Doświadczenia z termodynamiki

🎯 Po co Ci to?

Zjawiska cieplne łatwo badać w domu — termometr, czajnik i trochę cierpliwości wystarczą. Podstawa wymaga kilku takich doświadczeń.

Budowa kalorymetru (przekrój): 1 — termometr, 2 — mieszadło, 3 — pokrywa, 4 — naczynie wewnętrzne, 5 — osłona zewnętrzna, 6 — izolujące podpórki. Izolacja sprawia, że ciepło nie ucieka na zewnątrz, więc bilans cieplny zamyka się wewnątrz przyrządu. · źródło: Li-on, Wikimedia Commons, domena publiczna

✅ Czego się nauczysz

przeprowadzić i opisać doświadczenia ilustrujące rozszerzalność, bilans cieplny i przemianę fazową.

📘 Wyjaśnienie — obowiązkowe doświadczenia

Doświadczenie A — rozszerzalność cieplna ciał stałych. Metalowa kulka, która w temperaturze pokojowej ledwo przechodzi przez pierścień, po ogrzaniu nie przechodzi (rozszerzyła się). Po ostygnięciu — znowu przechodzi. Prosta i efektowna demonstracja (§6.1).

Doświadczenie B — wyznaczanie ciepła właściwego. Ogrzej znaną masę wody znaną ilością ciepła (np. grzałką o znanej mocy przez zmierzony czas) i zmierz przyrost temperatury. Z $Q = mc\Delta T$ wyznacz $c$. Porównaj z wartością tablicową — i przeanalizuj, skąd biorą się różnice (straty ciepła do otoczenia).

Doświadczenie C [rozszerzenie] — wyrównywanie temperatury (bilans cieplny). Zmieszaj wodę gorącą i zimną o znanych masach i temperaturach, zmierz temperaturę końcową i porównaj z przewidywaniem z bilansu cieplnego $Q_{oddane} = Q_{pobrane}$.

Doświadczenie D [rozszerzenie] — stałość temperatury w przemianie fazowej. Ogrzewaj topniejący lód (albo obserwuj stygnącą, krzepnącą substancję) i rób wykres temperatury od czasu. Zaobserwuj „półkę" — stały odcinek temperatury podczas przemiany fazowej (§6.3), mimo ciągłego dostarczania/odbierania ciepła.

📐 Jak opisać doświadczenie (przypomnienie z §1.5)

Cel/hipoteza → co mierzysz i czym → co zmieniasz, co stałe → pomiary → analiza i wniosek. W doświadczeniach cieplnych szczególnie pamiętaj o stratach ciepła do otoczenia jako źródle błędu (§1.6).

🎒 Zadania

Zadanie 6.8.1. W doświadczeniu B wyznaczone ciepło właściwe wyszło większe niż tablicowe. Podaj prawdopodobną przyczynę.

Pokaż rozwiązanie

Najpewniej straty ciepła do otoczenia (i ogrzewanie naczynia): część dostarczonego ciepła nie poszła na ogrzanie samej wody, więc by uzyskać dany $\Delta T$, „trzeba było" pozornie więcej ciepła na kg i K. To błąd systematyczny (§1.6) — zaniżający $\Delta T$ względem dostarczonego $Q$.

🔍 Sprawdź, czy umiesz

[ ] Zademonstrować rozszerzalność cieplną i wyznaczyć ciepło właściwe.
[ ] [R] Sprawdzić bilans cieplny i pokazać stałość temperatury w przemianie fazowej.

Powtórzenie działu 6

Ucz się tej jednostki z asystentem