(lodowego) - Politechnika Śląska

POLITECHNIKA ŚLĄSKA
WYDZIAŁ CHEMICZNY
KATEDRA FIZYKOCHEMII I TECHNOLOGII POLIMERÓW
OZNACZANIE ŚREDNIEGO CIEPŁA WŁAŚCIWEGO
SUBSTANCJI ZA POMOCĄ KALORYMETRU
IZOTERMICZNEGO
(KALORYMETRU LODOWEGO)
Opiekun:
Małgorzata Czichy
Miejsce ćwiczenia:
Katedra Fizykochemii
i Technologii Polimerow
„Czerwona Chemia” p. II, sala nr 210
LABORATORIUM Z CHEMII FIZYCZNEJ
OZNACZANIE ŚREDNIEGO CIEPŁA WŁAŚCIWEGO SUBSTANCJI
2
ZA POMOCĄ KALORYMETRU IZOTERMICZNEGO
I. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest przedstawienie jednego ze sposobów wyznaczania pojemności
cieplnej substancji chemicznych jakim jest pomiar kalorymetryczny. Jednocześnie, ćwiczenie ma
na celu przedstawienie jednej spośród wielu konstrukcji kalorymetrów, jaką jest kalorymetr
lodowy, poznanie jego specyfiki konstrukcyjnej pozwalającej spełnić wymogi stawiane
urządzeniom kalorymetrycznym, wskazanie jego zalet oraz wad, a także zapoznanie się z
metodyką pomiarów kalorymetrycznych. Praktyczną implementacją zdobytej wiedzy będzie
wyznaczenie pojemności cieplnej nieznanej próbki substancji.
II. WSTĘP TEORETYCZNY
Pomiaru ilości ciepła wymienionego podczas badanego procesu dokonuje się w
kalorymetrze. Ogólnie kalorymetry dzielą się na izotermiczne i nieizotermiczne. W przypadku
pierwszym badany proces biegnie w stałej temperaturze, w drugim temperatura początkowa
procesu różni się od końcowej. Stałość temperatury w kalorymetrze izotermicznym można
zapewnić przez otoczenie przestrzeni, w której przebiega proces dwoma fazami tej samej
substancji będącymi w równowadze termicznej ze sobą. Ciepło powstające w wyniku
zachodzącej przemiany zostaje zużyte na przeprowadzenie pewnej ilości jednej fazy w drugą. W
kalorymetrach lodowych takimi fazami są: lód i woda. Jeżeli proces biegnie z wydzieleniem
ciepła, to dzięki wymianie ciepła z warstewką lodu następuje jego częściowe stopnienie. Na
skutek tego występuje zmniejszenie łącznej objętości obu faz, które można obserwować jako
przesunięcie się menisku wody w dołączonej rurce kapilarnej lub pipecie co jest podstawową
wielkością mierzoną w trakcie pomiaru w tym kalorymetrze. Ilość ciepła mierzona w
kalorymetrze lodowym jest więc ściśle określona zmianą objętości podczas przemiany
lód - woda równą 2.72⋅10-4 [cm3⋅J-1]. Pomiar kalorymetryczny, niezależnie od rodzaju
kalorymetru, składa się z trzech okresów ( Rys. 1 - patrz też oznaczenia ze wzorów) :
I. Początkowy - w którym upewniamy się czy kalorymetr osiągnął już stabilność
termiczną, poprzez stwierdzenie stałego “biegu” kalorymetru czyli:
dl
= const
dt
(1)
Optymalnym warunkiem jest by stała ta równała się 0.
II. Główny - rozpoczynający się gdy zainicjujemy badany proces w kalorymetrze (np.
poprzez wprowadzenie próbki do kalorymetru). W tym okresie następują
właściwe zmiany mierzonych parametrów układu.
III. Końcowy - rozpoczynający się gdy ponownie ustali się stały bieg kalorymetru czyli gdy
całe wydzielone lub pochłonięte ciepło zostało przekazane do odbieralnika
ciepła w kalorymetrze.
OZNACZANIE ŚREDNIEGO CIEPŁA WŁAŚCIWEGO SUBSTANCJI
3
l - długość słupka cieczy
ZA POMOCĄ KALORYMETRU IZOTERMICZNEGO
S1
∆lkor
∆l
S2
II - okres główny
I - okres początkowy
III - okres końcowy
t - czas
Rys. 1 - Schemat „biegu” kalorymetru lodowego w trakcie pomiaru.
Ze względu na niedoskonałą adiabatyczność kalorymetru (szczególnie przy długich
czasowo pomiarach) występują w nim straty cieplne. Jesteśmy je jednak w stanie oszacować w
postaci poprawki obliczanej na podstawie "biegu kalorymetru" w okresach początkowym i
końcowym, korygując nią zmianę długości słupka cieczy w okresie głównym wg wzoru:
∆lkor = ∆l + ∑ v
(2)
gdzie:
∆l - zmierzona zmiana długości słupa cieczy;
Σv - poprawka na straty cieplne w
kalorymetrze.
Podczas pomiarów, proces zachodzący w kalorymetrze przebiega w stałej objętości (gdyż
kalorymetr podczas pomiarów jest zamknięty), zatem można w nim mierzyć wielkości
termodynamiczne obliczane dla stałej objętości (QV = ∆U, CV).
Ciepło właściwe w stałej objętości jest to:
def .
 ∂U 
cV = 

 ∂T T ,V
(3)
gdzie:
U - energia wewnętrzna ciała lub układu;
T - temperatura.
Natomiast jego uśredniona wartość po jakimś makroskopowym przedziale temperatur można,
znając zależność cV = f (T ) , obliczyć ze wzoru:
T
cV =
2
1
⋅ ∫ (cV )dT
T2 − T1 T1
(4)
OZNACZANIE ŚREDNIEGO CIEPŁA WŁAŚCIWEGO SUBSTANCJI
4
ZA POMOCĄ KALORYMETRU IZOTERMICZNEGO
W kalorymetrze lodowym pomiar pojemności cieplnej nie następuje w jednej konkretnej
temperaturze lecz w pewnym jej zakresie określonym początkową temperaturą próbki w
momencie wprowadzenia jej do kalorymetru a temperaturą odbieralnika ciepła w kalorymetrze
czyli układu dwufazowego lód - woda w równowadze, czyli w temperaturze 273 K ( 0 °C ).
Tym samym nie jesteśmy w stanie zmierzyć definicyjnej pojemności cieplnej badanej substancji
w stałej temperaturze a jedynie średnią wartość pojemności cieplnej w badanym zakresie
temperatur, stosując przybliżony wzór:
cV =
∆U
∆T
(5)
słuszny w wąskim zakresie temperatur ∆T, ale stosowny do wyników pomiarów uzyskiwanych w
kalorymetrze lodowym. Różnice między rzeczywistymi wartościami pojemności cieplnej a
wartościami średnimi ilustruje Rys. 2 a różnice między zmianą energii wewnętrznej obliczonej
na podstawie średniej i rzeczywistej pojemności cieplnej przedstawiono na Rys. 3.
cV
U
U2
α2
cV
α3
∆U
α1
U1
Ta
T1
T1 Tśr
cV = tg (α1 )
Tsr
T2 Tb
T2
cV = tg (α 2 )
U − U1
cV = 2
= tg (α 3 )
Tb − Ta
Rys. 2 - Różnice w wartościach pojemności
cieplnej - rzeczywistej i średniej
T
T1
T2
-
T
∆U = (T2 − T1 ) ⋅ cV
T2
-
∆U =
∫ (c )dT
V
T1
Rys. 3 - Obliczanie zmiany energii wewnętrznej na
podstawie rzeczywistej i średniej
pojemności cieplnej
Dokładne wyprowadzenie wzoru do obliczeń w doświadczeniu, podane zostanie w punkcie
V - Opracowanie wyników.
OZNACZANIE ŚREDNIEGO CIEPŁA WŁAŚCIWEGO SUBSTANCJI
5
ZA POMOCĄ KALORYMETRU IZOTERMICZNEGO
III. WYKONANIE ĆWICZENIA
Aparatura:
Kalorymetr lodowy szklany, kapilara pomiarowa z podziałką, termometr, naczyńko wagowe,
bagietka, zlewki o poj. 1000 ml i 300 ml., pipeta 10 ml., mieszadło druciane, korek gumowy,
plastikowa podstawka.
Schemat aparatury pomiarowej przedstawiony jest na rys. 4.
Menisk wody
w kapilarze
Podziałka
pomiarowa
Kapilara
pomiarowa
Naczyńko pomiarowe
Drobno
pokruszony lód
Odbieralnik ciepła
(woda w równowadze z
brodą lodową)
“Broda lodowa”
Badana substancja
Plastikowa podstawka
Rys. 4 - Schemat kalorymetru lodowego do pomiarów w ćwiczeniu.
Odczynniki:
Woda destylowana, lód, chlorek sodu (NaCl).
•
Przygotowanie „wody lodowej”
W celu przygotowania wody lodowej, do mniejszej zlewki znajdującej się w zestawie do
ćwiczeń (zlewka o pojemności ok. 300 ml) nalewamy ok. połowę wody destylowanej i mniej
więcej drugą połowę zasypujemy drobno pokruszonym lodem i grubszymi kawałkami lodu.
Drobno pokruszony lód ma za zadanie szybko oziębić wodę destylowaną do temperatury bliskiej
temperaturze krzepnięcia wody, natomiast grubsze kawałki lodu zapewniać będą stałość
temperatury wody lodowej. Lód kruszymy młotkiem w specjalnie do tego celu przeznaczonym
OZNACZANIE ŚREDNIEGO CIEPŁA WŁAŚCIWEGO SUBSTANCJI
ZA POMOCĄ KALORYMETRU IZOTERMICZNEGO
6
worku płóciennym. Lód tłuczemy na podłodze. ZABRANIA SIĘ tłuczenia lodu w zlewach.
Woda lodowa dotąd będzie miała temperaturę ok. 0 °C dopóty będą w niej obecne kawałki lodu.
Temperaturę wody lodowej kontrolujemy termometrem który może być stale w niej zanurzony.
Jeżeli w którymkolwiek momencie w trakcie doświadczenia cały lód stopi się należy jak
najszybciej dosypać nową porcję lodu tak by zawsze mieć pod ręką gotową wodę lodową która
będzie używana w różnych momentach w trakcie doświadczenia. Przygotowanie wody lodowej z
wody destylowanej zajmuje do 0,5 h, dlatego należy ją przygotować na początku doświadczenia.
•
Przygotowanie kalorymetru do pomiarów
Na początku, przestrzeń odbieralnika ciepła, którą jest zewnętrzny płaszcz naczynia
kalorymetrycznego dostępny przez wystający króciec ze szlifem, napełniamy wodą lodową tak
by jej poziom był równy z brzegiem króćca ze szlifem. Po napełnieniu wodą, w płaszczu nie
powinny znajdować się pęcherzyki powietrza. Wylot z płaszcza pozostawiamy otwarty.
Kalorymetr wstawiamy do dużej zlewki z niewielką porcją drobno potłuczonego lodu na
plastikowej podstawce znajdującej się na dnie zlewki i obkładamy lodem jak na rys. 4.
Plastikowa podstawka ma na celu zapobieżenie stykania się kalorymetru z dnem zlewki gdy
dolne porcje lodu ogrzeją się od blatu stołu, na którym będziemy prowadzić pomiary. Wtedy
kalorymetr mógłby się stykać z roztopioną wodą ogrzewając się i dając błędne pomiary. Dlatego
też ważnym jest stałe kontrolowanie (szczególnie w trakcie pomiaru) czy kalorymetr spoczywa
na lodzie czy roztopionej wodzie na dnie. Po wstawieniu kalorymetru do lodu zamykamy
korkiem komorę naczyńka pomiarowego (patrz rys. 4) i odczekujemy do 0,5 godz. aby cały układ
(lód, naczynie kalorymetryczne i woda w odbieralniku ciepła) osiągnął temperaturę 0°C. Gdy to
nastąpi otwieramy korek zamykający naczyńko pomiarowe i do 1/3 - 1/2 wysokości napełniamy
je mieszaniną oziębiającą lód + NaCl w stosunku 1:1 dobrze, lecz delikatnie ubijając bagietką
szklaną. Po ok. 5 minutach sprawdzamy czy mieszanina oziębiająca nie uległa stopieniu, a jeżeli
tak, to ostrożnie wylewamy ją do zlewu i napełniamy naczyńko pomiarowe świeżą porcją
mieszaniny oziębiającej. W trakcie tych operacji kalorymetr należy trzymać wyłącznie za
oszlifowany wylot z płaszcza tak by ciepłotą ręki nie zaburzyć równowagi termicznej która już
w nim panuje! Po ok. 10 minutach powinna wytworzyć się dookoła dna naczyńka pomiarowego
w przestrzeni odbieralnika ciepła napełnionego wodą, warstewka lodu tzw. “broda lodowa”.
Będzie ona pośredniczyć w wymianie ciepła pomiędzy substancją badaną, a wodą w
odbieralniku. Jeżeli do naczyńka pomiarowego włożymy za dużo mieszaniny oziębiającej i broda
lodowa wytworzy się również na jego górnych częściach, należy wtedy wyjąć kalorymetr z lodu i
obejmując ręką górną jego część, stopić jej nadmiar ciepłotą ręki.
OZNACZANIE ŚREDNIEGO CIEPŁA WŁAŚCIWEGO SUBSTANCJI
7
ZA POMOCĄ KALORYMETRU IZOTERMICZNEGO
UWAGA !!
Wytworzenie brody lodowej jest najważniejszą a zarazem wymagającą największej uwagi
operacją podczas przygotowywania kalorymetru do pomiarów. Jeżeli bowiem do naczyńka
pomiarowego wprowadzono zbyt dużo mieszaniny oziębiającej lub też pozostała ona tam
zbyt długo może wtedy dojść do nadmiernego wzrostu brody lodowej co może doprowadzić
do skruszenia naczyńka pomiarowego bądź też rozsadzenia płaszcza odbieralnika ciepła.
INFORMUJE SIĘ, ŻE ODPOWIEDZIALNOŚĆ ZA WSZYSTKIE CZĘŚCI APARATURY
POMIAROWEJ SPOCZYWA NA WYKONUJĄCYCH ĆWICZENIE.
Szerokość przestrzeni odbieralnika ciepła w której broda lodowa narasta nie jest duża i
dlatego należy BARDZO UWAŻNIE śledzić proces jej wzrostu w kalorymetrze.
Przy dodawaniu mieszaniny oziębiającej należy uważać aby nie dostała się ona na lód otaczający
kalorymetr, gdyż uniemożliwi to osiągnięcie stałego biegu kalorymetru podczas pomiarów.
Mając już gotową brodę lodową, ostrożnie wylewamy mieszaninę oziębiającą z naczyńka
pomiarowego i przepłukujemy je wodą lodową (wodą o T = 0°C). Następnie wylot z
odbieralnika ciepła napełnimy wodą lodową po brzeg króćca. Wodą lodową napełniamy też do
pełna kapilarę pomiarową tak, aby nie zawierała ona baniek powietrza. Można do tego celu
wykorzystać pipetę. Następnie spuszczamy z kapilary wodę do ok. 2/3 długości podziałki
pomiarowej i zatykamy palcem nieoszlifowany koniec kapilary. Osadzamy kapilarę
oszlifowanym końcem w oszlifowanym wylocie odbieralnika ciepła i zwalniamy palec.
Optymalnie woda w kapilarze powinna znajdować się w 3/4 długości podziałki pomiarowej, ale
musi być widoczne jej położenie.
•
Odważenie naważki próbki
Na wadze analitycznej wyznaczonej do tego ćwiczenia, odważamy ok. 3 g ciekłej próbki
w naczyńku wagowym z dokładnością do 0,0001g . Notujemy masę naczyńka + próbka.
Rzeczywistą masę próbki znajdujemy odejmując od tej wartości wagę pustego naczyńka po
wylaniu próbki do kalorymetru. Postępujemy tak ze względu na to, iż na ściankach naczyńka
mogą pozostać resztki niewylanej próbki.
•
Właściwy pomiar kalorymetryczny
Właściwy pomiar kalorymetryczny rozpoczynamy od ustalenia stałego biegu kalorymetru
w okresie początkowym, nie krócej jednak niż 5 minut. Następnie zdejmując korek z naczyńka
pomiarowego, wprowadzamy do kalorymetru zadaną w ćwiczeniu próbkę, rozpoczynając tym
samym okres główny. Po wprowadzeniu, całość próbki powinna znajdować się w dolnej części
naczyńka pomiarowego otaczanego przez brodę lodową Po wprowadzeniu próbki do naczyńka
OZNACZANIE ŚREDNIEGO CIEPŁA WŁAŚCIWEGO SUBSTANCJI
8
ZA POMOCĄ KALORYMETRU IZOTERMICZNEGO
pomiarowego ponownie zamykamy je korkiem. Pomiar kończymy, gdy ponownie ustali się stały
bieg kalorymetru przez przynajmniej 3 - 5 minut, czyli gdy pomiar wejdzie w okres końcowy.
Pomiar przeprowadzamy notując położenie słupka wody w kapilarze co 30 sek. w okresie
początkowym i końcowym, natomiast w okresie głównym co 15 sek.. Po pomiarze usuwamy
próbkę z naczyńka pomiarowego i przemywamy je wodą lodową. W ten sposób kalorymetr jest
gotowy do następnego pomiaru.
W sumie wykonujemy 2 do 3 pomiarów kalorymetrycznych odważając za każdym razem nową
porcję próbki.
Przed każdym pomiarem należy sprawdzić grubość brody lodowej. Jeżeli bowiem przed końcem
pomiarów cała broda lodowa ulegnie stopieniu, wtedy pomiar taki trzeba będzie powtórzyć.
Należy również kontrolować stan lodu otaczającego kalorymetr. Lód w zlewce topnieje od spodu
lecz nigdy spód kalorymetru nie powinien być zanurzony w wodzie. W razie potrzeby należy
wyjąć kalorymetr z lodu, wylać nadmiarową część roztopionej wody i dosypać lodu na dno, tak
by kalorymetr zawsze spoczywał na lodzie.
Wyniki pomiarów zestawiamy w poniższej tabelce. Założono w niej, że okresy
początkowy i końcowy składają się z 10 pomiarów co jednak nie musi mieć miejsca w danym
konkretnym pomiarze.
masa próbki :
temperatura otoczenia :
promień kapilary :
Liczba okresów
półminutowych
Położenie poziomu cieczy w
kapilarze
Uwagi
0
l0′
l1′
l2′
Okres początkowy
1
2
:
10
1
2
:
n
1
2
:
10
:
l10′ = l0
l1
l2
:
ln = l0′′
l1′′
l2′′
:
l10′′
vo =
l0′ − l10′
10
Okres główny
∆l = l0 − ln
Okres końcowy
v=
l0′′ − l10′′
10
9
OZNACZANIE ŚREDNIEGO CIEPŁA WŁAŚCIWEGO SUBSTANCJI ZA POMOCĄ KALORYMETRU IZOTERMICZNEGO
IV. ZASADY BEZPIECZENSTWA I UTYLIZACJI ODPADÓW
UWAGA: W razie niepożądanego kontaktu z substancją niebezpieczną natychmiast powiadomić prowadzącego zajęcia
Odczynnik
Chlorek sodu
Klasyfikacja
Zagrożenia
Środki bezpieczeństwa
Nie jest przedmiotem
klasyfikacji jako substancja
chemiczna niebezpieczna.
nie jest substrancją
niebezpieczną w myśl
wytycznej
1272/2008/WE oraz
67/548/EWG.
Substancje zawarte w
próbce do ćwiczenia nie są
przedmiotem klasyfikacji
jako substancje chemicznie
niebezpieczne.
nie jest substancją
niebezpiecznym w
myśl wytycznej
1272/2008/WE oraz
67/548/EWG.
Przy kontakcie ze skórą: zmyć dużą ilością
wody z mydłem, następnie spłukać wodą.
W przypadku wystąpienia niepokojących
objawów należy skontaktować się z lekarzem.
Po spożyciu: nie wywoływać wymiotów.
Przepłykać usta wodą.
Przy kontakcie z oczami: wyjąć soczewki,
przepłukać wodą, przepłukiwać oczy przez 15
min. Unikając silnego strumienia wody.
Przy kontakcie ze skórą: zmyć dużą ilością
wody, zdjąć zanieczyszczone ubranie.
Przy kontakcie z oczami: przepłukać dużą
ilością wody.
Przy spożyciu: podać dużą ilość wody,
wezwać lekarza jeżeli poszkodowany poczuje
się niezdrowo.
Przy wdychaniu: wyprowadzić na świeże
powietrze, skontaktować się z lekarzem jeżeli
poszkodowany poczuje się niezdrowo.
( NaCl )
Próbka
Postępowanie
z odpadami
można wprowadzić
do systemu
kanalizacyjnego
umieścić w
pojemniku na
odpady organiczne
oznaczonym literą
„O”
OZNACZANIE ŚREDNIEGO CIEPŁA WŁAŚCIWEGO SUBSTANCJI
10
ZA POMOCĄ KALORYMETRU IZOTERMICZNEGO
V. OPRACOWANIE WYNIKÓW
Na początku rysujemy wykresy zależności położenia słupa cieczy ( l ) od czasu pomiaru
( t ) dla każdego wykonanego pomiaru.
Zasadniczym elementem obliczeń jest wyznaczenie wielkości efektu cieplnego jaki
zarejestrowano w kalorymetrze w trakcie pomiaru w okresie głównym. Jak już wspomniano we
wstępie, miarą efektu cieplnego w kalorymetrze lodowym jest zmiana objętości w układzie
odbieralnika ciepła związana z przemianą fazową lód - woda. Natomiast zmianę objętości
mierzymy odczytując zmiany położenia menisku wody w kapilarze pomiarowej. Zatem
wielkością, będącą miarą efektu cieplnego mierzonego w kalorymetrze, jest różnica położeń
cieczy w kapilarze pomiarowej mierzona w jednostkach długości wg wzoru (patrz też rys. 1):
(6)
∆l = l 0 − l n
gdzie:
l0 - długość słupka cieczy na początku
okresu głównego;
ln - długość słupka cieczy na końcu
okresu głównego.
Wartość ∆l byłaby wprost proporcjonalna do efektu cieplnego jaki miał miejsce w kalorymetrze,
gdyby kalorymetr posiadał idealną izolację termiczną. W rzeczywistości jednak, ze względu na
niedoskonałą adiabatyczność kalorymetru, występują w nim straty cieplne. Jesteśmy jednak w
stanie oszacować je w formie poprawki obliczanej na podstawie biegów początkowego i
końcowego. Jeżeli okres główny nie przekracza 3 - 4 minut oraz gdy odczyty długości słupa
wody wykonujemy co 15 sek., poprawkę oblicza się z uproszczonego wzoru :
∑ v = v + (n − 1)v
(7)
0
gdzie:
n - ilość okresów półminutowych w
okresie głównym.
natomiast:
l0// − ln//
l0/ − ln/
v0 =
oraz v =
n/
n //
(8)
gdzie:
l0 - długość słupka cieczy na początku:
ln - długość słupka cieczy na końcu:
/
- okresu początkowego
//
- okresu końcowego
n/ - ilość półminutowych okresów w
okresie początkowym
//
n - ilość półminutowych okresów w
okresie końcowym.
Gdy jednak okres główny trwa powyżej 4 minut, właściwszym jest stosowanie wzoru Regnaulta Pfaundlera na straty spowodowane promieniowaniem cieplnym:
OZNACZANIE ŚREDNIEGO CIEPŁA WŁAŚCIWEGO SUBSTANCJI
11
ZA POMOCĄ KALORYMETRU IZOTERMICZNEGO
∑ v = n ⋅ vo +
−
v − vo  n−1 l o + l n
− n l′
∑l +
−
−
2

l ′′− l ′  1
(9)
gdzie dodatkowo:
- średnia długość słupka wody w;
l
/
//
- okresie początkowym;
- okresie końcowym
Uwzględniając zatem poprawkę na straty cieplne do wyznaczonej wartości ∆l , otrzymamy
skorygowaną zmianę długości słupa wody:
∆l skor . = ∆l + ∑ v
( 10 )
Skorygowaną zmianę długości słupa wody można też wyznaczyć graficznie z wykresu zależności
położenia słupa cieczy ( l ) od czasu pomiaru ( t ). W tym celu w obszar okresu głównego na
wykresie wrysowujemy asymptoty do biegów kalorymetru w okresach początkowym i
końcowym. Następnie, w okresie głównym rysujemy linię prostopadłą do osi czasu taką, aby oba
obszary nad i pod krzywą l = f(t) rozdzielane przez tę linię miały równe pola (pole S1 = polu S2) patrz rys. 1. Jeżeli warunek równości pól jest spełniony, wtedy ∆l skor . równa się długości linii
rozdzielającej między asymptotami okresów początkowego i końcowego, w jednostkach osi ( l ).
Mając już rzeczywistą (skorygowaną) zmianę długości słupa cieczy możemy znając np. średnicę
kapilary pomiarowej wyliczyć zmianę objętości układu faz lód - woda w odbieralniku ciepła:
2
d 
∆V = π ⋅   ⋅ ∆l skor .
2
( 11 )
gdzie:
d - średnica kapilary pomiarowej.
W tym ćwiczeniu mierzymy średnie ciepło właściwe substancji w zakresie temperatur:
temperatura otoczenia - temperatura pracy kalorymetru.
Znając zmianę objętości wody, możemy wyliczyć ile ciepła zostało przez nią pochłonięte, a więc
ilość ciepła oddanego przez substancję. Zmiana objętości wody pod wpływem dostarczonego
ciepła w procesie przemiany fazowej lód - woda wynosi 2,72 · 10-4 [cm3 J-1]. Zatem ilość ciepła
dostarczonego wodzie wynosi:
qV =
∆V
[J]
2,72 ⋅10 −4
( 12 )
Ta ilość ciepła została dostarczona przez masę m badanej substancji, zatem masa jednostkowa
(kg, g) dostarczyłaby ciepło równe:
QV =
∆V
2,72 ⋅10 −4 ⋅ m
( 13 )
gdzie:
m - masa próbki
OZNACZANIE ŚREDNIEGO CIEPŁA WŁAŚCIWEGO SUBSTANCJI
12
ZA POMOCĄ KALORYMETRU IZOTERMICZNEGO
W kalorymetrze lodowym nie jesteśmy w stanie wyznaczyć pojemności cieplnej substancji w
danej temperaturze, zatem nie możemy zastosować wzoru ( 3 ) do wyznaczenia pojemności
cieplnej badanej substancji. Jesteśmy natomiast w stanie wyznaczyć średnią pojemność cieplną w
pewnym zakresie temperatur, równym różnicy między temperaturą początkową badanej próbki a
temperaturą odbieralnika ciepła w kalorymetrze lodowym, czyli 273 K (0 °C). Wykorzystując
wzór ( 5 ) oraz zależności QV = ∆U oraz ∆T = Tkalor. - Totocz, otrzymujemy ostateczny wzór na
średnie ciepło właściwe mierzone w tym kalorymetrze:
cV =
∆V
[J⋅K-1⋅g-1]
2,72 ⋅10 ⋅ m ⋅ (Tkalor . − Totocz . )
−4
( 14 )
VI. PYTANIA KONTROLNE
1. W jaki sposób uzyskujemy stałą temperaturę w kalorymetrze lodowym?
2. Co powoduje zmiany temperatury notowane w okresie początkowym i końcowym?
3. Podać definicje i wzory różnych rodzajów pojemności cieplnej (ciepła właściwego). Na czym
polegają różnice między nimi?
VII. LITERATURA
1. L. Sobczyk, A. Kisza, K. Gatner, A. Koll, Eksperymentalna chemia fizyczna , PWN W-wa
1982, str. 42 - 44.
2. Ćwiczenia laboratoryjne z chemii fizycznej, praca zbiorowa pod red. A. Dorabialskiej
PWN W-wa, 1956 str. 304 - 310.
3. Praca zbiorowa - Skrypt Pol. Śl. nr 705, Ćwiczenia laboratoryjne z chemii fizycznej,
Gliwice 1978, str. 190 - 193.
4. Chemia fizyczna - praca zbiorowa, PWN W-wa, 1963, str. 636 - 637
Data ostatniej modyfikacji: 30.09.2014.