Kynning á eðlisfræði í Flensborg/Varmaorka, bræðsluvarmi íss

Bakgrunnur

Vatn í föstu formi er ís og þegar hann bráðnar helst hann við bræðslumark, 0°C. Eðlisvarmi vatns er $4,186{\text{J/kgK}}$. Viðurkenndur bræðsluvarmi íss er $334{\text{kJ/kg}}$. Við varmaflutninga er notað lögmálið um orkuvarðveislu: Gefinn varmi = Þeginn varmi. Við upphitun og kælingu hluta er varminn $Q=mc\Delta T$ en við bræðslu og gufun er varminn $Q=ml$.

Tæki

• Vigt
• þvara
• hitamælir
• varmadolla
• ísmolar

Tilgangur

Að kanna hve langan tíma það tekur heitt vatn að bræða ísmola og ná sameiginlegu hitastigi með ísvatninu. Einnig að reikna bræðsluvarma íss og meta nákvæmni niðurstöðunnar.

Framkvæmd

Vigtaðu varmadolluna og helltu síðan í hana tæplega 400 mL af um það bil 30°C heitu kranavatni og vigtaðu. Mældu hitastig heita vatnsins og reiknaðu með að ísmolarnir séu 0,0°C.

Fyrirbæri	Mæligildi	Eining
Massi tómrar dollu
Massi dollu með vatni
Massi vatns í dollu
Hitastig heits vatns í dollu
Hitastig ísmola

Settu 5 stóra klakamola í varmadolluna og hrærðu stöðugt í vatninu. Mældu hitastigið á 30 sekúndna fresti þar til klakarnir eru bráðnaðir. Passaðu að hitamælirinn komi ekki við klakana.

Tími	Hitastig
0 s
30 s
60 s
90 s
120 s
150 s
180 s
210 s
240 s

Vigtaðu varmadolluna núna og reiknaðu massa klakanna.

Fyrirbæri	Mæligildi	Eining
Dolla með vatni og bráðnum klökum
Massi klaka
Hitastigslækkun vatns í dollu

Úrvinnsla

Gerðu graf af hitastigi vatns sem fall af tíma. Merktu ása og dragðu mjúkan feril.

Reiknaðu varmann sem vatnið gefur samkvæmt: $Q=mc\Delta T$ Varmi = massi vatns * eðlisvarmi vatns * hitastigslækkun vatns, reiknaðu bræðsluvarma vatns og sýndu reikning fráviksins.

Út frá varðveislu orkunnar vitum við að (ef við hunsum varmaskipti við umhverfið) varminn sem flæðir úr heita vatninu er jafn varmanum sem flæðir í klakann til að bræða hann og hita vatnið úr klakanum til að ná sama hitastigi og heita vatnið sem kólnar á móti. Þessu má stilla upp sem:

Varmi sem flæðir úr heitavatninu við að það kólnar úr upphafshitastigi í lokahitastig ($\Delta T_{\text{vatn}}$) = Varmi sem fer í að bræða $m_{\text{klaki}}$ af klaka og fer í að hita vatnið úr bráðna klakanum úr 0 °C í lokahitastigið ($\Delta T_{\text{vatn úr klaka}}$)

eða:

$m_{\text{dolluvatn}}c_{\text{vatn}}\Delta T_{\text{dolluvatn}}=m_{\text{klaki}}l_{\text{vatn}}+m_{\text{klaki}}c_{\text{vatn}}\Delta T_{\text{vatn úr klaka}}$

Einangraðu $l_{\text{vatn}}$ í jöfnunni og reiknaðu mælt gildi út frá mældum gildum á hinum stærðunum. Skráðu hér að neðan og berðu saman við uppgefið gildi.

Fyrirbæri	Mældur bræðsluvarmi [J/kg]	Viðurkenndur bræðsluvarmi [J/kg]	Frávik: ${\tfrac {{\text{mælt}}-{\text{viðurkennt}}}{\text{viðurkennt}}}\cdot 100$
Ís

Ítarefni

Fyrirmynd þessa verkefnis er Mynd:FlensEDLI1KE05Tilraun11VarmaorkaIs.docx frá Viðari Ágústssyni.