AFKØLING Forsøgskompendium IBSE-forløb 2012 1
KULDEBLANDING Formålet med forsøget er at undersøge, hvorfor sneen smelter, når vi strøer salt. Og derefter at finde frysepunktet for forskellige væsker. Hvad sker der efter ca. 40 sekunders dataoptagelse? Hvad er den laveste temperatur? Datalogger (Spark eller XPlorer) Temperatursensor Salt, is, bægerglas Vand Hvorfor hjælper det at strø salt på en glat vej? Du kan også bruge termometer i stedet for datalogger med temperatursensor. Start med at blande is og salt i et bægerglas. Tilslut en temperatursensor til dataloggeren og sæt programmet til at måle temperatur. Start dataopsamlingen og læg mærke til temperaturudviklingen. Indsæt i dette skema nogle af de målte temperaturer og tidspunkter: Tid Start (is uden salt) Temperatur Lav nu en ny kuldeblanding, hvor du i stedet for at blande salt og is, blander is og sprit. Udfør forsøget på samme måde som før. Hvad kan du observere? Skriv nogle af dine observationer ind i skemaet her: Tid Temperatur Start (is uden sprit) Slut (sidste måling) Slut (sidste måling) 2
Anbring nu reagensglas med forskellige væsker ned i kuldeblandingen. Brug dette til at finde frysepunktet for forskellige væsker, f.eks. ferskvand, saltvand og vand-sprit-blandinger. Væske Ferskvand Saltvand Frysepunkt Sammenlign med disse frysepunkter: Sprit (ethanol) - 114 Acetone - 95 Terpentin - 55 Benzin - 57 Olivenolie - 6 Rapsolie - 10 Palmeolie (Palmin) + 35 Tegn forsøgsopstillingen herunder: 3
FORDAMPNING Prøv nu at dyppe en tot vat i vand. Udfør samme forsøg og noter resultaterne: Tid Start Temperatur Formålet med forsøget er at undersøge temperaturen, når forskellige stoffer fordamper. Datalogger (Spark eller XPlorer) Temperatursensor Vat Stativ med holder Sprit, vand og acetone Slut (sidste måling) Prøv nu med acetone. Du kan også bruge termometer i stedet for datalogger med temperatursensor. Vigtigt: Sørg for udsugning og vis forsigtighed ved brandfarlige væsker! Tilslut en temperatursensor til dataloggeren og få programmet til at måle temperatur. HUSK udsugning! Noter nogle resultater her: Tid Temperatur Start Dyp en tot vat i sprit og fastgør den omkring sensorspidsen, som ophænges frit i luften i stativet. Start dataoptagelse og skriv nogle af målingerne i skemaet herunder: Slut (sidste måling) Tid Start Temperatur Hvad sker der med væsken på vattotten? Slut (sidste måling) Hvad er forskellen mellem fordampningen af de forskellige stoffer? Hvad sker der med temperaturen? 4
FRA IS TIL DAMP Skriv dine resultater her i skemaet: Tid Temperatur Start Formålet med forsøget er at undersøge, hvordan temperaturen ændrer sig, når is opvarmes til kogepunktet. Datalogger (Spark eller XPlorer) Temperatursensor Isterninger Trefod med keramisk net Bunsenbrænder Tændstikker Bægerglas Du kan også bruge termometer i stedet for datalogger med temperatursensor. Tilslut en temperatursensor til dataloggeren og få programmet til at måle temperatur. Sæt målingshyppigheden til omkring 15 sekunder. Sæt det keramiske net på trefoden, og stil bægerglasset med is på nettet. Placer temperatursensoren i stativets holder og sæt føleren midt i isen i bægerglasset. Den må ikke røre glassets bund. Tænd for bunsenbrænderen og start dataloggerens målinger. Fortsæt målingerne indtil vandet har kogt et par minutter. Slut (sidste måling) Hvor lang tid er isen om at smelte? Hvad sker der med temperaturen, mens isen smelter? 5
Hvad bruges energien til, når isen smelter? Hvad sker der med temperaturen, når isen er smeltet? Ved hvilken temperatur koger vandet? Hvad bruges energien til, når vandet koger? Tegn forsøgsopstillingen herunder: 6
VAND I VACUUM Formålet med forsøget er at vise at en væskes kogepunkt er afhængigt af omgivelsernes tryk. Plastiksprøjte Lunkent vand Tag en plastiksprøjte og fyld den ca. 1/5 med vand fra den varme hane (det skal være omkring 50 ). Sæt fingeren for enden af kanylens udløb og træk stemplet tilbage. Hvad sker der med kogepunktet, hvis trykket falder? Hvad sker der med kogepunktet, hvis trykket stiger? Tegn forsøget her: Observer, hvad der sker med vandet i sprøjten. Hvad sker der med vandet i sprøjten? Hvad sker der med trykket inde i sprøjten? Hvad er vandets kogepunkt i dette forsøg? 7
VARME- KAPACITET Formålet med forsøget er at undersøge vands varmekapacitet og fordampningsvarme. Materiale: Elkedel Måleglas Digital vægt Stopur Energimåler (eller watt-meter) Termometer Lommeregner Start med at veje kedlen (uden vand i). Kedlens vægt (TOM) Du skal nu udføre et forsøg, som gentages nogle gange med forskellige mængder vand. Du skal skrive resultaterne ind i skemaet til højre. Afmål vandet i et måleglas. Brug vand fra den KOLDE hane hver gang. Hæld det afmålte vand i den tomme kedel. Vej nu kedlen (med vand) og skriv resultatet i skemaet. Tag et termometer og rør rundt i vandet i elkedlen. Mål vandets temperatur og skriv resultatet i skemaet. Find et stopur. Sæt elkedlens stik i energimeteret og sæt det i stikkontakten. Tænd stopur og elkedel samtidigt. Hold el-kedlens sikkerhedsafbryder inde, så den ikke slukker af sig selv. Du skal slukke for el-kedlen, når tiden er gået (se tiderne i skemaet). Rør rundt i vandet med termometeret igen og afmål temperaturen. Skriv resultatet i skemaet. Når du har alle dine afmålinger, kan du beregne de sidste tal i skemaet. De røde tal i skemaet skal du regne ud ved at bruge de andre tal i skemaet. Der er lidt udregningshjælp på næste side. Forsøg 1 2 3 4 5 Vandmængde 400 ml 700 ml 1000 ml 1300 ml 1600 ml Vægt af den fulde kedel Vandets vægt Tid 20 s 35 s 50 s 65 s 80 s Start-temperatur Slut-temperatur Temperatur-stigning Energiforbrug Den specifikke varmekapacitet 8
Sådan finder du dine tal til skemaet: Vandets vægt regner du ud ved at veje den fulde kedel og trække den tomme kedels vægt fra. Temperaturstigning regner du ud ved at trække start-temperaturen fra slut-temperaturen. Den specifikke varmekapacitet regner du ud ved at gange energiforbrug med temperaturstigningen. Dette tal dividerer du med vandets vægt. Her er en oversigt over nogle udvalgte stoffers specifikke varmekapacitet. Stof Vand 5,2 Sprit 2,46 Luft 1,005 Jern 0,444 Guld 0,129 Stoffets specifikke varmekapacitet Formlen for den specifikke varmekapacitet ser sådan ud: Hvilken slags energi bruger en el-kedel? Hvad omsætter en el-kedel den tilførte energi til? Sammenlign varmekapaciteten fra de fem forsøg. Hvordan passer din udregnede vamekapacitet med den, der står i skemaet? Vands specifikke varmekapacitet betyder den energimængde, der skal bruges for at varme 1 kg vand 1 op. Enheden for specifik varmekapacitet er: = J = Joule (enhed for energi) kj = kilojoule (tusind Joule) g = gram kg = kilogram (tusind gram) T = temperatur 9
FORDAMPNINGS- VARME Formålet med forsøget er at finde vands specifikke fordampningsvarme. Når vandet har kogt i 100 sekunder skal strømmen slukkes og energiforbruget skal afmåles og noteres i skemaet. Vej nu kedlen igen (slutvægt) og beregn, hvor meget vand, der er fordampet. Lav et kontrolforsøg, hvor du gentager ovenstående trin. Formlen for den specifikke fordampningsvarme er energiforbrug divideret med vægttab. En el-kedel Digital vægt Stopur Energimåler Når du har beregnet fordampningsvarmen i begge forsøg, skal du sammenligne tallene. Er de ens? Er de forskellige? Passer dit tal med tallet fra oversigten? Afmål 500 ml vand fra den kolde hane. Hæld det i el-kedlen og sæt kedlen i gang med at opvarme vandet. Når vandet koger, skal du slukke for el-kedlen. Noter elkedlens vægt (startvægt). Tag hurtigt kedlen ned af vægten. Sæt straks kedlen til at koge igen husk, at kedlen skal sættes til strømmen gennem energimåleren. Lad vandet koge i 100 sekunder hold kedlens sikkerhedsafbryder inde ved at trykke på den, så den ikke slukker af sig selv før tid. Fordamningsvarme betyder den varme, der skal tilføres for at få et stof, der allerede er opvarmet til kogepunktet, til at fordampe. Enheden for fordampningsvarme er kj/kg. Udvalgte stoffers fordampningsvarme: Vand 2257 kj/kg Pas godt på under forsøget du arbejder med kogende vand! Benzin Sprit Acetone 209 kj/kg 840 kj/kg 510 kj/kg Forsøg Forsøg nr. 1 Forsøg nr. 2 (kontrol) Startvægt Slutvægt Vægttab Energiforbrug Fordampnings-varme = energiforbrug / vægttab 10
AFKØLING OG ISOLERING Formålet med forsøget er at undersøge, hvor effektiv en termokande er. Temperatur Termokande Glaskande Start Datalogger (Spark eller XPlorer) 2 temperatursensorer Termokande Uisoleret kande/flaske Varmt vand Sæt de to temperatursensorer til dataloggeren og sæt programmet til at måle temperatur. Sæt målehyppigheden til omkring 2 sekunder. Sæt de to kander på bordet og fyld dem begge med varmt vand. Placer en temperatursensor i hver kande og start dataopsamlingen. Få dataloggeren til at vise udviklingen i begge kander samtidigt, så du kan se om der er forskel. Noter dine resultater her eller i skemaet: Slut Hvad viser forsøget? Kunne man udføre samme forsøg med isvand, hvor man måler temperaturstigningen? Hvad tror du forsøget så vil vise? 11
FRA VÆSKE TIL FAST STOF Formålet med forsøget er at undersøge, hvad der sker, når et stof går fra væskeform til fast form. Flaske med natriumacetatopløsning 1 temperatursensor og datalogger En natriumacetatkrystal Begynd med at tænde dataloggeren og sæt den til at måle temperatur med temperatursensoren. Tryk på start og sæt sensoren ned i flasken med natriumacetatopløsningen. (Det kan være, at reaktionen allerede sker nu, men det gør ingenting. Du skal bare springe over krystallet, hvis det allerede er sket.) Nu skal du tilsætte et krystal af natriumacetat og se, hvad der sker på dataloggeren. Når temperaturen ikke ændrer sig længere, skal du trykke på stop. Noter dine resultater her: Starttemperatur: Sluttemperatur: Tegn grafen fra dataloggeren her: Hvad viser forsøget? Hvad sker der med temperaturen, når et stof skifter tilstandsform fra flydende til fast? Hvad tror du, der sker med temperaturen, når et stof går fra fast form til flydende form? Farv rød, hvis tilstandsændringen får temperaturen til at stige. Farv blå, hvis tilstandsændringen får temperaturen til at falde. fra fast form til flydende form (smelte) fra flydende form til gasform (fordampe) fra gasform til flydende form (fortætte) fra flydende form til fast form (fryse) fra fast form til gasform (sublimere) Fortæl, hvordan energi og tilstandsændringer hænger sammen: 12
TEORETISK LÆSESTOF Tilstandsformer: Stoffer har forskellige tilstandsformer: gas, væske og fast. Et fast stof kan man kende på at det har en fast form. Formen ændrer sig ikke. Faste stoffer har den laveste energi. Atomerne bevæger sig ikke. En væske kan man kende på at det ikke har nogen fast form, men det tilpasser sig den beholder, det er i. Det vil lægge sig i bunden og få form efter beholderen. Væsker har lidt energi. Atomerne glider rundt mellem hinanden. En gas kan man kende på at det fylder hele beholderen ud. Luft og damp er på gasform. Gasser har meget energi. Atomerne flyver rundt mellem hinanden. Gasser fylder derfor mere end faste stoffer og væsker. Overgange mellem tilstandsformer: Når et fast stof bliver en væske, kalder man det smeltning. Når en væske bliver til en gas, kalder man det fordampning. Når en gas bliver til en væske, kalder man det fortætning. Når en væske bliver til et fast stof, kalder man det størkning eller frysning. Når stoffer går fra en tilstandsform til en anden tilstandform, kalder man det faseovergang eller faseskift. Det kræver energi for at få et stof til at smelte eller fordampe. Stoffet kan tage energien fra omgivelserne eller man kan tilføre energi, f.eks. varme det op. Kogepunkt For at få væsker over i dampform skal de varmes op til deres kogepunkt. Kogepunktet er den temperatur, en væske går fra væskeform til dampform. Kogepunkter afhænger af omgivelserne tryk. Væskers fordampning Når væsker koger, går de fra væskeform til dampform. Det kræver ekstra energi (varme) får at få dem til at fordampe. Den varmemængde, der skal tilføres ekstra, kaldes for væskens fordampningsvarme. Vands kogepunkt er 100 ved normalt tryk. Hvis man sætter vand under vacuum, mens det bliver opvarmet, vil det koge allerede ved temperaturer under 100. Hvis man sætter vand under tryk, vil det først koge ved højere temperaturer end 100. Det gør man f.eks. i trykkogere, hvor vandet kan blive meget varmere end 100. Fortætning Hvis man afkøler vanddampe, vil de blive til væske igen. Man siger at vanddampene fortætter, eller at der sker en kondensation. Man kender f.eks. kondens fra vinduerne, som kan have små dråber, når man vågner om morgenen. Kondensvand er vanddamp, der er blevet til dråber, fordi de har ramt en kold vinduesrude. Når vanddamp fortætter, bliver der frigivet energi til omgivelserne. 13