LUCRARI DE LABORATOR: TERMODINAMICA

1. DETERMINAREA ECHIVALENTULUI ÎN APĂ AL CALORIMETRULUI

Teoria lucrării

Căldura necesară unui corp pentru a-şi modifica temperatura cu un grad se numeşte capacitate calorică:

C= Q

ΔT (1) [C ]SI=

JK

Căldura necesară unităţii de masă dintr-un corp pentru a-şi modifica temperatura cu un grad se numeşte căldură specifică:

c= QmΔT (2)

[c ]SI=JkgK

Din relaţiile (1) şi (2) se calculează cantitatea de căldură:

Q=CΔT=mc ΔT (3)

Echivalentul în apă al calorimetrului M este masa calorimetrului care înmulţită cu căldura specifică a apei ca dă capacitatea calorică a calorimetrului CC

CC=Mca (4)

Într-un calorimetru se introduce o masă de apă M1 la temperatura T1, iar ulterior o masă de apă M2 la temperatura T2 < T1. La echilibru avem:

(M 1ca+CC ) (T 1−Θ )=M 2 ca (Θ−T 2) (5)

Din relaţiile (4) şi (5) se obţine echivalentul în apă al calorimetrului:

M=

M 2 (Θ−T 2)−M 1 (T 1−Θ )T1−Θ (6)

Scopul lucrării

În această lucrare determinăm echivalentul în apă al unui calorimetru

Mareriale necesare: calorimetru, două termometre, balanţă vase gradate, sursă de căldură

Modul de lucru:

- se cântăreşte o masă de apă M1;- se încălzeşte această masă de apă şi se măsoară temperatura T2 a acesteia;- se cântăreşte o altă cantitate M2 de apă cu temperatura T2<T1;

- se introduce masa de apă M2 în calorimetru şi după stabilirea echilibrului termic se măsoară temperatura Θ de echilibru

Prelucrarea datelor experimentale

- rezultatele experimentale se trec în tabel:

M1

(kg)M2

(kg)T1

(K)T2

(K)Θ

(K)M

(kg)

Cu ajutorul relaţiei (6) se calculează echivalentul în apă al calorimetrului

Surse de erori

- imprecizie în citirea temperaturii;- imprecizie în determinarea maselor;- izolarea vasului calorimetric nu este perfectă;- s-a neglijat termometrul şi agitatorul;- temperatura apei se modifică în timpul introducerii ei în calorimetru

2. DETERMINAREA CĂLDURII SPECIFICE A UNUI CORP SOLID

Teoria lucrării

Experimental se constată că, pentru a ridica temperatura diferitelor corpuri cu acelaşi număr de grade, este nevoie de o cantitate de căldură diferită pentru fiecare corp, depinzând de masa corpului, de natura substanţei din care este alcătuit şi de gradul de încălzireCăldura necesară unui corp pentru a-şi modifica temperatura cu un grad se numeşte capacitate calorică:

C= Q

ΔT (1) [C ]SI=

JK

Căldura necesară unităţii de masă dintr-un corp pentru a-şi modifica temperatura cu un grad se numeşte căldură specifică:

c= QmΔT (2)

[c ]SI=JkgK

Căldura specifică este o mărime variabilă cu temperatura. Pentru corpurile solide în domeniul 293 – 393 K căldura specifică se măsoară prin metoda amestecului, pe baza echilibrului termic cu ajutorul calorimetrului..Metoda amestecurilor constă în încălzirea corpului considerat la o temperatură cunoscută şi introducerea lui în interiorul vasului calorimetric cu apă, măsurând creşterea temperaturii acesteia.Cantitatea de căldură cedată de corp este egală cu cantitatea de căldură primită de apă şi vasul calorimetric.

Qced = mc(t – θ ) (3)

Qabs = ( m1c1 + m2c2 )( θ – t ) (4)

2

Din relaţiile (3) şi (4) rezultă:

mc(t – θ ) = ( m1c1 + m2c2 )( θ – t ) , de unde

c=

(m1c1+m2c2) (θ−t1 )m (t−θ ) (5)

unde m, m1,m2 sunt masele corpului, apei şi calorimetrului, c, c1, c2 căldurile specifice, t-temperatura iniţială a corpului, t1- temperatura iniţială a apei şi a calorimetrului, θ- temperatura finală.

Scopul lucrării

În această lucrare determinăm căldura specifică a unui corp solid cu ajutorul calorimetrului

Mareriale necesare:

- calorimetru, termometru, balanţă, mase marcate pensetă, un vas încălzitor, corp metalic, sursă de căldură.

Modul de lucru

- se cântăreşte vasul calorimetric gol şi se notează cu m2 masa sa;- se cântăreşte vasul cu apă şi prin diferenţă aflăm masa m1 a apei din calorimetru;- se cântăreşte corpul de studiat şi se notează cu m masa lui;- se introduce corpul de studiat timp de cel puţin 10 minute în apa care fierbe astfel încât corpul de studiat se află şi el la temperatura de fierbere a apei 100˚C şi se notează cu t;- se măsoară cu ajutorul termometrului , temperatura iniţială t1 a apei şi calorimetrului;- se aduce repede corpul încălzit în calorimetru, se agită apa cu agitatorul şi se citeşte temperatura θ când devine staţionară. Prelucrarea rezultatelor experimentale

- rezultetele experimentale se trec în tabel:

m(kg)

m1

(kg)m2

(kg)c1

(J/kgK)c2

(J/kgK)t

(˚C)t1

(˚C)θ

(˚C)c

(J/kgK)

Cu ajutorul datelor din tabel se calculează căldura specifică a corpului

c=

(m1c1+m2c2) (θ−t1 )m (t−θ )

Surse de erori:

- imprecizie în citirea temperaturii;- imprecizie în determinarea maselor;

3

- izolarea vasului calorimetric nu este perfectă;- s-a neglijat termometrul şi agitatorul;- temperatura corpului se modifică în timpul introducerii lui în calorimetru

3. DETERMINAREA CĂLDURII LATENTE SPECIFICE DE TOPIRE A GHEŢII

Teoria lucrării

Definim fenomenul de topire ca fiind trecerea unui corp din stare solidă în stare lichidă. Căldura necesară unităţii de masă dintr-un solid pentru a se topi se numeşte căldură latentă specifică de topire.

λ=Qm (1)

[ λ ]SI=Jkg

Această căldură este luată de corp de la o sursă de căldură sau de la un corp mai cald.Într-un calorimetru cu apă se introduce o bucată de gheaţă. Apa şi calorimetru cedează cantitatea de căldură pe care gheaţa o absoarbe pentru a se topi, iar apa rezultată din topire se va încălzi până la temperatura finală θ. Ecuaţia calorimetrică este:

Qced = Qabs (2)

( m1c1 + m2c2 )( t1 – θ ) = mλ + mc2 (θ – t0 )

de unde λ=

(m1c1+m2c2) ( t1−θ )−mc2 (θ−t0)m (3)

în care m1 şi m2 sunt masa calorimetrului şi a apei, c1 şi c2 căldurile lor specifice, t1 – temperatura iniţială a apei şi calorimetrului, t0 – temperatura de topire a gheţii, θ- temperatura finală, iar m masa gheţii.

Scopul lucrării

În această lucrare vom determina căldura latentă specifică de topire a gheţii cu ajutorul calorimetrului.

Materiale necesare: calorimetru, vas cu gheaţă, termometru, hărtie de filtru, balanţă.

Modul de lucru

- se cântăreşte vasul calorimetric şi se notează cu m1 masa lui;- se cântăreşte vasul cu apă şi prin diferenţă se află masa m2 a apei din calorimetru ;- se pune termometrul în apă şi se aşteptă 1-2 minute apoi se citeşte temperatura iniţială t1;- se introduce în calorimetru o cantitate de gheaţă uscată cu hărtia de filtru şi aflată la temperatura de topire;- se agită uşor până se topeşte toată gheaţa şi se citeşte temperatura finală θ, când aceasta devine staţionară;- se cântăreşte din nou vasul cu apă şi prin diferenţă aflăm masa apei rezultate din topirea gheţii adică masa gheţii m;- experienţa se repetă cu altă cantitate de gheaţă.

4

Prelucrarea datelor experimentale

- rezultatele experimentale se trec în tabel :

Nr.det. m1 m2 m c1 c2 t1 t0 θ λ λmed

12

- se calculează căldura latentă specifică de topire cu relaţia: λ=

(m1c1+m2c2) ( t1−θ )−mc2 (θ−t0)m

Surse de erori

- imprecizie în citirea temperaturii;- imprecizie în determinarea maselor;- izolarea vasului calorimeritric nu este perfectă;- s-a neglijat influenţa termometrului şi a agitatorului

4. STUDIUL TOPIRII CORPURILOR CRISTALINE

Teoria lucrării

Considerăm un corp cristalin cu masa m care, la momentul τ = 0 când se află la temperatura t 1,

începe să fie încălzit astfel încât primeşte căldura Q’ în unitatea de timp ( [Q' ]SI=

Js=W

). Pe baza ecuaţiei calorimetrice putem scrie:

mcs ( t – t1 ) = Q’ τ ; t=t1+

Q' τmc s (1)

unde cs este căldura specifică a substanţei în faza solidă.Din relaţia (1) rezultă că temperatura solidului cristalin ar trebui să depindă liniar de timpul τ. Se constată însă că această dependenţă liniară este valabilă numai până când se ajunge la o temperatură tt numită temperatură de topire.

Din momentul τ1 ( figură ) când cristalul ajunge la temperatura de topire t t în starea B, acesta continuă să primească căldură Q’ în unitatea de timp, însă temperatura lui rămâne constantă egală cu tt. Pe porţiunea BC are loc transformarea de fază solid-lichid care se face succesiv astfel încât în B avem fază solidă la temperatura de topire tt, iar în C avem faza lichidă la temperatura de topire.Procesul de trecere din faza solidă în faza lichidă care are loc discontinuu la o temperatură determinată şi cu absorbţie de căldură se numeşte topire.Dacă în starea C lichidul continuă să primească căldura Q’ în unitatea de timp, avem relaţia calorimetrică:

5

mcl ( t – tt ) = Q’(τ – τ2 ) ; t=t t+

Q 'mc l (τ – τ2 ) (2)

unde cl este căldura specifică a substanţei în faza lichidă.Temperatura creşte din nou liniar cu timpul τ, însă panta dreptei CD este diferită de panta dreptei AB. Dependenţa liniară (2) are loc până când se ajunge la temperatura de vaporizare tv

Scopul lucrării

În lucrare ne propunem să trasăm graficul t = f ( τ ) pentru un corp cristalin, naftalina

Materiale necesare : eprubetă, naftalină, pahar cu apă, spirtieră, trepied, termometru, suport, cronometru.

Modul de lucru

- se realizează montajul experimental din figură;- se umple circa 2/3 paharul cu apă şi se aşează pe trepied;- în pahar se introduce eprubeta cu naftalină ( 30g );- termometrul T se introduce în eprubetă cu rezervorul cufundat în naftalină;- se aprinde spirtiera şi încălzim apa;- se observă termometrul odată cu începerea încălzirii şi se notează temperatura din 30 în 30 de secunde;- se notează momentul şi temperatura încă 3-4 minute după topirea naftalinei.

Prelucrarea datelor experimentale

- rezultatele experimentale se trec în tabel:

τ ( s )t ( ˚C )

- se reprezintă grafic t = f (τ )

Surse de erori

- imprecizie în citirea temperaturii;- imprecizie în măsurarea timpului;- disiparea căldurii în exterior datorită imperfecţiunii instalaţiei- încălzirea inegală a naftalinei datorită sursei de căldură;- abatere de la temperatura de topire datorită impurităţilor din naftalină

5. DETERMINAREA CĂLDURII LATENTE SPECIFICE DE VAPORIZARE A APEI

Teoria lucrării

Definim fenomenul de vaporizare ca fiind trecerea unui corp din starea lichidă în stare de vapori.Căldura absorbită pentru trecerea în stare de vapori de către unitatea de masă de lichid se numeşte căldură latentă specifică de vaporizare.

6

λ=Qm

[ λ ]SI=Jkg

Procesul de vaporizare decurge la temperatură constantă. Vaporii de apă produşi prin fierbere sunt conduşi printr-un tub în vasul calorimetric. Apa din calorimetru constituie pentru ei un “perete rece” şi produce condensarea practic la temperatura vaporilor. Căldura cedată prin condensare este preluată de calorimetru, căldura latentă specifică λ variază puţin între temperaturile cu care se lucrează şi poate fi considerată constantă în cadrul experienţei.Ecuaţia calorimetrică se scrie:

Qced = Qabs

mλ + mc2 ( tf – θ ) = ( m1c1 + m2c2 ) ( θ – t1 )

de unde λ=

(m1c1+m2c2) (θ−t1)−mc2 ( t f−θ )m

în care m1, m2 sunt masa calorimetrului şi a apei din calorimetru, c1 şi c2 sunt căldurile lor specifice, t1 este temperatura iniţială din calorimetru şi θ temperatura finală, m masa vaporilor, t f temperatura vaporilor.

Scopul lucrării

În lucrare vom determina căldura latentă specifică de vaporizare a apei.

Materiale necesare un balon de sticlă cu apă, conductă de sticlă, sursă de căldură, calorimetru cu accesorii, termometru., balanţă, trepied cu sită.Dispozitivul experimental:

- se realizează legătura între sursa de vapori şi calorimetru printr-o conductă.

Modul de lucru - se cântăreşte calorimetrul şi se notează cu m1 masa lui;- se cântăreşte calorimetrul cu apă şi prin diferenţă se află masa apei m2;- se pune apă în vas şi se aşează deasupra sursei de căldură;- se măsoară temperatura iniţială a apei din calorimetru şi se notează cu t1;- lăsăm să iasă vapori din vas timp de 1-2 minute şi apoi se face legătura cu calorimetrul, lăsându-se astfel 5-6 minute, timp în care se agită uşor şi apoi se întrerupe admisia vaporilor. Când temperatura este staţionară se face citirea ei şi se notează cu θ;

7

- se căntăreşte din nou calorimetrul şi prin diferenţă se deduce masa vaporilor condensaţi m.

Prelucrarea datelor experimentale

- rezultatele experimentale se trec în tabel:

Nr.det. m1 m2 m c1 c2 t1 tf θ λ λmed

12

- cu ajutorul datelor experimentale se calculează căldura latentă specifică de vaporizare folosind

relaţia: λ=

(m1c1+m2c2) (θ−t1)−mc2 ( t f−θ )m

Surse de erori

- imprecizie în determinarea maselor;- imprecizie în citirea temperaturii;- disiparea căldurii în exterior datorită imperfecţiunii instalaţiei;- aproximări de calcul;- eroare de metodă.

BIBLIOGRAFIE

Lidia Panaiotu şi colectiv :”Lucrări experimentale de fizică pentru liceu” , Editura didactică şi pedagogică, Bucureşti 1972Octavian Birău şi colectiv : “Termodinamică şi fizică moleculară, lucrări de laborator, Tipografia Universităţii din Timişoara , 1991D. Borşan şi colectiv : Manual de fizică pentru clasa a X-a”, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1995S. Tălpălaru şi colectiv : Manual de fizică pentru clasa a X-a”, Editura Polirom, 2000ALTAY – “Ghidul utilizării truselor de fizică”Traian Creţu : “Prelucrarea datelor experimentale în fizică”, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1980

Prof. Elena RăducanuColegiul Naţional Bănăţean, Timişoara

8