙ cx ∙ (t100 - t k ) = m k∙ c k ∙ ( t k - t p ) + m w ∙ c w ∙ (t k - t p )

stąd szukane ciepło właściwe cx jest równe:

cx = ( m k ∙ c k + m w ∙ c w ) ( t k -- t p) / m x (t100 - t k)

gdzie:mx – masa badanego ciałam w- masa wody w kalorymetrzem k – masa kalorymetrut k - temperatura końcowa wody, kalorymetru oraz badanego ciałat p – temperatura początkowa wody i kalorymetrucx – ciepło właściwe badanej substancjic k – ciepło właściwe substancji z której wykonany jest kalorymetr (z aluminium)c w – ciepło właściwe wody

Odszukać w tablicach fizycznych wartość ciepła właściwego dla badanej substancji,obliczyć błąd bezwzględny, względny oraz procentowy.

Wymagania do kolokwium wstępnego:Energia wewnętrzna.Ciepło właściwe.Bilans cieplny.I i II zasada termodynamiki.

Doświadczenie 5. Wyznaczanie ciepła parowania wody w temperaturze wrzenia

Celem doświadczenia jest wyznaczenie ciepła parowania wody poprzez doprowadzenie jej do wrzenia za pomocą grzałki o znanej mocy.

Ciepło parowania c p jest to ilość energii, która musi być doprowadzona do cieczy, aby jeden kilogram przeszedł w stan pary (w stałej temperaturze)

Przyrządy: wysoka, wąska zlewka z wodą, grzałka, waga laboratoryjna, minutnik

Przebieg doświadczenia:

Wysoką zlewkę odizolować od otoczenia owijając ją rulonem z waty lub umieszczając w pojemniku ze styropianu.

Wlać wodę do wysokiej zlewki i zważyć zlewkę z wodą. Doprowadź do wrzenia wodę za pomocą grzałki o znanej mocy w czasie t = 5 minut. Ponownie zważyć zlewkę z wodą.

Tabela pomiarów:

masa zlewkiz wodą

m1

[kg]

masa zlewki z wodą po odparowanium2

[kg]

masa pary

Δ m= m1 – m2

[kg]

moc grzałkiP [ W]

czas wrzeniat [ s]

Sporządź bilans cieplny związany z wymianą energii podczas wrzenia wody.

Energia wydzielona przez grzałkę

Q = P t , a Q = c p m

gdzie P oznacza moc grzałki, a c p- ciepło parowania w temperaturze wrzenia,

stąd

c p = P t / Δ m

Porównać otrzymaną wartość z wartością w tablicach fizycznych, obliczyć błąd bezwzględny, względny i procentowy.

Wymagania do kolokwium wstępnego:Energia wewnętrzna.I zasada termodynamiki.Przejścia fazowe I rodzaju.Sporządzanie bilansu cieplnego.

Doświadczenie 6. Wyznaczenie ciepła topnienia lodu

Celem doświadczenia jest wyznaczenie ciepła topnienia lodu z bilansu cieplnego.Przyrządy: kalorymetr, termometr, waga laboratoryjna

Ciepło topnienia c t jest równe ilości energii potrzebnej na stopienie jednego kilograma substancji w stałej temperaturze.

Przebieg doświadczenia:Wyznaczyć masę kalorymetru m k (jego wewnętrznej części).Wyjąć z zamrażalnika 3 kostki lodu i odczekać do pojawienia się na nim warstewki wody by można było uznać, że ma temperaturę 0 0 C.Nalać do ¼ kalorymetru wody i ponownie wyznaczyć masę.dokonać pomiaru temperatury wody w kalorymetrze t p.

Kalorymetr wstawić do wewnętrznej osłony i wrzucić do niego 3 kostki lodu i szczelnie zamknąć.Zmierzyć temperaturę końcową t k do której oziębiła się woda w kalorymetrze oraz kalorymetr po stopieniu lodu.Wyznaczyć ponownie masę kalorymetr z wodą i stopionym lodem w celu obliczenia masy lodu.

Tabela pomiarów:

Masa kalorymetru

Masakalorymetruz wodą

Masawody

Temperaturapoczątkowa wody i kalorymetru

Masakalorymetruwody i lodu

Masalodu

Temperatura końcowa wody i lodu

m k m 2 m w t 1 m r m l t 2

Sporządzić bilans energii pobranej i oddanej podczas topienia lodu.

oznacz: przez Q 1 = m l c t - energię pobrana przez lód do stopienia Q 2 = m l c w ( t k – 0 0 C ) - energia pobrana przez wodę powstałą z lodu Q 3 = m w c w ( t p - t k ) - energia oddana przez wodę Q 4 = m k c Al. (t p - t k ) - energia oddana przez kalorymetr

zatem

Q 1 + Q 2 = Q 3 + Q 4

m l c t + m l c w ( t k – 0 0 C ) = m w c w ( t p - t k ) + m k c Al. (t p - t k ) ,

gdzie c t to ciepło topnienia .

Obliczyć wartość ciepła topnienia lodu, porównać otrzymaną wartość z wartością w tablicach fizycznych. Oblicz błąd bezwzględny, względny oraz procentowy.

Wymagania do kolokwium wstępnego:ciepło topnienia,energia wewnętrzna,I i II zasada termodynamiki,sporządzanie bilansu cieplnego.

III. Wyznaczanie gęstości ciał stałych, ciekłych i gazowych

Doświadczenie 8. Wyznaczenie gęstości wybranych ciał stałych

Celem części 1 doświadczenia jest wyznaczenie gęstości substancji z których wykonane są bryły o regularnych kształtach

Przyrządy : waga laboratoryjna, suwmiarka, klocek drewniany i metalowy, menzurka, kulka plasteliny

Przebieg doświadczenia: Przygotować wagę laboratoryjną do pomiaru. Wyznaczyć masę klocka drewnianego oraz masę klocka metalowego. Za pomocą suwmiarki wyznaczyć długość, szerokość oraz wysokość klocków w celu

obliczenia objętości klocków.

Tabela pomiarów:dla klocka drewnianego:

Długośćcm

Szerokośćcm

Wysokośćcm

Objętość Vcm 3

Masa m[g]

Gęstośćρ= m/V

dla klocka metalowego:

Długośćcm

Szerokośćcm

Wysokośćcm

Objętość Vcm 3

Masa m[g]

Gęstośćρ= m/V

Celem części 2 doświadczenia jest wyznaczenie gęstości substancji z której wykonana jest bryła o nieregularnym kształcie np. kulki plasteliny.

Przebieg doświadczenia: Wyznaczyć masę bryłki plasteliny. Zanurzyć bryłkę plasteliny w menzurce z wodą odczytując wysokość słupa wody

przed i po zanurzeniu. Obliczyć objętość bryłki plasteliny.

Tabela pomiarów:

Wysokość słupa wody przed zanurzeniemplasteliny

Wysokość słupa wody po zanurzeniu plasteliny

Objętość bryłkiplasteliny V[ cm 3]

Masa bryłki plasteliny [g]

Gęstośćρ= m/V

Doświadczenie 9. Wyznaczanie gęstości ciała stałego o nieregularnym kształcie z wykorzystaniem prawa ArchimedesaPrzyrządy: waga laboratoryjna, przedmiot o nieregularnym kształcie (np. w kształcie kotwicy), zlewka z wodą.Przebieg doświadczenia:Zważyć przedmiot ( np. w kształcie kotwicy) na wadze.Zawiesić przedmiot na nitce i nitkę podwiesić do belki wagi. Zlewkę z wodą tak ustawić by przedmiot był całkowicie zanurzony w wodzie i nie dotykał dna zlewki. Można zlewkę trzymać w dłoni lub ustawić na stoliku nad szalką wagi.Doprowadzić wagę do równowagi, co pozwala wyznaczyć siłę F, która jest ciężarem zmniejszonym o siłę wyporu przedmiotu zanurzonego w wodzie.

Tabela pomiarów:

Ciężar przedmiotu w powietrzu Q

Ciężar przedmiotu w wodzie FF=Q- V ρwg

Siła wyporuV ρwg

ObjętośćprzedmiotuV=Q-F/gρw

Szukana gęstośćρx=( Q/Q-F) ρw

Doświadczenie 10. Wyznaczanie gęstości oleju i denaturatu z wykorzystaniem prawa równowagi cieczy w naczyniach połączonych

Celem doświadczenia jest wyznaczenie gęstości cieczy mieszających się i nie mieszających się metodą naczyń połączonych.Przyrządy i materiały: rurka w kształcie litery U, naczynia połączone w kształcie litery U odwrócone ramionami w dół, 2 małe zlewki, woda, olej, denaturat, miarka centymetrowa.

rys. 5 Rurka w kształcie litery U

Przebieg doświadczenia:cz.1 Wyznaczanie gęstości oleju przy założeniu znanej gęstości wody

Wlać wodę do rurki U do połowy wysokości a następnie ostrożnie dolać z jednej strony rurki niewielką ilość oleju.

Po uzyskaniu równowagi cieczy nie mieszających się tzn. oleju i wody zmierzyć nierówne wysokości ich słupków od tego samego poziomu.

Korzystając z porównania wartości ciśnienia hydrostatycznego dwóch cieczy na tym samym poziomie można obliczyć szukaną gęstość cieczy.

hw g ρw = ho g ρo

stąd hw / ho = ρo / ρw

h w oznacza wysokość słupka wody ,

ρ w oznacza gęstość wody

h o oznacza wysokość słupka oleju

ρo oznacza gęstość oleju

Tabela pomiarów:

h wody h oleju ρ wody ρoleju = ρ wodyhw/ho Błąd pomiaru

cz.2. Wyznaczanie gęstości cieczy mieszających się

Wlać wodę do jednej niewielkiej zlewki, do drugiej denaturat. Oba ramiona rurki U-kształtnej zanurzyć w zlewkach z cieczami. Zassać ciecze do rurek korzystając z gumowej rurki oraz kranika. Zmierzyć wysokości słupków cieczy w ramionach rurek.

rys. 6 Schemat aparatury do wyznaczania gęstości cieczy mieszających się

Tabela pomiarów:

h wody h denaturatu ρ wody ρd = ρw hw/hd Błąd pomiaru

Wymagania do kolokwium wstępnego:Ciśnienie hydrostatyczne.Prawo naczyń połączonych.Prawo Archimedesa.Budowa ciał stałych, ciekłych i gazowych.Pojęcie gęstości i sposoby jej wyznaczania.

Doświadczenie 11. Wyznaczanie gęstości powietrzaCelem doświadczenia jest wyznaczenie gęstości powietrza z wykorzystaniem metalowej butli.Przyrządy i materiały: metalowa butla, pompka rowerowa, butelka o znanej pojemności, miska z wodą, wagaPrzebieg doświadczenia:

Napełnić metalową butlę za pomocą pompki rowerowej. Wyznaczyć masę butli z powietrzem za pomocą wagi. Plastikową butelkę o znanej pojemności napełnić wodą, odwrócić do góry dnem i

umieścić w misce z wodą w taki sposób aby woda się nie wylała. Wypuścić 1dm3 powietrza z metalowej butli do butelki z wodą. Zważyć metalową butlę po wypuszczeniu 1dm3 powietrza.

rys.7 Schemat aparatury do pomiaru objętości powietrza

Tabela pomiarów:

Masa butli z powietrzem

m1

Masa butli po wypuszczeniu powietrzam2

Masa powietrza

Δm = m1- m2

Objętość powietrza

V

Gęstość powietrza

ρ= Δ m/V

Porównaj otrzymaną wartość gęstości powietrza z wartością odszukaną w tablicach fizycznych.

IV. Badanie anomalnej rozszerzalności wody Doświadczenie 12. Badanie zależności objętości wody od temperatury V(T) oraz gęstości od temperatury d(T)

Zależność zmian objętości wody od temperatury zachowuje się inaczej niż innych substancji. W zakresie temperatur od 4 0 C do O 0 C objętość wody zamiast maleć, rośnie przy obniżaniu temperatury. W temperaturze 4 0 C woda zajmuje najmniejszą objętość osiągając więc w tej temperaturze największą gęstość. Związane jest to z budową wewnętrzną substancji oraz rodzajami oddziaływań pomiędzy cząsteczkami.

Przyrządy i materiały: kolba około 300 cm3 ze szczelnym korkiem, termometr elektroniczny, mieszadło magnetyczne, kapilara ze skalą, woda destylowana, pokruszony lód, sól kuchenna(kilka łyżeczek).Zalecany poziom wody destylowanej w kapilarze w temperaturze pokojowej - 25 cm powyżej korka.Metoda pomiaru: Na mieszadle magnetycznym ustawiona jest kuweta, a w niej kolba z kapilarą wypełnioną woda destylowaną. Kolba obłożona jest mieszaniną chłodzącą, która może osiągnąć temperaturę kilkunastu stopni poniżej zera w skali Celsjusza. Mieszadło magnetyczne powoduje ruch wody w kolbie, ułatwia wymianę ciepła z mieszaniną i zapewnia wyrównanie temperatury wody w całej kolbie. Zanurzony w wodzie czujnik termometru pozwala na pomiar temperatury z dokładnością do 0,10 C. Zmiany objętości wody towarzyszące zmianom temperatury odczytujemy, obserwując zmiany poziomu wody w kapilarze.

rys. 8 Aparatura pomiarowa: Z – kuweta, K – kolba, M.CHŁ. –mieszanina chłodząca, CT – czujnik termometru, R – regulacja obrotów mieszadła.

Przebieg doświadczenia: Ustawić naczynie plastikowe wraz z umieszczoną w nim kolbą pomiarową na

mieszadle magnetycznym. Obłożyć kolbę rozdrobnionym lodem. Lód posypać kilkoma łyżeczkami soli. Włączyć mieszadło magnetyczne oraz ustawić jego obroty. Rozpocząć pomiar wysokości słupa wody w kapilarze, gdy temperatura wody w

kolbie obniży się do około 110 C. Wyjąć kolbę z mieszaniny chłodzącej, gdy woda osiągnie temperaturę + 0,10 C

(uwaga! zamarzająca woda może rozsadzić kolbę). Ustawić kolbę na mieszadle magnetycznym (bez naczynia z lodem). Kontynuować pomiary wysokości słupa wody w kapilarze podczas ogrzewania się

kolby do temperatury + 110 C

Tabela pomiarów:

Temperatura [0 C]

Wysokość słupa wody w kapilarze h [mm]

Zmiany objętości wody ΔV [cm3 ]

110 C

Dokonać pomiarów wysokości słupa wody w kapilarze od 110 C co 0,20 C(chłodzenie), aż do +0,10 Coraz od 0,10 C do 110 C (ogrzewanie)

Opracowanie wyników pomiaru:Sporządzić wykres zależności wysokości wody w kapilarze od temperatury podczas ochładzania i ogrzewania.Na osi rzędnych umieścić odpowiadające zmianom wysokości słupa wody zmiany objętości ΔV, na osi odciętych temperaturę. ΔV obliczyć na podstawie wartości średnicy wewnętrznej kapilary równej 1,7 mm i zmian wysokości h słupa wody.Wyznaczyć temperaturę odpowiadającą maksymalnej gęstości wody .Obliczyć względną zmianę gęstości wody pomiędzy 40 C i 10 0 C, przyjmując, że cała objętość wody w kolbie jest równa 300 cm3 . Oszacować niepewności pomiarowe i zaznaczyć na wykresie.

Wymagania do kolokwium wstępnego:Budowa cieczy.Struktura cząsteczki wody i lodu.Rodzaje wiązań atomowych w cząsteczce.Energia wiązania.Oddziaływania międzycząsteczkowe.Wpływ czynników zewnętrznych na właściwości fizyczne cieczy.Anomalna rozszerzalność wody.

Literatura:A. Kaczorowska, Termodynamika cz. A i B Wydawnictwo Edukacyjne Zofii Dobkowskiej Warszawa 1995.Sz. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna, t. II, PWN Warszawa 1976.S. Przestalski, Fizyka z elementami biofizyki i agrofizyki, PWN Warszawa 1987. Źródło rysunków: Beata Harasim, Cezary Pokropek, Maszynopis. A. Kaczorowska, Termodynamika cz. A i B Wydawnictwo Edukacyjne Zofii Dobkowskiej Warszawa 1995.