UNIVERSITATEA ŞTEFAN CEL MARE SUCEAVAFacultatea de Inginerie Alimentară

Specializarea: Ingineria Produselor Alimentare

LUCRARE DE LABORATOR

Determinarea coeficientului de tensiune superficială al unui lichid. Căldura specifică a unui corp solid

-2012-

Determinarea coeficientului de tensiune superficială al unui lichid

Scopul lucrării:

În această lucrare se va determina coeficientul de tensiune superficială al unui lichid prin metoda picăturilor, cu ajutorul biuretei. Coeficientul de tensiune superficială se va determina în raport cu cel al unui lichid de referinţă.

Teoria lucrării:

Dacă se picură lichid dintr-o biuretă, fiecare picătură se desprinde atunci când propria greutate egalează suma forţelor de tensiune superficială Fs ce se exercită de-a lungul conturului orificiului de scurgere de rază r.

m·g=2π·r·σ (1)

Cu ajutorul relaţiei (1) se poate calcula coeficientul de tensiune superficială σ dacă se cunoaşte masa m a picăturii şi raza r a orificiului pipetei (g este acceleraţia gravitaţională); m se determină prin mediere, împărţind o masă determinată de lichid la numărul de picături pe care aceasta le formează prin curgerea din capilar. Deoarece r este greu de determinat, se apelează la un lichid de referinţă pentru care cunoaştem coeficientul de tensiune superficială. Se va putea astfel elimina raza orificiului pipetei.

Pentru picătura lichidului de referinţă se scrie o relaţie analogă cu (1):m'·g=2π·r·σ' (2)

Împărţind cele două relaţii (1) şi (2) şi înlocuind masa picăturii cu produsul dintre volumul (v) şi densitatea lichidului (ρ) se obţine:

(3)

Volumele egale (V) din cele două lichide formează prin scurgere, prin acelaşi orificiu, numere diferite de picături, n respectiv n':

V=n·v=n'·v' (4)

Astfel relaţia (3) se va rescrie în modul următor:

(5)

Relaţie de calcul al coeficientului de tensiune superficială al unui lichid necunoscut în funcţie de un lichid de referinţă.

Materiale necesare:

Se utilizează o biuretă gradată montată pe un stativ (figura 1). Tubul de picurare al acesteia este suficient de subţire pentru a putea pune în evidenţă fenomenul. Picăturile formate se varsă într-un bahar de sticlă.

Fig. 1

Modul de lucru:

Se spală sticlăria de două ori cu apă distilată. Se toarnă lichidul de referinţă în biuretă (cu robinetul închis) şi se deschide uşor robinetul până când încep să se formeze picături. Se numără picăturile n' conţinute într-un volum V din lichid (bine fixat între două repere, aceleaşi, de pe tubul gradat) şi se notează în tabelul 1.

Se goleşte apoi lichidul de referinţă şi se umple biureta cu lichidul aflat în studiu. Se numără picăturile n conţinute în acelaşi volum V, ales între aceleaşi repere.

Se calculează cu relaţia (5) coeficientul de tensiune superficială al lichidului studiat şi se completează tabelul 1.

Observaţii:

Tab.1Lichid Numărul

determinăriiV Număr

picăturiMedia picăturilor Densitate

(g/cm3)σ

(N/m10-3)

Proba reper:Apă distilată

1. Iuga Mădălina

3

61

n': 60,833 ρ': 0,998

(la 20ºC)

72,800

2. Loghin Mihaela 623. Droniuc Sebastian 594. Irimiciuc Ancuţa 605. Bulat Ruxanda 606. Tuluc Veronica 63

Lichid:Alcool

1. Iuga Mădălina

3

161

n: 160,000 ρ: 0,789 21,880

2. Loghin Mihaela 1613. Droniuc Sebastian 1624. Irimiciuc Ancuţa 1575. Bulat Ruxanda 1606. Tuluc Veronica 159

Concluzii:

În concluzie, în urma acestei experienţe am determinat coeficientul de tensiune superficială al alcoolului cu ajutorul biuretei. Astfel am obţinut o valoare a coeficientului de tensiune superficială σ=

. Erorile sunt datorate faptului că picăturile au fost numărate de către mai mulţi experimentatori, deci imperfecţiunile organelor de simţ au contribuit la apariţia erorilor. Pentru a obţine o valoare cât mai exactă trebuie ca experienţa să fie realizată cu cât mai multă atenţie. De asemenea, faptul că biureta nu a fost perfect uscată în urma operaţiunii de clătire şi astfel au rămas picături de lichid a influenţat rezultatul final. Pentru o precizie cât mai mare trebuie ca biureta sa fie spălată şi uscată înainte de începerea experienţei.

Căldura specifică a unui corp solid

Scopul lucrării:

Vrem să determinăm căldura specifică a unui corp solid de masă m cunoscută, folosind metoda amestecurilor (schimbul de căldură se realizează prin intermediul amestecului de apă din calorimetru). În cadrul acestei metode vom verifica ecuaţia calorimetrică: Qabs=|Qced|.

Teoria lucrării:

Pentru a-şi modifica temperatura sau starea de agregare, corpurile trebuie sa primească sau să cedeze căldură. Cantitatea de căldură Q necesară pentru a trece masa m a unui corp de la temperatura t i la temperatura tf fără a-i schimba starea de agregare este:

Q=m·c·(tf – ti) (1)

Unde c este căldura specifică a corpului.Unitatea de măsură pentru căldură în Sistemul Internaţional este Joul-ul.

[Q]S.I.=1J

Cantitatea de căldură Q nu este o funcţie de stare (precum energia internă, entropia) ea este o funcţie de proces, depinzând efectiv de modul cum evoluează sistemul între două stări.

Căldura specifică a unui corp omogen este o mărime fizică numeric egală cu cantitatea de căldură necesară unităţii de masă din acel corp pentru a-i varia temperatura cu un grad într-o anumită transformare.

Pe un interval extins de temperatură obţinem o valoare medie a acestei mărimi:

(1')

Căldura specifică va depinde de starea sistemului deoarece, pentru o anumită substanţă, ea depinde de temperatură:

(2)

Mărimea C=m·c se numeşte capacitate calorică, iar dacă masa substanţei este egală cu masa sa molară μ, atunci C=μ·c este căldura molară a substanţei.

Unităţile de măsură pentru căldura specifică, capacitatea calorică şi căldura molară sunt:

[c]S.I.=1J/(kg·K); [C]S.I.=1J/K; [C]S.I.=1J/(Kmol·K)

Căldura specifică depinde de natura substanţei, de starea ei de agregare, de structura cristalină a acesteia şi de temperatură. Ca şi cantitatea de căldură, căldura specifică este şi o marime de proces, ea depinzând de procesul termodinamic respectiv, vorbind astfel de căldură specifică la presiune constantă (cp) sau căldură specifică la volum constant (cv); această diferenţiere nu se va mai face în cazul lichidelor sau solidelor deoarece acestea coincid în acest caz. Dacă temperatura tinde la zero absolut, căldura specifică se anulează, iar dacă temperatura creşte, căldura specifică creşte şi ea, cu unele excepţii. La temperaturi situate în jurul temperaturii camerei, căldurile specifice se pot considera că nu depind de temperatură.

Relaţia fundamentală de conservare a energiei, folosită în calorimetrie, este ecuaţia calorimetrică: Qabs=|Qced| (3)

Materiale necesare:

Pentru realizarea experienţei am folosit: calorimetru, termometru, dispozitiv pentru încălzirea apei, cilindru gradat, pahar de sticlă, corp solid, cronometru, balanţă electronică.

Calorimetrul (C), cu rol de „înveliş adiabatic”, este un vas metalic cu pereţi dubli, bine lustruit, pentru a putea împiedica propagarea căldurii prin radiaţie. Între pereţii calorimetrului se află aer cu rol de izolator termic, diminuând schimbul de căldură cu exteriorul.

Termometrul (T) va indica temperatura amestecului din interiorul calorimetrului. El poate fi un termocuplu sau un termometru cu mercur. Agitatorul (A) este folosit pentru omogenizarea temperaturii amestecului, înaintea citirii indicaţiilor termometrului. Cele două componente formează accesoriile calorimetrului.

Corpul solid (S) se recomandă a fi suspendat în vas pentru a se evita contactul cu pereţii calorimetrilui.

T A

C

Fig.1

Calculul corecţiilor de temperatură implică cunoaşterea duratei întregii experienţe. Pentru aceasta, experimentul mai necesită şi un cronometru.

Pentru a determina masa corpului solid trebuie sa dispunem de o balanţă de laborator. Cantităţile de apă luate în lucru vor fi evaluate cu ajutorul cilindrului gradat şi încălzite într-un vas special conectat la o sursă de curent.

Modul de lucru:

Determinarea masei corpului solid:

Se cântăreşte cu balanţa corpul solid, a cărui căldură specifică o vom determina, notându-se în tabelul 4 masa corpului m. Se introduce corpul într-un vas cu apă şi se încâlzeşte până la temperatura de fierbere a apei (t=100ºC). În paralel se continuă celelalte etape ale experimentului.

Determinarea capacităţii calorice a calorimetrului:Se introduce în calorimetru, cu ajutorul cilindrului gradat, o cantitate m'a de apă rece (la o temperatură

mai mică decât a medului exterior) şi după stabilirea echilibrului termic cu calorimetrul se măsoară temperatura acestora t'.

Se încălzeşte apoi o altă cantitate de apă ma” până la temperatura t” (mai mare decât a mediului exterior), pe care o vom citi cu termometrul imediat înainte de a o vărsa peste apa din calorimetru. Apoi se închide etanş capacul calorimetrului şi folosind agitatorul se aşteaptă stabilirea echilibrului, adică stabilizarea temperaturii. Temperatura de echilibru este notată cu t0 şi se trece în tabelul 1.

S

Se calculează apoi capacitatea calorică a calorimetrului folosind formula:

Determinarea căldurii specifice a unui corp solid:

În momentul în care vasul cu apa care conţine corpul a încetat să fiarbă se măsoară temperatura apei din calorimetru t1. Se porneşte imediat cronometrul şi se va nota această temperatură, din minut în minut, timp de 5 minute. Acest timp este suficient pentru ca temperatura corpului sa devină egală cu temperatura de fierbere a apei.

În calorimetru se află o cantitate de apă ma=m'a+ma”.Corpul studiat se introduce în calorimetru (are temperatura de fierbere a apei t≈100ºC). Imediat apoi se

notează temperatura amestecului din 30 în 30 de seecunde până la stabilizarea temperaturii, agitându-se apa înainte de fiecare citire a termometrului.

După ce temperatura va atinge acest maxim se continuă măsurarea temperaturii din minut în minut, timp de 5 minute, înregistrându-se tendinţa de scădere. Se notează valorile în tabelul 2 şi se reprezintă grafic variaţia temperaturii în funcţie de timp.

Observaţii:

Tab.1: capacitatea calorică a calorimetruluima'(g) t'(ºC) ma”(g) t”(ºC) t0(ºC) δm'=δm” δt'=δt” ca (J/gK) δca C (J/grd) δC49,98 22 49,65 35 28,2 0 0 4,176 0,01 18,52 0,04

v=50 ml

Tab.2: variaţia temperaturii cu timpul τ1 τ2 τ3 τ4 τ(min) 0 1 2 3 4 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 10 11 12t(ºC) 28 28 28 28 28 27,9 30 31 32 32,2 32,1 32 32 32 31,8 31,7 31,5

t1 t2 t3 t4

Variaţia temperaturii cu timpul

28 27,9

30

31

32 32,231,5

25

26

27

28

29

30

31

32

33

0 5 5,5 6 6,5 7 12

Timp (min)

Tem

per

atu

ra

Tab. 3:τ1(min) t1(ºC) τ2(min) t2(ºC) τ3(min) t3(ºC) τ4(min) t4(ºC) δτ δt Δt(ºC) δ Δt

0 28 5 27,9 7 32,2 12 31,5 3,5 1,95 0,06 3,05

Tab.4: căldura specifică a copului:m (g) δm t(ºC) ma(g)

(=m'+m”)δm

(=δm'+δm”)ca (J/gK) δca c (J/gK) δc

67,1620 0 100 99,63 0 4,176 0,01 0,41 2,01

Concluzii:

În concluzie, în urma acestui experiment am obţinut o căldură specifică a corpului solid studiat c=0,41 J/gK. Astfel, conform anexei 1 corpul este confecţionat din oţel. Capacitatea calorică a calorimetrului este C=18,52 J/grd. Erorile de măsură pot avea drept cauză poziţia incorectă în care s-a făcut citirea. Faptul că au lucrat mai mulţi experimentatori poate de asemenea determina apariţia erorilor. Pentru a le evita şi pentru a obţine rezultate cât mai apropiate de realitate trebuie ca experienţa să fie făcută corect, cu multă atenţie şi în condiţii de laborator.

ANEXA 1