Загальна інформація
Застосування
Рис. 1: установка досліду
Температура суміші виникає, наприклад, коли змішують дві рідини; у цьому випадку теплота переходить від холоднішого до теплішого тіла, доки вони не матимуть однакової температури.
Якщо чай чи кава занадто гарячі, їх можна охолодити, додавши холодної води або молока. Це відбувається тому, що під час поєднання двох тіл/рідин різної температури температури поволі вирівнюються. У рідин цей процес вирівнювання можна пришвидшити перемішуванням.
Інша інформація (1/2)
Попередні знання
Учні мають мати попередні знання про температуру суміші.
Принцип
Температура суміші - це коли змішують дві рідини, тоді теплота переходить від холоднішого до теплішого тіла, доки вони не матимуть однакової температури. У цьому досліді використовують воду різної температури. Температура суміші, яка встановлюється, залежить від кількостей води та їхньої початкової температури.
Інша інформація (2/2)
Навчальна мета
Дослід має показати зв'язок між початковою температурою, кількістю води й отриманою температурою суміші. Стане видно, що температура суміші утворюється як сума добутків об'ємної частки і початкової температури:
і - це в цьому разі початкові температури холоднішої й теплішої систем. Об'єми і відповідають об'ємам холоднішої й теплішої систем.
Завдання
Учні мають у досліді поспостерігати за температурою суміші, початковою температурою і кількістю води. Завдяки цьому учні мають точніше зрозуміти температуру суміші.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Теорія
Коли перемішують дві рідини різної температури, то рідина з вищою температурою віддає теплоту, а рідина з нижчою температурою поглинає теплоту.
Температуру суміші двох рідин можна обчислити за рівнянням :
і - це в цьому разі початкові температури холоднішої й теплішої систем.
і - це об'єми холоднішої й теплішої систем.
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Магнітна демонстраційна дошка PHYWE зі штативом, демо з фізики | 02150-00 | 1 |
| 2 | Затискний тримач, d = 0..13 мм, на магнітному тримачі | 02151-07 | 1 |
| 3 | Тримач пальника, магнітний | 02162-00 | 1 |
| 4 | Тримач для сітки, магнітний | 02163-00 | 1 |
| 5 | Дротяна сітка з керамікою, 160 x 160 мм | 33287-01 | 1 |
| 6 | Мензурка, низька, 400 мл | 46055-00 | 1 |
| 7 | Мензурка, низька, 250 мл | 46054-00 | 1 |
| 8 | Мірний циліндр, 100 мл | 36629-00 | 1 |
| 9 | Скляний стрижень, l=200 мм, d=6 мм, BORO 3.3 | 40485-04 | 1 |
| 10 | Занурювальний зонд, NiCr-Ni, нержавіюча сталь, -50...400°C | 13615-03 | 2 |
| 11 | Бутановий пальник з картриджем, 220 г | 32180-00 | 1 |
| 12 | Струбцина | 02014-01 | 2 |
| 13 | Демонстраційний універсальний вимірювальний прилад, ADM3 | 13840-00 | 2 |
Складання та виконання
Складання (1/2)
Рис. 2 : Обладнання
1. З'єднай штекер давача температури з ADM 3, який стоїть на підлозі.
2. Закріпи за допомогою магнітного тримача давачі температури на магнітній дошці й увімкни його вимикачем живлення.
3. Постав тримач для пальника біля нижнього краю дошки.
4. У разі використання бутанового пальника постав тримач для сітки на дошку на позначеній висоті 240 і поклади сітку.
Складання (2/2)
5. Постав склянку на 400 мл на сітку.
6. Постав на дошку затискний тримач над склянкою і закріпи в ньому один із давачів температури. Провід до вимірювального приладу в ідеалі не має провисати, тобто, якщо можливо, десь його поклади.
7. Другий давач температури слугує для вимірювання нижчої температури.
Рис. 3: схема досліду
Виконання (1/3)
Рис. 4
Дослід 1:
- Відміряй мірним циліндром 100 мл води і залий її в склянку на 400 мл.
- Після цього посунь затискний тримач із давачем температури так, щоб той занурився у воду в склянці приблизно на 1 см.
- Ще раз наповни мірний циліндр 100 мл холодної води. Виміряй і запиши другим давачем температури початкову температуру холодної води.
- Тепер запали бутановий пальник і нагрій воду в склянці на 400 мл приблизно до 83°C. При цьому для точної температури важливо регулярно перемішувати.
Виконання (2/3)
- Прибери пальник і вимкни його.
- Продовжуй перемішувати воду і стеж за температурою.
- Долий уміст мірного циліндра, щойно температура в склянці становитиме близько 80°C. Запиши температуру води в склянці безпосередньо перед доливанням холодної води як .
- Ретельно перемішай також суміш води і стеж за температурою далі.
- Коли вона стане приблизно сталою, виміряй і запиши температуру суміші .
Виконання (3/3)
Досліди 2 і 3:
Виконай тепер той самий дослід ще раз зі 100 мл теплої і 200 мл холодної води.
Після цього зміни об'єми на 100 мл теплої і 50 мл холодної води.
Перед кожним повторенням досліду спорожняй склянку на 400 мл (Обережно, гаряче!).
Зверни увагу: температури і в усіх 3 частинах досліду мають бути приблизно однакові.
Протокол
Спостереження
Спостереження і результати вимірювань
| Температура суміші | |||||
| Об'єм | Температура | виміряно | обчислено | ||
| Дослід 1 | тепла вода | 100 мл | 80,1 °C | 51,0 °C | 53,0 °C |
| холодна вода | 100 мл | 20,5 °C | |||
| Дослід 2 | тепла вода | 100 мл | 80,0 °C | 40,8 °C | 40,1 °C |
| холодна вода | 200 мл | 20,1 °C | |||
| Дослід 3 | тепла вода | 100 мл | 80,1 °C | 59,7 °C | 60,1 °C |
| холодна вода | 50 мл | 20,4 °C |
Після вимкнення пальника температура води у склянці поволі знижується. Якщо потім долити холодної води до теплої і перемішати, температура спершу знижується дуже швидко, а тоді поволі наближається до сталого значення.
Таблиця 1
Результати вимірювань
| Температура суміші | |||||
| Об'єм | Температура | виміряно | обчислено | ||
| Дослід 1 | тепла вода | 100 мл | 80,1 °C | 51,0 °C | 53,0 °C |
| холодна вода | 100 мл | 20,5 °C | |||
| Дослід 2 | тепла вода | 100 мл | 80,0 °C | 40,8 °C | 40,1 °C |
| холодна вода | 200 мл | 20,1 °C | |||
| Дослід 3 | тепла вода | 100 мл | 80,1 °C | 59,7 °C | 60,1 °C |
| холодна вода | 50 мл | 20,4 °C |
Таблиця 1
Опрацювання результатів (1/2)
Спершу гаряча вода у склянці оточена холоднішим повітрям. Вона охолоджується лише поволі. Коли доливають холодну воду, обидві порції води перемішуються. Вода у склянці швидко охолоджується до температури суміші. Кількості води дібрані так, що значення температур суміші можна пояснити й без великих обчислень. Стає видно тенденцію.
Дослід 1
Коли зливають разом однакові кількості гарячої й холодної води, то температура суміші лежить посередині між обома температурами. Температура суміші - це середнє значення температури гарячої і холодної води. Обчислене значення наведено в таблиці 1.
Опрацювання результатів (2/2)
Досліди 2 і 3
Якщо кількість теплої води менша за кількість холодної, то й температура суміші менша за середнє значення, і навпаки - за більшої кількості.
Об'ємні частки від загального об'єму становлять 2/3 у досліді 2 і 1/3 у досліді 3. Тому цілком зрозуміло, що й температурний проміжок між і слід поділити відповідно, тобто враховувати температури в такому самому відношенні, як і кількості води, щоб визначити температуру суміші. Обчислені температури суміші внесено до таблиці 1.
або
Примітка (1/3)
1. Кількості води у склянці завжди треба відміряти мірним циліндром. Позначки на склянці для цього досліду надто неточні.
2. Під час нагрівання води можна заощадити час, якщо взяти вже підігріту воду (напр. із попередньої частини досліду).
3. Загальне обчислення температури сумішіЯкщо зливають разом довільні кількості холодної й теплої води, температуру суміші можна обчислити за допомогою енергетичного балансу, де = маса і = об'єм холодної чи теплої води, = питома теплоємність, а = густина води.
Енергія, яку вода поглинає під час нагрівання або віддає під час охолодження, дорівнює
.
Примітка (2/3)
Холодна вода нагрівається до температури суміші, тепла вода охолоджується до . Обидва ці внески енергії однакові.
Масу води можна перерахувати в об'єм за допомогою густини. Оскільки маса й об'єм пропорційні одне одному,
Примітка (3/3)
температуру суміші можна обчислити також за відповідною формулою залежно від використаних кількостей води (об'ємів).
Завдання
Питання