TANULÓI KÍSÉRLET (párban végzik-45 perc) Kalorimetria: A szilárd testek fajhőjének meghatározása A kísérlet, mérés megnevezése, célkitűzései: A kalorimetria (jelentése: hőmennyiségmérés) (http://ttk.pte.hu/fizkem/etangyakpdf/1gyak.pdf) a termikus kölcsönhatáson alapuló mérésekkel, azaz a hőmennyiség, a fajhő, az olvadáshő és a forráshő mérésével foglalkozik. A kaloriméterek a hőmennyiség mérésére használt eszközök. Közülük legismertebbek a keverési kaloriméterek, amely vázlatos felépítését az 1. ábra mutatja: hőmérő keverő edény keverő 1.ábra Keveréses kaloriméter hőmérő edény feszültségforrás vagy feszültségmérő-műszer számára bemenetek 2.ábra Az általunk használt keveréses kaloriméter 1. oldal / 9
A kalorimetria alapja a termikus kölcsönhatás (http://www.youtube.com/watch?v=rdaojqeogww), amely során az adott rendszer elemei érintkeznek egymással, s közöttük hőcsere (hőmennyiségcsere) történik. Ezt az alábbi matematikai összefüggés írja le: ΣQ le = ΣQ fel A fenti egyenletbe a kaloriméter által felvett (vagy leadott) hőmennyiséget is figyelembe kell vennünk. A kalorimetriával egy adott szilárd test fajhőjét is (http://tudasbazis.sulinet.hu/hu/termeszettudomanyok/fizika/fizika -7-evfolyam/abelso-energia-valtozasa/a-fajho-fogalma) (és a hőkapacitását: http://hu.wikipedia.org/wiki/h%c5%91kapacit%c3%a1s is) meghatározhatjuk.az alábbi elv alapján: Ha két különböző hőmérsékletű anyagot, jelen esetben folyadékot és szilárd testet keverünk össze, akkor a termikus kölcsönhatás alapegyenlete az alábbi módon írható fel: Ebből kifejezve a szilárd test fajhőjét: Tudjuk, hogy: 2. oldal / 9
Ezeket beírva az előző összefüggésbe az alábbi matematikai képletet kapjuk: ahol: m sz : a szobahőmérsékletű víz tömege m m : a melegített víz tömege T sz : a szobahőmérsékletű víz hőmérséklete T m : a melegített víz hőmérséklete T k : a rendszer közös hőmérséklete c = c sz =c m : a víz fajhője (Tekintsük állandónak!) C kal : a kaloriméter hőkapacitása (vízértéke) A mérésünk során a fentebb felsorolt fizikai mennyiségeket fogjuk mérni, majd ezeket behelyettesítve mgkapjuk a vizsgált szilárd test fajghőjét. A méréseket kétszer fogjuk elvégezni, illetve így két számított értéket kapunk. Ezeket átlagoljuk, s megkajuk a szilárd test hőkapacitását. Eszközszükséglet: 1 db kaloriméter (kb. 150 ml), 1 db analóg hőmérő, 1 db digitális hőmérő + kicsi papírvatta (hogy a hőmérő szoruljon), 1 db mérőhenger (100 ml -es), csapvíz, 1 db borszeszégő, 1 doboz gyufa, 1 db háromvasláb, 1 db drótháló, 1 db stopperóra, 1 db digitális mérleg, 1 db 100 ml-es főzőpohár, 1 db kémcső, 1 db fa kémcsőfogó A Hőtani alapkészletből: 1 db kicsi Erlenmeyer-lombik, 1 db fémtest 3. oldal / 9
Eszközismertető, kísérletismertető: 1. Megtanuljuk az analóg és a digitális hőmérővel való mérést. 2. Megtapasztaljuk a termikus kölcsönhatást. 3. Megtanuljuk a kaloriméterrel való mérést. 4. A mérési eredményeket behelyettesítve számoljuk ki - matematikai képlet segítségével - egy ismeretlen szilárd test fajhőjét. 5. Meghatározzuk a mért, majd számított értékek alapján a szakirodalmi táblázatból az ismeretlen szilárd test anyagi minőségét. A mérés, kísérlet, megfigyelés menete: 1. feladat: A papírvattát dugd a kaloriméter nyitott nyílásába, majd dugd át rajta a digitális hőmérőt úgy, hogy ne érjen le a kaloriméter aljára. FIGYELEM! A digitális hőmérő vége törékeny! 2. feladat: Engedj a főzőpohárba csapvizet, majd a mérőhengerbe önts belőle át 70 ml térfogatút. (A 70 ml jelzésnél legyen a folyadékfelszín alsó pontja!) FIGYELEM! A kísérlet során használt üvegeszközök nagyon törékenyek, ezért óvatosan fogjuk azokat, óvatosan tegyük le a tálcára, illetve vigyázzunk arra, hogy ne boruljanak le a melegítéskor a három-vaslábról. 3. feladat: Mérd meg a digitális mérleggel a szobahőmérsékletű víz tömegét az alábbi lépéseket követve: Kapcsold be a mérleget ON/OFF gombbal! Tedd rá az üres főzőpoharat! Várd meg, míg megmutatja a tömegét! Most nyomd meg a TARE gombot, ezzel lenullázod a mérleget! Öntsd át a mérőhengerből a főzőpohárba a szobahőmérsékletű vizet! Olvasd le a tömegét, jegyezd fel a munkafüzet 1. feladatánál! 4. oldal / 9
4. feladat: Vedd le a kaloriméter tetejét, s öntsd bele a szobahőmérsékletű vizet! Ügyelj arra az átöntéseknél, hogy minden csepp átkerüljön a másik edénybe! 5. feladat: Gyorsan tedd vissza a kaloriméter tetejét, majd várj egy kicsit, míg a termikus kölcsönhatás lezajlik a víz és a kaloriméter között! Olvasd le a szobahőmérsékletű víz hőmérsékletét, jegyezd fel a munkafüzet 1. feladatánál! 6. feladat: Mérd meg a szilárd test (fémtest) tömegét digitális mérleggel az alábbi lépéseket követve: Kapcsold be a mérleget ON/OFF gombbal! Tedd rá a szilárd testet! Várd meg, míg megmutatja a tömegét! Olvasd le a tömegét, jegyezd fel a munkafüzet 1. feladatánál! 7. feladat: Töltsd félig csapvízzel az Erlenmeyer-lombikot, majd tedd a háromvaslábon lévő dróthálóra! Gyújtsd be a borszeszégőt, s told a háromvasláb alá! FIGYELEM! A borszeszégő használata tűzveszélyes! 8. feladat: Melegítsd a vizet addig, amíg kb. 75 0 C hőmérsékletű lesz. Közben tedd a vízbe az analóg hőmérőt, de ne engedd el, ne érjen le az alja a főzőpohár aljára. Folyamatosan nézd a hőmérséklet változását! 5. oldal / 9
9. feladat: Tedd a szilárd testet a kémcsőbe, majd a kémcsőfogóval tedd a vízfürdőbe, ha a víz elérte a kb. 75 0 C-ot! Tartsd benne 5 percet (mérd stopperórával), hogy a termikus kölcsönhatás befejeződhessen a víz és a szilárd test között! 10. feladat: Vedd ki a kémcsövet a vízfürdőből, s ekkor olvasd le a víz hőmérsékletét. Ez lesz a szilárd test hőmérséklete is! Jegyezd fel a munkafüzet 1. feladatánál! FIGYELEM! Oltsd el a borszeszégőt a kupakjának a visszahelyezésével! 11. feladat: Vedd le a kaloriméter tetejét, s öntsd át kaloriméterbe! a szilárd testet a kémcsőből a 6. oldal / 9
12. feladat: Gyorsan tedd vissza a kaloriméter tetejét, majd óvatosan rázd össze! Várj 2 percet ( mérd stopperórával), míg a termikus kölcsönhatás lezajlik a rendszer elemei között! Olvasd le a termikus egyensúly beállta után a rendszerben létrejött közös hőmérsékletet! Jegyezd fel a munkafüzet 1. feladatánál! 13. feladat: Végezd el a fenti mérési sorozatot (2. feladat-11.feladat) újra, s a mérési eredményeket rögzítsd a munkafüzet 1. feladatánál. A kísérlethez kapcsolódó megfigyelések leírása A méréseid, megfigyeléseid alapján OLDD MEG az alábbi feladatokat! 1. feladat: A mérési eredményeidet írd be az 1. táblázatba! Jelölések: m víz : a szobahőmérsékletű víz tömege m test : a szilárd test tömege T víz : a szobahőmérsékletű víz hőmérséklete T test : a szilárd test hőmérséklete T k : a rendszer közös hőmérséklete C kal : a kaloriméter hőkapacitása (vízértéke)= 49,52J/C (korábbi mérések alapján) c víz : a víz fajhője (Tekintsük állandónak!) c test : a szilárd test fajhője 1.táblázat: A mérés sorszáma 1. mérés m víz (g) (kg) m test (g) (kg) T víz ( 0 C ) T test ( 0 C ) T k ( 0 C ) c test számított (J/kg* 0 C) 2. mérés 7. oldal / 9
2.feladat: Helyettesítsd be a fenti mérési eredményeket az alábbi képletbe! Itt végezd el a behelyettesítéseket: 1. mérés adatai alapján: c test1 = 2. mérés adatai alapján: c test2 = Majd a számított értékeket ( ctest1 és ctest2 ) írd be a táblázatba! Számold ki a fenti érékek átlagát, s megkap od a szilárd test fajhőjének számított értékét! 8. oldal / 9
3. feladat: Keresd ki a függvénytáblázatból, hogy melyik anyag fajhője lehet a mért, illetve számolt érték! A szilárd test anyagi minősége: 4. feladat: Egészítsd ki az alábbi szöveget! A termikus kölcsönhatás során hőmérsékletű testek között történik a következő alapegyenlet alapján: A kísérlet során és vette fel a szilárd test által leadott. Az adott szilárd test fajhőjének az általam számított értéke J/kg* 0 C, amely azt jelenti hogy az 1 kg tömegű test 1 0 C-os hőmérsékletváltozásához J hőmennyiség (energia) szükséges. Szerintem a szilárd test anyaga lehet. Felhasznált szakirodalom: nyomtatott szakirodalom: o Dr. Jurisits József Dr. Szűcs József: Fizika 10. (Hőtan, Elektromosságtan) (Mozaik kiadó Szeged, 2011.) o Budó Ágoston: Kísérleti fizika I. (mechanika, Hangtan, Hőtan) (Tankönyvkiadó, Budapest, 1992.) internetes hivatkozás: o https://www.google.hu/search?q=kalorim%c3%a9ter&client=firefoxo http://ttk.pte.hu/fizkem/etan-gyakpdf/1gyak.pdf o http://www.youtube.com/watch?v=rdaojqeogww o http://hu.wikipedia.org/wiki/h%c5%91kapacit%c3%a1s o http://tudasbazis.sulinet.hu/hu/termeszettudomanyok/fizika/fizika-7-evfolyam/abelso-energia-valtozasa/a-fajho-fogalma 9. oldal / 9