Led v olju

___________________________________________________________

Cilj serije teh poskusov je bil ugotoviti vpliv različne gostote olja na pojav taljenja ledu. Glavna ideja je bila, da se kocka ledu, ki v olju plava tali različno od tiste, ki v olju potone. Tako smo se odločili preizkusit sončnično in parafinsko olje, saj imata različni gostoti.

Gostota parafinskega olja:

V=100mL±1mL
m=84g±1g
ρ=0.84 kg/dm³±0.02kg/dm<sup>3

Kocka ledu v parafinskem olju:</sup>

Kocko ledu smo dali v parafinsko olje. Za razliko od sončničnega olja je kocka v parafinskem takoj potonila na dno posode. Prav tako pa se je zaradi površinske napetosti vode okrog kocke ledu formirala vodna kupola. Izmerili smo temperaturi olja preden smo dali kocko v posodo in po tem ko se je kocka stalila. Kocka ledu je bila ves čas na dnu.


T₀=24.0°C± 0.1°C
T_K=21.8°C±0.1°C
masa ledu: m=11g±1g
t=1499.7s±0.5s
V_olja=300mL





^{Razpolovljena kocka ledu v parafinskem olju:}

Ena izmed idej, katera lastnost kocke bi lahko vplivala na taljenje ledu je bila tudi površina same kocke. Zato smo kocko enakih dimenzij razpolovili na dva dela in dali v parafinsko olje. Oba kosa sta takoj potonila in bila ves čas na dnu.
Kocko smo razbili na dva dela (večja površina):
T₀=22.6°C±0.1°C 
T_K=20.0°C±0.1°C
masa ledu: m=10g±1g
t=1255.2±0.5s
V_olja=300mL

___________________________________________________________

Iz obeh rezultatov vidimo, da se je v primeru, ko smo kocko dali na pol, led res hitreje stalil. Vendar pa je iz naših meritev težko razbrati povezavo med površino in hitrostjo taljenja, saj olje v obeh poskusih ni imelo enake temperature. Prav tako je bila masa kocke v drugem primeru za 1 g manjša. Različna masa je sicer najverjetneje posledica nenatančnosti tehtnice (±1g). Vzrok za različno temperaturo pa je dejstvo, da smo za oba poskusa bili primorani uporabiti enako olje. Posledica tega pa je bila, da je bilo olje po prvem poskus hladnejše. Druga velika pomanjkljivost je dejstvo, da steklena čaša, v kateri smo izvajali eksperiment, ni bila izolirana. Vzrok za to izhaja iz dejstva, da bi bilo nemogoče spremljati taljenje ledu, saj imata led in parafinsko olje enako barvo. Tako bi bilo z izolacijo opazovanje nemogoče.
Podobno kot že v prejšnji seriji poskusov smo napake ocenili na zadnjo mesto merilnih naprav.
___________________________________________________________

Kocka ledu v sončničnem olju:


Podobno kot prej imamo kvadratne kocke ledu. V tem primeru led plava. Voda se nabira na spodnji stranici kocke. Led ni potonil, dokler se ni stalil.
T₀=24.0°C±0.1°C
T_k=18.8°C±0.1°C
masa ledu: m=10g±1g
t=1724s±0.5s
V=250mL

Razpolovljena kocka ledu v sončničnem olju:
V olje smo dali kocko, ki smo jo razpolovili na dva enaka dela. Kljub istemu olju, je kocka že čisto na začetku potonila.

T₀=21.7°C±0.1°C
T_k=15.7°C±0.1°C
masa ledu: m=10g±1g
t=1087.0s±0.5s
V=300mL

___________________________________________________________


Možna razlaga, zakaj sta kocki manjših dimenzij že čisto na začetku potonili je, da je razmerje med volumnom ledu in volumnom staljene vode, ki se nabere okrog kocke manjše. To pomeni, da je gostota celotnega sistema ledu in staljene vode, ki se še drži kocke večja in tako potone.

Volumen cele kocke je enak:
V_kocke=a³

površina pa:
A=6a²

kjer je a dolžina stranice kocke ledu. Z razpolovitvijo kocke na pol smo dobili dva kvadra s stranicami a, a in a/2.

Volumen enega dela razpolovljene kocke je tako polovica volumna celotne kocke:
V_polovice=V_kocke/2

površina polovice pa je enaka:A_polovice=4a²

S temi kratkimi izračuni pridemo do ugotovitve, da imata 2 razpolovljeni  kocki enak volumen in maso eni celi kocki, vendar pa je njuna površina sedaj enaka 2A_polovice , oziroma 8a² kar je za faktor 4/3 več kot pri celi kocki. S tem lahko pojasnimo zakaj sta se razpolovljeni kocki potopili veliko hitreje. Njuna površina relativno na njuno maso je bila namreč večja in se je tako lahko na obeh razpolovljenih kockah nabralo več vode, kot na eni celi, kar je pomenilo večjo gostoto sistema led-olje in sta tako prej potonili.

___________________________________________________________


Prav tako pa je zanimivo, primerjati čas taljenja cele in razpolovljene kocke v parafinskem olju saj je bil v obeh primerih led ves čas na dnu. Toplotni tok je definiran kot:
P=dQ/dt.
Če primerjamo rezultata pri parafinskem olju vidimo, da je čas taljenja tele kocke enak t_c=1499.7s ± 0.5s, čas taljenja polovic pa t₂= 1255.2s ± 0.5s. Če v obeh primerih zanemarimo toplotne izgube in tako predpostavimo, da je dovedena toplota Q ledu enaka v obeh premerih, lahko izračunamo odvisnost toplotnega toka od površine kocke. Razmerje toplotnih tokov je tako enako:
P₁/P₂=t₂/t₁=0.84,
Razmerje površin pa smo že prej izračunali, da je enako 3/4 oziroma 0.75. Sicer se obe številki ne ujemata vendar pa če upoštevamo dejstvo, da posod nismo izolirali, lahko sklepamo, da ima razmerje toplotnih tokov veliko napako kljub dejstvu, da smo čas izmerili zelo natančno.

___________________________________________________________


Zanimivo je, da se je cela kocka ledu v sončničnem olju stalila hitreje, kot v parafinskem. Ta ugotovitev, je utemeljena z dejstvom, da sta začetni temperaturi pri celih kockah v parafinskem in sončničnem olju identični. Razlago za to najdemo v dejstvu, da je kocka ledu v parafinskem olju dobesedno plavala v lastni staljeni vodi, med tem ko je od plavajoče kocke voda ves čas odtekala. Z drugimi besedam, pri plavajoči kocki je bila temperatura okoliškega olja ves čas veliko večja od temperature ledu, med tem ko je bila temperature vode in posledično olja na dnu bolj podobna sami temperaturi ledu. 
Ker je kocka ledu homogena lahko zapišemo, da moramo za to da se stali dovesti  toploto:
Q=mc_t

kjer je c_t talilna toplota  ledu, m pa masa kocke. Pri tem smo predpostavili, da je imel led temperaturo 0°C. Če še upoštevamo, da se je pri našem poskusu staljena voda segrela in smo na koncu imeli končno temperatura olja in vode enako T_k lahko zapišemo:
m_olja c_olja (T₀ - T_k) = mc_t + mc_vode (T_k – T)

kjer je T=0°C, c_olja in c_vode pa sta specifični toploti obeh snovi. S to zvezo in upoštevanjem, da je c_vode =4200 (J/kg K)  in c_t= 334 kJ/kg  lahko tako ocenimo specifični toploti parafinskega olja.
c_parafinsko = 2322 (J/kg K) ± 290 (J/kg K)

Prav tako pa lahko na enak način izračunamo tudi specifično gostoto sončničnega olja:
C_{sončničnega} = 2470 J/kgK ± 310 J/kgK.
Vidimo, da sta specifični toploti parafinskega in sončničnega zelo podobni in se v okviru nenatančnosti celo ujemata.