POLITECHNIKA ŁÓDZKA

POLITECHNIKA ŁÓDZKA
INSTRUKCJA Z LABORATORIUM W
ZAKŁADZIE BIOFIZYKI
Ćwiczenie 7
KALORYMETRIA
Kalorymetria
I. WSTĘP TEORETYCZNY
Kalorymetria jest działem fizyki zajmującym się metodami pomiaru ciepła
wydzielanego bądź pochłanianego w trakcie procesów fizycznych (np. zamiana
pracy na ciepło), chemicznych (np. ciepło reakcji chemicznych) lub
biologicznych. Przekazywaniem ciepła rządzą trzy zasady:
1. Ilość ciepła Q, potrzebna do ogrzania ciała o masie m o ∆T, wyraża się
wzorem:
Q = c m ∆T
Współczynnik c nazywamy ciepłem właściwym i jest ilością ciepła
potrzebną go ogrzania 1 kg dowolnego ciała o jeden Kelwin. Jednostką
ciepła właściwego jest J · kg-1· K-1
2. Ilość ciepła oddanego przez ciało jest równa ilości ciepła pobranego przez
ciała otaczające.
3. Ilość ciepła pobrana przez ciało przy podgrzewaniu od temperatury T1 do
T2 jest równa ilości ciepła oddanego przy chłodzeniu w tym samym
Zakresie temperatur, jeżeli ciało przechodzi przez te same stany pośrednie
w odwrotnej kolejności. Ostatnie dwie zasady wynikają z zasady
zachowania energii.
W wyniku przemiany materii w organizmach żywych powstaje ciepło,
które zostaje zużyte przez organizm na endotermiczne reakcje chemiczne, na
pracę mechaniczną, energię elektryczną oraz energię fal elektromagnetycznych.
Część ciepła zostaje różnymi drogami odprowadzona na zewnątrz organizmu.
Wydzielenie
ciepła
przez
organizm
jest
podstawowym
czynnikiem
utrzymywania odpowiedniej temperatury organizmu i stanowi składową część
procesów
termoregulacji.
Poniżej
podany
jest
bilans
energii
cieplnej
przeciętnego organizmu ludzkiego w ciągu 24 godzin.
1
Kalorymetria
Pokarm pobrany
g
kJ
Razem kJ
Białka
57,8
992
Tłuszcze
140,5
5 472
Węglowodany
81,7
1 403
7 867
Rozchód energii
kJ
sposoby oddawania ciepła
ciepło oddawane z powierzchni ciała
5 753
ciepło wydychanego powietrza
180
ciepło wydalane z moczem i kałem
96
ciepło zużyte na wyparowanie wody przez płuca
758
ciepło zużyte na wyparowanie wody przez skórę
950
poprawki
46
Różnica
między
całkowitą
ilością
razem kJ
ciepła
uzyskanego
7 783
w
organizmie
i wydzielonego wynika z niedokładności pomiarów.
II. OPIS BUDOWY STANOWISKA
Pomiary ciepła wykonuje się w kalorymetrach (rys.1.). W celu
ograniczenia wymiany ciepła z otoczeniem powleka się zewnętrzne ścianki
warstwą srebra lub chromu, a sam kalorymetr
stawia się na podstawce
izolacyjnej w osłonie przykrytej pokrywką. Niekiedy osłona posiada podwójne
ścianki i wypełniona jest wodą. Aby do minimum ograniczyć wymianę ciepła z
otoczeniem, stosuje się kalorymetr z termosem ( naczynie Dewara).
2
Kalorymetria
termometr
mieszadło
pojemnik wewnętrzny kalorymetru nr 1
pojemnik zewnętrzny
warstwa
izolacyjna
pojemnik
wewnętrzny
kalorymetru
nr 2
pojemnik
z materiału
izolacyjnego
Rys.1. Schemat układu pomiarowego
III. PRZEBIEG ĆWICZENIA
A.
WYZNACZANIE CIEPŁA TOPNIENIA LODU
1.
Wyznaczyć masę m1 osuszonego wewnętrznego naczynia kalorymetru.
2.
Nalać wodę do połowy objętości kalorymetru.
3.
Wyznaczyć masę m2 naczynia z wodą.
4.
Obliczyć masę wody mw
mw = m 2 – m 1
5.
Naczynie wewnętrzne wstawić do kalorymetru i mierzyć temperaturę
wody co 1min. Trzeba pamiętać o mieszaniu.
6.
Temperaturę należy odczytywać aż do momentu ustalenia się równowagi
cieplnej (stałej temperatury).
7.
Osuszyć bibułą kawałki kawałki lodu i wrzucić do kalorymetru mieszając
cały czas wodę.
8.
Mierzyć temperaturę wody co 1 min. do chwili, gdy temperatura zacznie
równomiernie wzrastać.
9.
Wyznaczyć masę mk kalorymetru z wodą, a następnie masę stopionego
lodu ml = mk – m2.
3
Kalorymetria
10.
Wyniki pomiarów przedstawić w tabeli.
mk
ck
mw
cw
To
T1
T2
∆T
m1
[kg]
 J 
 kg ⋅ K 


[kg]
 J 
 kg ⋅ K 


[K]
[K]
[K]
[K]
[kg]
11.
Obliczyć ciepło topnienia lodu.
12.
Maksymalny błąd bezwzględny ∆c , popełniony przy wyznaczaniu ciepła
właściwego topnienia lodu, obliczyć ze wzoru:
 2(mk c k + mw c w )

∆c = 
+ c w  ∆T
ml


13. Wykonać wykres zależności temperatury wody od czasu.
B. WYZNACZANIE ILOŚCI CIEPŁA WYDZIELANEGO PRZEZ
ORGANIZM CZŁOWIEKA PRZY WYDYCHANIU
1.
Wyznaczyć masę mkw1 wewnętrznego naczynia kalorymetru nr 1.
2.
Wyznaczyć masę mw2 wewnętrznego naczynia kalorymetru nr 2.
3.
Pojemnik nr 3 (wykonany z tworzywa sztucznego) wypełnić drobno
potłuczonym i możliwie suchym lodem i umieścić go w kalorymetrze nr1.
Całość umieścić w osłonie i szczelnie zamknąć pokrywą.
4.
Na wystającą część rurki pojemnika nałożyć wąż gumowy wraz z
ustnikiem.
5.
Po upływie 15 minut szybko wymienić wewnętrzne naczynie kalorymetru
nr1 na wewnętrzne naczynie nr 2 i w ciągu 15 minut wydychać powietrze
do kalorymetru przez wąż gumowy.
4
Kalorymetria
Należy pamiętać, aby oddech był jak najbardziej zbliżony do normalnego,
a wydychane powietrze było w całości wtłoczone do kalorymetru.
6.
Po ukończeniu wydychania wyjąć pojemnik wraz z pozostałą częścią
lodu.
7.
Wyznaczyć masę mkw1 kalorymetru nr 1 z wodą.
8.
Obliczyć masę wody mw1 powstałej ze stopionego lodu w temperaturze
otoczenia.
9.
Wyznaczyć masę mkw2 kalorymetru nr 2 z wodą.
10.
Obliczyć masę mw2 wody powstałej w kalorymetrze podczas wydychania
powietrza.
11.
Obliczyć masę wody mw powstałej przez wydychanie powietrza przy
ochłodzeniu się do temperatury topnienia lodu (to = 0oC)
(
m w = m w2 − m1w − m wp
)
gdzie:
mwp – masa wody powstałej w wyniku skroplenia się pary wodnej zawartej
w wydychanym powietrzu; mwp = 5g
12.
Odczytać temperaturę otoczenia tp.
13.
Znając masę mw obliczyć całkowite ciepło stracone (Qo)
Qo = mw٠L
gdzie:
L – ciepło topnienia lodu; L = 335٠103 J/kg
(
)
Q = mw2 − m1w − m wp ⋅ L
14.
Ciepło Qo jest równe ciepłu jakie traciłby organizm przez oddychania
Gdyby temperatura wydychanego powietrz była 0oC. Ponieważ doświadczenia
jest przeprowadzane w temperaturze pokojowej, więc na podstawie proporcji
otrzymuje następujący się wzór na ciepło Q wydzielone z organizmu przez
oddychanie w temperaturze pokojowej
Q = Qo
tc − t p
tc − to
5
Kalorymetria
gdzie:
tc – temperatura ludzkiego ciała, tc = 36,6oC
tp – temperatura otoczenia
to – 0oC
[g]
[g]
[g]
[g]
mk1
mkw1
mw1
mk2
mkw2
mw2
mwp [kg]
mw [kg]
tp [oC]
Qo [ J]
Q [J]
IV. SPRAWOZDANIE POWINNO ZAWIERAĆ
1.
Krótki wstęp teoretyczny.
2.
Cel przeprowadzonego ćwiczenia.
3.
Objaśnienie symboli stosowanych w sprawozdaniu.
4.
Tabelę z wartościami wielkości mierzonych.
5.
Obliczone błędy
6.
Wykres zależności temperatury wody od czasu.
7.
Dyskusję i wnioski.
V. PYTANIA KONTROLNE
1.
Podstawowe zasady kalorymetrii.
6
Kalorymetria
2.
Definicja współczynnika cieplnego.
3.
Definicja ciepło topnienia lodu.
4.
Budowa i zasada działania kalorymetru.
LITERATURA
1.
Z. Jóźwiak: G. Bartosz: Ćwiczenia z podstaw fizyki i biofizyki dla
biologów; Wydawnictwo Uniwersytetu Łódzkiego, Łódź 1991
2.
R. Respondowski: Laboratorium z fizyki; Politechnika Śląska, Gliwice
1994
3.
J. Karniewicz. T. Sokołowski: Podstawy fizyki laboratoryjnej;
Politechnika Łódzka, Łódź 1993
7