Інформація для вчителів
Опис
Рис. 1 Експериментальна установка
Вода у твердому стані змінює свій агрегатний стан на рідкий. При таненні льоду молекули води переходять від відносно міцного зв'язку в твердому стані до більш слабкого зв'язку, який існує між молекулами води в рідкому стані, використовуючи енергію. Для розриву міцних зв'язків потрібна енергія, яку лід, що тане, витягує з більш теплого оточення завдяки "теплоти плавлення".
Теплота плавлення - це енергія, необхідна для переходу речовини з твердого в рідкий агрегатний стан. У цьому процесі долаються сили зв'язку між молекулами або атомами без збільшення їхньої кінетичної енергії, а отже, і температури.
Додаткова інформація для вчителів (1/5)
Попередні знання
Учні вже повинні мати попередні теоретичні знання про питому теплоту плавлення льоду.
Принцип
До теплої води додають кубики льоду і визначають питому теплоту плавлення льоду за температурою змішування. При оцінці розраховується температура суміші, яка досягається у випадку, коли в експерименті використовується така ж кількість холодної води з температурою 0 °C. Порівняння цих розрахунків дуже чітко показує вплив теплоти плавлення.
Додаткова інформація для вчителів (2/5)
Мета навчання
Учні дізнаються, що таке питома теплота плавлення льоду і як змінюється температура суміші після додавання кубиків льоду до відміряної кількості теплої води.
Завдання
- Як змінюється температура суміші після додавання кубиків льоду до відміряної кількості теплої води?
Скільки теплоти потрібно, щоб розтопити лід?
Додаткова інформація для вчителів (3/5)
Додаткова інформація
До теплої води додають кубики льоду і визначають питому теплоту плавлення льоду за температурою суміші. При оцінці розраховується температура суміші, яка досягається у випадку, коли в експерименті використовується така ж кількість холодної води з температурою 0 °C. Порівняння цих розрахунків дуже чітко показує вплив теплоти плавлення.
Примітки
- Експеримент можна проводити і з водою кімнатної температури (не нижче 20 °C), але в підігрітій воді кубики льоду тануть швидше. Крім того, температура суміші тоді вища і похибки зчитування не так помітні при подальших розрахунках.
- При зчитуванні показань термометра слід також враховувати проміжні значення 0,5 °C.
Додаткова інформація для вчителів (4/5)
Зроблене порівняння: експеримент зі змішуванням льоду та експеримент зі змішуванням води при 0 °C не так легко провести експериментально, оскільки тепла вода повинна мати однакову початкову температуру в обох випадках.
Примітки до завдань
При оцінці наведені формули можна використовувати за умови, що кількості теплоти, які обмінюються, є рівними, тобто:
.
Для завдання 2 це означає:
.
Додаткова інформація для вчителів (5/5)
.
Для додаткового завдання:
.
Табличне значення питомої теплоти плавлення льоду становить 334 Дж/г.
Інструкції з техніки безпеки
Для цього експерименту застосовуються загальні інструкції щодо безпечного проведення експериментів під час викладання природничих наук.
Інформація для учнів
Мотивація
Рис. 2 Експериментальна установка
Якщо додати лід до теплої води, він починає танути і знижує температуру води.
Всім нам знайома ця проблема влітку: ми хочемо освіжитися прохолодною склянкою води, але спочатку нам доводиться додати кілька кубиків льоду, тому що вода спочатку кімнатної температури і не така прохолодна, як ми сподівалися. І навіть після цього нам завжди доводиться чекати деякий час, перш ніж ефект від кубиків льоду почне діяти, і ми зможемо насолоджуватися прохолодною водою.
В експерименті ми досліджуємо, як швидкість танення льоду залежить від початкової температури води, а також як змінюється об'єм і температура води при додаванні льоду.
Завдання
Рис. 3 Експериментальна установка
Скільки теплоти потрібно, щоб розтопити лід?
Додайте кубики льоду у відміряну кількість теплої води і визначте температуру суміші.
Матеріал
| Позиція | Матеріал | Пункт №. | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Основа штатива, PHYWE | 02001-00 | 1 |
| 2 | Штативний стрижень, нерж. ст., l=600 мм, d = 10 мм | 02037-00 | 1 |
| 3 | Кільце із затискачем, внутр. діам. 10 см | 37701-01 | 1 |
| 4 | Дротяна сітка з керамікою, 160 x 160 мм | 33287-01 | 1 |
| 5 | Кришка для навчального калориметра | 04404-01 | 1 |
| 6 | Стрижень - мішалка | 04404-10 | 1 |
| 7 | Фетр, листовий, 100x100 мм | 04404-20 | 2 |
| 8 | Мензурка, низька, 250 мл | 46054-00 | 1 |
| 9 | Мензурка, низька, 400 мл | 46055-00 | 1 |
| 10 | Колба Ерленмейера, широкогорла, 250 мл | 46152-00 | 1 |
| 11 | Піпетка, з гумовим ковпачком | 64701-00 | 1 |
| 12 | Мірний циліндр, 100 мл, прозорий, PP | 36629-01 | 1 |
| 13 | Навчальний термометр, -10...+110 °C | 38005-10 | 1 |
| 14 | Бутановий пальник Labogaz 206 | 32178-00 | 1 |
| 15 | Бутановий картридж, без вентиля, 190 г | 47535-01 | 1 |
Підготовка (1/5)
Рис.4 Експериментальна установка
Обережно!
1. Коли вода нагрівається, кільцевий тримач штатива і дротяна сітка стають дуже гарячими!
2. При зчитуванні температур слід також враховувати проміжні значення 0,5 °C.
Підготовка (2/5)
- Встановіть експериментальну установку, як показано на рисунках 5-8.
Рис. 5
Рис. 6
Рис. 7
Рис. 8
Підготовка (3/5)
- Зберіть теплоізоляційну посудину (калориметр) з двох склянок (250 мл і 400 мл) і двох фетрових пластин.
Рис. 9
Підготовка (4/5)
- Вставте термометр ( 8 мм) з довгим занурювальним стрижнем і паличку для перемішування ( 5 мм) через відповідні отвори в кришці. За необхідності використовуйте для цього гліцерин.
Рис. 10
Підготовка (5/5)
Рис. 11
- Кілька великих кубиків льоду розбийте молотком на шматочки розміром приблизно 1 см³, попередньо загорнувши кубики льоду в тканину, щоб не розлетілися осколки.
- Залиште подрібнений лід на тканині, щоб він висох.
Рис. 12
Виконання роботи (1/3)
Наповніть колбу Ерленмейєра приблизно 200 мл води і нагрійте воду приблизно до 35 °C.
Рис. 13
Виконання роботи (2/3)
Відміряйте 150 мл теплої води (точне вимірювання за допомогою мірного циліндра і піпетки) і влийте в калориметр.
Перемішуйте воду близько 1 хвилини.
Потім виміряйте температуру води в калориметрі і запишіть результат в таблицю в протоколі.
Додайте кубики льоду (попередньо висушені!).
Рис. 14
Виконання роботи (3/3)
Накрийте калориметр кришкою і перемішуйте, поки весь лід не розтане, виміряйте температуру суміші і введіть значення в протокол.
Виміряйте кінцевий об'єм води в калориметрі, переливши її назад у мірний циліндр, і запишіть значення.
Рис. 15
Протокол
Таблиця
Запишіть свої вимірювання в таблицю.
Початковий об'єм води , мл
Початкова температура води , °C
Температура суміші , °C
Кінцевий об'єм води , мл
Температура льоду , °C
Завдання 1
Обчисліть маси, що беруть участь в експерименті, використовуючи густину води (ρ = 1,0 г/мл):
1. маса теплої води
2. маса льоду
Завдання 2
Обчисліть, якою буде температура суміші, якщо замість льоду масою використовувати холодну воду з температурою
Завдання 3
Поясніть, чим зумовлена різниця між температурою суміші, розрахованою в завданні 2, і температурою суміші, виміряною в експерименті.
Завдання 4
Обчисліть питому теплоту плавлення води за виміряною температурою суміші . Вона показує, скільки тепла потрібно, щоб розплавити 1 г льоду.
де 4,19 Дж/г°C (питома теплоємність води)
Додаткове завдання
Яке значення отримаємо для питомої теплоти випаровування, якщо в розрахунку також буде врахована теплоємність калориметра C = 80 Дж/°C ?