Värma vatten - observations experiment

Laboranter: Isabell, Shilma & Louise

Experimentets syfte var att undersöka sambandet mellan den tillförda energin och temperaturökningen vid uppvärmning av vatten. Alltså om och hur energitillförseln är proportionell till temperaturökningen. Hur beror temperatur på tillförd energi.

Metod:

Uppställningen av material: våg, termometer, termos med vatten, doppmätare.

Inte med på bild: Tidtagarur

En termos fylldes med 0,3 kg vatten, som värmdes upp med en doppvärmare. Första mätningen varade i 60 sekunder, då den aktuella temperaturen noterades. Därefter antecknades vattnets temperatur för var 30:e sekund. Vattnet värmdes under totalt 5 minuter.

Efter det laborativa beräknades temperaturförändringen genom att starttemperaturen subtraherades från de aktuella temperaturerna

Doppvärmaren har en effekt på P = 300 W. Det vill säga att doppvärmaren levererar 300 J/s (Joule per sekund) från eluttaget till vattnet.

Den tillförda energin beräknades genom sambandet E = t · P, alltså energin är lika med tiden (i sekunder) för hur länge doppvärmaren varit i nedsänkt multiplicerat med doppvärmarens effekt. Med hjälp av Microsoft Excel gjordes en matematisk analys av mätvärde och en passande funktion togs fram.

Resultat:

Tabell över tid (t), temperaturförändring (T), och energin (E)

Graf över hur energin beror på temperaturförändringen, med anpassad trendlinje.

x = temperaturförändringen, y = mått på den tillförda energin

Y = 1,3x + 2,4, ekvationen den anpassade trendlinjen efter laborationens data, gav.

Sambandet mellan tillförd energi och temperaturförändring söktes, vilket bestäms av k-värdet;

Y = 1,3x

k-värdet = 1,3 kJ/ºC är sambandet mellan den tillförda energin och uppvärmningen,

E = k · ΔT

E = m · c ·  ΔT, då x = ΔT ger det att k = m · c

c = k/m

– > c= 1,3/0,3 kg

– > 4,33 kJ/(kg · ºC) = specifika värmekapacitet för vatten enligt detta experiment

Diskussion

Temperaturförändringen är den oberoende variabeln, det ger att energin är den beroende, vilket betyder att energin beror på hur hög temperaturen tilläts förbli. Enligt grafen kan man se att temperaturförändringen är proportionell mot energitillförseln. Hur den är proportionell kan bestämmas genom anpassningen av en funktion till värdena.

Funktionen fick en linjär form eftersom y = 1,3x + 2,4, där m-värdet 2,4 innebär att om vi hade börjat mäta från en temperaturförändring på 0 ºC hade energitillförseln varit 2,4 kJ. Funktionen ger att temperaturen beror på energin enligt y = 1,3x, där förhållandet är k-värdet 1,3.

K-värdet 1,3 kJ/ºC är sambandet mellan den tillförda energin och uppvärmningen.

Y = 1,3x, alltså E = k · ΔT

k-värdet = 1,3 kJ/ºC är ett samband mellan den tillförda energin och uppvärmningen.

Det direkta sambandet kan lösas ur E = m · c ·  ΔT

då x = ΔT ger att k = m · c

c = k/m

-> c= 1,3( kJ/ºC ) / 0,3 kg

-> 4,33 kJ/(kg · ºC) = specifika värmekapacitet för vatten enligt detta experiment

Sambandet E = m · c ·  ΔT,

(Upptagen energi = konstant · massa · temperaturökningen), är härledd från ett antal tester och sammanfattats till att den tillförda energi och materians massa samt temperaturökning är proportionella mot varandra.

Värme uppstår när energi flödar från ett varmt område (med högre energimängd) till ett kallare (med lägre energimängd). Detta ger att vid uppvärmning ökar den genomsnittliga inre rörelseenergin då energi tillförs från en yttre energikälla. Inre rörelseenergi menas med den totala rörelseenergin alla molekyler/atomer/partiklar i massan i det förslutna systemet innehar.

Med specifik värmekapacitet bestäms det med hur mycket energi det behövs för att värma 1kg av en massa i fast/flytande/gas form, med 1ºC.

En systematisk felkälla för experimentet är de energiförlusterna inträffade under laborationens gång. Värme är energi som flödar, och en energifördelning (mer och mindre totala inre energin) inom ett system strävar alltid efter en jämlik fördelning, såvida det inte finns hinder/begränsningar.

Energin från doppvärmaren gick utöver till att värma vattnet även till att värma upp omgivningen, det vill säga termosen, doppvärmaren och luften. Detta eftersom termodynamikens första huvudsats säger att energi endast kan omvandlas mellan olika former. Dessutom tyder termodynamikens andra huvudsats att värmeenergi endast kan flöda från en riktning, varmare till kallare. Eftersom luften och omgivningen var kallare/innehåll mindre inre energi än vad det progressivt uppvärmda vattnet gjorde, strömmade värmen till dessa ställen med.  Desto längre tid som användes att värma upp vattnet (att ha kvar doppvärmaren i vattnet) desto större blev energiförlusten eftersom mer värme hann strömma från vattnet till allt i kontakt med vattnet, vilket värms proportionellt.

Hinder uppgjordes i vårt experiment delvis av termosen, vilket isolerade och förhindrade att värme strömmade ut från sidorna, men luften ovanför samt själva doppvärmaren blev fortfarande uppvärmda. Alltså kan c-värdet ha blivit för högt då mer energi användes än nödvändigt.

För att förhindra att luften tar utav den tillförda energin, kan experimentet utföras i ett helt slutet system. Till exempel kan termosen ha ett lock eller liknande för att förhindra uppvärmningen av luften. Dessutom bör en doppvärmare med en hög verkningsgrad användas, det vill säga att den energin doppvärmaren drar från uttaget alstrar/omvandlar näst intill 100 %.

Andra felkällor är stokastiska felkällor där avrundningar av tal vid beräkning inträffade.

Slutsats:

Eftersom massan i laborationen var konstant, ingick det i k-värdet (en konstant) via multiplicering med vattnets specifika värmekapacitetet. Energin var den beroende variabeln, alltså Y i ekvationen och x är den som varierar alltså temperaturändringen.

Från denna laboration fanns att sambandet mellan tillförd energi och temperaturökning vid uppvärmning av vatten var 4,33 kJ/(kg · ºC), alltså att det krävs 4,33 kJ för varje ºC och kg vatten ska värmas. Detta kan också kallas vattnets specifika värmekapacitet = c-konstanten i sambandet E = m · c ·  ΔT.