Pracownia: przemiany fazowe, rozszerzalność i transport ciepła

Potrzebne wiadomości: Temperatura, ciepło i stany skupienia.

Topnienie i wykres

Do kubka z mieszaniną drobnego lodu i niewielkiej ilości wody włóż termometr tak, aby nie dotykał ściany. Pod nadzorem obserwuj ogrzewanie od otoczenia, delikatnie mieszając i zapisując temperaturę oraz obecność lodu co jednakowy czas. Nie używaj szczelnie zamkniętego ogrzewanego naczynia. Wykres T(t) może mieć odcinek prawie stałej temperatury, dopóki współistnieją fazy; sól i nierównowaga zmieniają wynik.

Co oznacza poziomy fragment wykresu?

W mieszaninie lodu i wody przy ustalonym ciśnieniu energia może topić lód bez wyraźnego wzrostu temperatury. Wykres T od dostarczonej energii ma wtedy odcinek poziomy. Nie jest to postój przepływu energii. Po stopieniu ostatniego lodu kolejne porcje energii ogrzewają już wodę, więc nachylenie się zmienia.

Gdy używamy czasu zamiast energii, dodatkowo zakładamy stałą moc netto. Zmienna moc grzałki i straty do otoczenia zmieniają związek między czasem a dostarczoną energią. Nie wyznaczamy ciepła topnienia z samej długości odcinka w sekundach bez znajomości tego bilansu.

Przewodzenie, konwekcja i rozszerzalność

Metalową i plastikową łyżeczkę o możliwie podobnej geometrii zanurz na tę samą głębokość w bezpiecznie ciepłej wodzie. Porównuj temperatury czujnikiem w jednakowych miejscach i czasach, nie oceniaj ich poprzez dotykanie gorących końców. Woda w przezroczystym naczyniu z niewielką cieplejszą zabarwioną porcją pozwala obserwować ruch płynu; konwekcja przenosi także materię, a przewodzenie nie wymaga takiego przepływu makroskopowego.

Rozszerzalność gazu można pokazać miękkim balonikiem na pustej plastikowej butelce przenoszonej między chłodną a letnią kąpielą. Zmiana temperatury nie musi zachodzić przy idealnie stałym ciśnieniu. Rozszerzalność ciała stałego demonstruje nauczyciel gotowym niskotemperaturowym stanowiskiem z czujnikiem wydłużenia; nie budujemy samodzielnie ogrzewanej naprężonej konstrukcji.

W raporcie zapisz, co kontrolowano, a czego nie. Wolniejszy wzrost temperatury może wynikać z przemiany, większej pojemności cieplnej albo strat. Jeden kształt wykresu bez obserwacji faz nie rozstrzyga zawsze mechanizmu.

Rozszerzalność: nie pomyl przyrostu z długością

Dla pręta 0,50 m, α=20·10⁻⁶ K⁻¹ i ogrzania o 20 K otrzymujemy Δl=0,00020 m=0,20 mm. Długość końcowa to 500,20 mm. Potrzebny jest więc odczyt małego przyrostu na tle znacznie większej długości, a nie linijka o dokładności jednego centymetra.

Sprawdź temperaturę całego pręta, stabilność uchwytu i to, czy układ pozwala na swobodne wydłużenie. Unieruchomienie obu końców może zamienić część efektu w naprężenie. Ogrzewanie samego mocowania też może poruszyć wskazówkę. Próba bez pręta lub z innym materiałem pomaga rozpoznać wpływ aparatury.

Kolor jest znacznikiem, nie samym ciepłem

Barwnik unoszony z cieplejszą wodą pokazuje ruch cieczy. Wyjaśnienie przez konwekcję wymaga różnicy gęstości i ruchu całych porcji, nie tylko rozchodzenia koloru. W spokojnej wodzie kolor również może się rozprzestrzeniać przez dyfuzję. W ogrzewanym metalowym pręcie energia przenosi się bez takiego przepływu materiału.

W każdej próbie zapisz, co było bezpośrednio widoczne, a co jest interpretacją. Krótki film pomaga odróżnić kierunkowy ruch strugi od stopniowego rozmywania granicy barwnika.

Zadania do tego tematu

• Prawie stała temperatura przy malejącej ilości lodu
• Wydłużenie pręta na gotowym stanowisku
• Co przenosi konwekcja?

Dalsza lektura

Materiał referencyjny