Pracownia: wrzenie, skraplanie i ogrzewanie przez pracę

Potrzebne wiadomości: Temperatura, ciepło, praca i stany skupienia.

Wrzenie obserwowane z bezpiecznej odległości

Wrzenie demonstruje nauczyciel na gotowym stanowisku z osłoną, stabilnym ogrzewaniem i zabezpieczonym czujnikiem temperatury. Naczynie pozostaje otwarte zgodnie z instrukcją stanowiska; uczniowie nie dotykają gorącej wody ani strumienia pary. Notują temperaturę i wygląd cieczy w równych odstępach czasu. Początkowe drobne pęcherzyki mogą pochodzić z uwalniania rozpuszczonych gazów. Utrzymujące się wrzenie w całej objętości trzeba odróżnić od tego etapu.

Przy ustalonym ciśnieniu i czystej substancji dopływ energii podczas wrzenia może przede wszystkim zmieniać ciecz w parę, zamiast podnosić temperaturę. Nie wymagamy wyniku dokładnie 100°C bez znajomości ciśnienia i wzorcowania. Wykres T(t) uzupełnij opisem faz, a nie samą prostą poziomą.

Ogrzewanie przez pracę

Na szkolnym kalorymetrze tarciowym o małej energii nauczyciel pokazuje wzrost temperatury przy wykonywaniu pracy, bez grzałki. Zapisz temperaturę przed i po oraz sposób doprowadzania pracy. Porównaj z próbą bez ruchu przez taki sam czas. Nie pocieraj skóry do bólu i nie dotykaj rozgrzanych części. Praca i ciepło są różnymi sposobami przekazania energii przez granicę układu; oba mogą zwiększać jego energię wewnętrzną. Tarcie wewnętrzne układu nie jest dodatkowym zewnętrznym dopływem energii.

Praca i granica układu

W kalorymetrze tarciowym obejmujemy bilansem wszystkie ogrzewane części. Jeśli praca 300 J zwiększa U układu o pojemności 120 J/K, ΔT=2,5 K. Gdy do otoczenia uciekło 60 J, pozostaje 240 J i przyrost wynosi 2,0 K. Nie dodajemy „ciepła tarcia” drugi raz do wykonanej pracy: byłoby to podwójne policzenie tej samej dostawy energii.

Próba bez ruchu przez taki sam czas pozwala oszacować zmianę od otoczenia i dryf czujnika. Nie usuwa automatycznie strat w próbie ogrzewanej, bo wtedy różnica temperatur może być większa. Dobra kontrola pomaga wskazać wpływ, ale nie zastępuje modelu wszystkich strat.

Skraplanie i próba kontrolna

Napełnij szczelny kubek zimną wodą z lodem, osusz zewnętrzną ściankę i postaw obok drugi suchy kubek z wodą o temperaturze pokoju. Obserwuj obie powierzchnie, nie mocząc ich od zewnątrz. Krople na chłodnej ściance mogą pochodzić z pary wodnej w powietrzu. Przy suchym powietrzu lub zbyt ciepłej ściance efekt może być słaby; brak kropli nie dowodzi braku pary.

Co porównuje próba kontrolna?

W doświadczeniu z kubkami zapisujemy, czy ścianki były suche na początku, czy kubki są szczelne i po jakim czasie pojawiają się krople. Podobny materiał, wielkość i położenie ograniczają wpływ innych różnic. Zmieniamy głównie temperaturę ścianki. Jeżeli zimny kubek wyjęto mokry z kąpieli, obserwacja nie rozstrzyga pochodzenia późniejszych kropli.

Próbę warto powtórzyć po osuszeniu i zamienić położenia kubków. Efekt podążający za zimnym kubkiem, a nie za miejscem przy oknie, lepiej wspiera wyjaśnienie przez temperaturę. Nie wymaga jednak obietnicy identycznej liczby kropli: wilgotność i ruch powietrza mogą się zmieniać.

Co jeszcze trzeba zmierzyć przy wrzeniu?

Jeżeli chcemy wyznaczyć ciepło parowania, potrzebujemy przyrostu energii przekazanej cieczy i ubytku masy, nie tylko temperatury. Przy stałej temperaturze i pomijalnych innych zmianach Q=m_odparowaneL. Część energii źródła może jednak ogrzewać naczynie lub otoczenie, a ubytek masy może obejmować rozpryski. Te efekty trzeba rozróżnić.

W sprawozdaniu oddziel trzy zdania: co odczytano, jaki model przyjęto i jaki wniosek z tego wynika. „Temperatura się nie zmieniła” jest obserwacją; „nie dopływała energia” nie jest poprawnym wnioskiem przy obserwowanym wrzeniu i ubytku masy.

Zadania do tego tematu

• Krople na szczelnym kubku i próba w temperaturze pokoju
• Praca doprowadzona do modelowego kalorymetru
• Płaski fragment wykresu wrzenia nie oznacza wyłączonego ogrzewania

Dalsza lektura

Materiał referencyjny