Applikationsexperiment- vilket ämne är det?

Inledning:

Dagens experiment är ett applikationsexperiment vilket är ett experimentet där
vi med hjälp av vår hypotes från föregående experiment ska försöka lösa ett problem. Alltså kan vi använda E=c*m*DT för att lösa ett problem? Det problem som ska undersökas är vilken ämne en okänd metallbit är. För att undersöka detta problem tog vi reda på metallens specifika värmekapacitet som sedan jämfördes med en formelsamling. För att med säkerhet kunna bestämma vilket ämne metallen var beräknades även metallens densitet.

Metod & Material:

Följande metod genomfördes för att ta reda på metallens värmekapacitet:

Bild1. Den okända metallen.

En termosflaska fylldes med 470,85g vatten och dess temperatu
r och massa antecknades. Metallen vägdes och dess massa antecknades. Därefter värmdes den okända metallbiten till 100*C i en separat bägare med hjälp av en doppvärmare. När metallen hade nått den önskade temperaturen fördes den med försiktighet ner i termosen med hjälp av en tång. Det skedde en konstant omrörning av vattnet tills temperaturen på vattnet hade hamnat i jämvikt. Sluttemperaturen antecknades.

För att få ett mer exakt värde på värmekapaciteten beräknades även termosens värmekapacitet. Den beräknades genom att först mäta temperaturen på termosen, samt fylla en bägare med 0,470kg vatten. Vattnets starttemperatur antecknades, och vattnet fördes därefter ned i termosen. När temperaturen hade hamnat i jämvikt antecknades sluttemperaturen.

För att beräkna densiteten på metallbiten användes formeln: P=m/V. Metallen vägdes på en våg och massan antecknades och dess volym mättes med linjal. För att beräkna metallens volym användes formeln för att beräkna volym på en cylinder.

Bild 2. Experimentuppställningen.

Resultat:

Vattnets specifika värmekapacitet=4000J/Kg*K
C,vattnets universella specifika värmekapacitet= 4190J/Kg*K
Vattnets starttemperatur: 12,1°C
Termosens temperatur: 20,2°C
Vattnets sluttemperatur: 12,5°C

Termosens värmekapacitet med det C värde som vi fick fram i observationsexperimentet, C=4000J/Kg*K:

Med hjälp av energiprincipen, kan den värme som termosen mottar(E₁) likställas med den värme som vattnet avger (E₂) och följande formel fås fram:

E₁ = E₂

C* ΔT₁=C*m* ΔT₂

C= C*m* ΔT₂/ ΔT₁

Sedan stoppas de kända värdena in i funktionen:

Termosens värmekapacitet med det universella talet på vattnets specifika värmekapacitet vilket är C=4190J/Kg*K:

På samma sätt som jag räknade ut termosens värmekapacitet räknades metallens specifika värmekapacitet. Metallen avger värme (E₂) som termosen och vattnet tar emot (E₁) .

Resultaten från metallens specifika värmekapacitet:

C, Vattnets specifika värmekapacitet=4000J/Kg*K
C_u ,vattnets universella specifika värmekapacitet= 4190J/Kg*K

m₂, metallens massa=0,279kg
m_v, vattnets massa=0,470kg
ΔT_1, vattnets temperaturförändring= 10,7°C-9,3°C
ΔT_2, metallens temperaturförändring= 100°C -10,7°C

Energiprincipen ger:
E₂=E₁

C*m₂* ΔT₂₌ (C+C_v*m_v) ΔT_{1   =}
C=(C+C_v*m_v) ΔT₁ / m₂* ΔT₂

Med de kända värdena insatta, där C=4190, ger:

C*0,279(100-10,7)=102,3+4190*0,470(10,7-9,3)

C= 102,3+4190*0,470(10,7-9,3)/0,279(100-10,7)J/kg*K

C=116,4 J/kg*K=0,12 KJ/kg*K

Med de kända värdena insatta där C=4000, ger:

C=116,14 J/kg*K=0,12KJ/kg

Metallens densitet: 

 

Diskussion:

Ur resultaten kan metallens specifika värmekapacitet avläsas som 0,12KJ/kg*K. Detta kan avläsas i en formelsamling och följande ämnen har en specifik värmekapacitet som liknar de resultat som vi fick fram: Bly (0,13 KJ/kg*K), Platina (0,13 KJ/kg*K), Tantal(0,14 KJ/kg*K), Uran(0,12 KJ/kg*K), Vismut (0,12 KJ/kg*K) och Volfram (0,13 KJ/kg*K). Det ämne som är mest troligt utifrån metallens utseende är bly. Men för att öka säkerheten på resultatet kan vi jämföra med den andra undersökningen. Metallens densitet var 11,35g/cm³. Ur formelsamlingen kan blys densitet avläsas som 11,3 g/cm³ vilket överensstämmer med vårt resultat.

Densiteten på metallen skiljde sig något från blys densitet. För att öka sannolikheten på resultaten skulle man kunna varit mer noggrann vid mätning av metallen. Dessutom skulle man kunna beräknat dess densitet genom att göra som vi gjort i ett tidigare experiment. Genom att beräkna volymökningen när man stoppar ner metallen i en volym vatten.

Varför resultatet på värmekapaciteten inte stämde överens exakt med blys specifika värmekapacitet beror på flertal faktorer. När vi lyfte metallen från bägaren till termosen avgavs värme från metallen till tången och omgivningen för att jämna ut temperaturskillnaden (termodynamikens andra huvudsats). För att minska energiförlusterna skulle en bomullstråd använts för att överföra metallen från bägaren till termosen samt skulle vi ha varit snabbare med själva överföringen av metallen. Vi använde oss av en termos istället för en bägare då en termos isolerar värmen mycket bättre och på så sätt minskas energiförlusterna. Vi skulle använt ett lock för att minska värmeförlusterna. Dessutom var inte vattnet rumstempererat utan vattnet var 9,3grader. Detta kan ha haft en inverkan på resultaten, då enligt termodynamikens andra huvudsats, försöker luften att utjämna den skillnad som finns mellan det kalla vattnet och det rumstempererade luften. Därför skulle rumstempererat vatten använts istället. 

Som i tidigare experiment kan omrörningen av vattnet haft en inverkan på resultaten. Då värmen centreras i mitten av bägaren om man inte rör om vattnet. Vi försökte att hålla en konstant omrörning. Med bättre utrustning och material skulle ett mer sanningsenligt resultat fåtts.

Det C värde som vi fick fram från de tidigare experimenten är också en felkälla. Då värdet skiljer sig något från det universella värdet på vattnets specifika värmekapacitet. Därför räknades det med båda C värdena. Ur resultatet kan man avläsa att dessa två värden endast skiljer sig med decimaler.  

Troligtvis har dessa felkällor haft en subtil påverkan på våra resultat då resultaten stämde nästan överens med både metallens bly densitet och värmekapacitet.  

Slutsats:

Metallen är bly.