Prvi poskus: SEGREVANJE ZRAKA V POSODI

Pri prvem poskusu smo želeli energijo, ki se sprosti ob sežigu ene vžigalice, izmeriti tako, da bi ugotovili koliko toplote prejme zrak v plastični posodi ob sežigu vžigalice v njej.  Izmerili bi razliko v temperaturi, ter nato s pomočjo formule Q = m·c·∆T izračunali prejeto toploto. Vžigalico smo prižgali zunaj, zato ta poskus ne upošteva energije, ki se sprosti ob sežigu kapice vžigalice.

Uporabljeni pripomočki:

Plastična posoda s pokrovom

Termometer

Vžigalice

Merilni valj       

Potek dela in meritve:

Pred izvedbo poskusa smo najprej izmerili volumen posode, da bi iz tega podatka izračunali maso zraka v posodi. V posodo smo nalili vodo, jo prelili v merilni valj in odčitali prostornino. To smo ponovili 3-krat.

Volumen posode [ml]:

V = (V₁+V₂+V₃) / 3

V = 708 ml ± 5 ml = 7,08·10^-4 (1±7,1·10^-3)  m³

Najprej smo izmerili začetno temperaturo v posodi. Uporabljali smo termometer, ki ima dva senzorja ter meri razliko v temperaturi med njima. Enega od teh smo potopili v mešanico vode in ledu. Nato smo zunaj prižgali vžigalico in jo hitro dali v posodo.  Vžigalico smo morali držati v zraku, saj nam je drugače ugasnila. Prav tako smo morali, če smo želeli, da nam pogori do konca, pustiti pokrov posode med gorenjem malo odprt in tako omogočili dotok kisika. Da pa nam ne bi topel zrak pobegnil skozi odprtino smo posodo držali postrani, kot je vidno na spodnji sliki:

Nato smo zopet v posodo vtaknili termometer, zaprli pokrov in odčitali končno temperaturo. Temperatura takoj po koncu gorenja, ni bila najvišja ampak se je na začetku še malo višala ter nato začela počasi padati. Kot končno temperaturi smo vzeli najvišjo temperaturo, ki jo je termometer zaznal. Odvisnost temperature v posodi od časa, merjenega po koncu gorenja vžigalice, smo za en primer zbrali v spodnjem grafu.

Graf T(t)

Opazili smo tudi, da je temperatura zelo odvisna od tega, kje v posodi merimo, saj se zrak v njej ni enakomerno segrel. Topel zrak je šel na vrh. Da bi dobili čim boljši približek temperature, smo zrak v posodi mešali z žličko, da bi ga bolj enakomerno razporedili. Postopek smo večkrat ponovili, med vsako ponovitvijo pa smo s posodo malo »mahali«, da bi jo prezračili. Torej spravili ven produkte gorenja CO₂ in H₂O, ter dobili v posodi tako zmes plinov kot je značilna za zrak.

Meritve:

T₁ …….začetna temperatura v posodi

T₂……..temperatura v posodi po sežigu vžigalice

Nato nas je zanimalo, če bi imeli manjše izgube, če bi okoli posode uporabili izolator. Zato smo poskus ponovno izvedli, le da smo uporabili okoli posode peno kot izolator. Rezultat tega poskusa se ni skoraj nič razlikoval od prejšnjih rezultatov, zato smo sklepali, da se skozi stene posode izgubi malo toplote.

Rezultat s peno:

Poskus smo hoteli izvesti tudi z več vžigalicami hkrati, da bi se zrak bolj segrel in bi bile instrumentalne napake temperaturne razlike za eno vžigalico manjše. Prižgali smo 3 vžigalice, vendar v posodi ni bilo dovolj kisika. Vžigalice niso zagorele niti do polovice, ugotovili smo, da poskus ni izvedljiv z več vžigalicami.

Izračuni:

Uporabljeni znani podatki:

specifična toplota zraka pri 20°C in normalnem zračnem tlaku:

c = 1005 J/kg K  

gostota zraka pri 20°C in normalnem zračnem tlaku:

ρ = 1,2 kg/m³                                                

Pred poskusom, je bil načrt izračunati toploto po formuli Q=m c ∆T. Po izvedbi poskusa pa smo ugotovili, da izbrana formula za naš poskus ni najboljša, saj zrak, ki je bil v posodi pred poskusom, ni isti zrak, kot je v posodu po gorenju. Kot prvo se med gorenjem dogajajo kemijske reakcije, kisik se pretvori v CO₂ in vodno paro, ta pa imata različno specifično toploto kot zmes plinov, ki ji rečemo zrak. Prav tako posoda ni bila zaprta, torej je v posodo prihajal dodaten plin (predvsem kisik). Če je tlak ostal enak, prostornina posode pa se tudi ni premenila, lahko sklepamo, da se je zrak, ki je bil že od prej v posodi stisnil, s tem pa se je ohladil. Temperatura, ki smo jo merili torej ni uporabna za računanje toplote, naši izračuni, ki so zbrani spodaj, pa niso verodostojen opis realnosti.

Izračun mase zraka v posodi:

m = ρ·V                                           

m = 1,2 kg/m³ · 7,08·10^-4  (1±7,1·10^-3) m3 = 8,5·10^-4 kg (1±7,1·10^-3)

Izračun toplote, ki jo sprejme zrak:

Q = m·c·∆T          

Q₁ = 8,5·10^-4 kg  · 1005 J/kg K · 3,5 (1±0,14) K = 2,99 (1±0,14) J

Izračunane toplote za vsako meritev posebej:

S peno za izolator:

Povprečje izračunanih toplot:

Q = 2,85 J ± 1,75 J