آزمایش اندازه گیری گرمای نهان تبخیر

آزمایش اندازه گیری گرمای نهان تبخیر

مختصری از تئوری آزمایش:

­            در این آزمایش می خواهیم ضریب هدایت حرارتی مس را اندازه گیری کنیم.

            هدایت حرارت:

اگر دمای طرفین جسمی با هم اختلاف داشته باشد، گرما از قسمتی که دارای دمای بیشتری است به قسمتی که دمایش پایین تر می باشد منتقل می شود. اگر ضخامت جسم e باشد و دمای طرفین آن    باشد، مقدار انرژی گرمایی که در زمان  از طرف گرم تر به طرف سرد تر منتقل می شود برابر است با:

که در آن S سطح مقطع جسم، k ضریب هدایت حرارتی آن است. k در دستگاه cgs بر حسب سنجیده می شود.

            شرح دستگاه:

          تمام دستگاه را درون نمد قرار می دهند تا عایق بندی شده و تعادل گرمایی آن نا چیز باشد. دستگاه از یک میله مسی تو پر که قسمت اصلی دستگاه می باشد تشکیل یافته است. یک انتهای میله، لوله باریکی به شکل مارپیچ، پیچیده شده است که با وصل کردن آن به شیر آب ، آب سرد در این لوله باریک جریان پیدا می کند. در انتهای دیگر میله مسی، فضایی موجود است که بخار آب حاصل از جوشیدن آب درون ارلن مایر وارد این محفظه شده، پس از تبادل حرارتی با میله مسی از دستگاه خارج می شود. دماسنج های A و B دمای دو نقطه از میله مسی را که به فاصله e از هم قرار دارند نشان می دهند. دماسنج A به طرف گرمتر میله نزدیک تر است.

مختصری از شرح آزمایش:

            بیشتر از نصف ارلن مایر را آب ریخته و آنرا روی توری قرار داده شده روی سه پایه می گذاریم و درپوش آنرا محکم می بندیم. حال چراغ را روشن کرده و زیر ارلن مایر قرار می دهیم. شعله را طوری تنظیم می کنیم که گرما به طور یکنواخت به ارلن مایر برسد. کمی صبر می کنیم تا آب به جوش آید و بخار حاصل از دستگاه خارج گردد. در این حال شیر آب را به آرامی باز می کنیم و دقت می کنیم جریان آب به طور یکنواخت و با دبی کم از دستگاه خارج شود. ارلن مایر را یکنواخت گرم می کنیم تا همواره بخار آب از دستگاه خارج شود. حال تقریبا دو دقیقه یک بار دمای دماسنج ها را یادداشت می کنیم و اختلاف دمای دماسنجهای A و B و اختلاف دمای دماسنجهای C و D را یادداشت می کنیم و این کار را ادامه می دهیم تا این اختلافات ثابت شود ( و نه لزوما برابر. تا 0.1 درجه اختلاف کافی است) . در چنین حالتی دمای دماسنجهای A و B و C و D را یادداشت می کنیم و بلافاصله بشر را زیر لوله

خروجی آب قرار می دهیم و مقدار آبی که در زمان معین (اینجا 1 دقیقه) از آن خارج می گردد را جمع آوری کرده و وزن می کنیم. چون دستگاه را ایزوله فرض نموده ایم، مقدار گرمایی که در زمان  از نقطه A به نقطه B رسیده است، صرف گرم شدن آبی شده که در این مدت از لوله مارپیچی عبور کرده و در بشر جمع آوری شده است. اگر درجه دماسنج های A و B را به ترتیب  قرار دهیم، حرارت هدایت شده توسط لوله مسی از نقطه A به نقطه B برابر است با:

و اگر درجه حرارت دماسنج های C و D را به ترتیب با    نشان دهیم، مقدار حرارتی که صرف گرم شدن آب جاری شده برابر است با :

لدا بنا بر تعادل حرارتی : :

از طرفی داریم:

که در آن d قطر میله مسی،  e ضخامت لوله  و c گرمای ویزه آب می باشد.

این آزمایش را با سه دبی مختلف (هر دفعه دبی را زیاد می کنیم) انجام می دهیم و برای هر دفعه k  را محاسبه می کنیم.

محاسبه k :

          در آزمایش اول داده های زیر بدست آمد:

TA(c)	TB(c)	TC(c)	TD(c)	TA-TB	TC-TD
77	58	35	21.5	19	13.5
78.8	54.2	32.1	21	24.6	11.1
78.1	52.2	31.6	21	25.9	10.6
77.6	51.6	30.7	20.6	26	10.1
77.4	51.2	31.1	20.5	26.2	10.6
77.2	50.9	30.3	20.2	26.3	10.1
77	50.8	30.1	20	26.2	10.1
76.8	50.4	30.1	20	26.4	10.1
76.8	50.5	30	19.9	26.3	10.1
76.7	50.4	29.8	19.7	26.3	10.1

و مقدار آب جمع آوری شده توسط بشر  بدست آمده است.

حال   (ضریب بدست آمده برای آزمایش اول) را بدست می آوریم:

در آزمایش دوم داده های زیر بدست آمد:

TA(c)	TB(c)	TC(c)	TD(c)	TA-TB	TC-TD
76	48.4	25.2	18.7	27.6	6.5
75.7	48	25	18.5	27.7	6.5
75.6	47.9	24.9	18.4	27.7	6.5

که   را به همان روش قبل بدست می آوریم و داریم:

در آزمایش سوم داده های زیر بدست آمد:

TA(c)	TB(c)	TC(c)	TD(c)	TA-TB	TC-TD
75.5	47.1	22.1	17.6	28.4	4.5
75.1	46	21.7	17.4	29.1	4.3
74.8	45.5	21.5	17.3	29.3	4.2
74.6	45.3	21.5	17.3	29.3	4.2
74.5	45.2	21.4	17.2	29.3	4.2

که  را بدست می آوریم:

پس در یک جمع بندی داریم:

محاسبه میانگین و خطای میانگین و تصحیح ارقام کمیت ها:

          برای بدست آوردن  داریم:

حال برای محاسبه خطای میانگین () از واریانس استفاده می کنیم:

بنا بر این:

محاسبه خطای نسبی و مطلق کمیت ها از طریق روش دیفرانسیل لگاریتمی:

          می توان k را تابعی از متغیر های :   در نظر گرفت، بنا براین:

و از طرفی :

حال خطای  را محاسبه می کنیم:

بنابر این:

و برای  داریم:

بنا بر این:

و برای  داریم:

بنابر این:

آزمایش اندازه گیری گرمای نهان تبخیر

آزمایش اندازه گیری گرمای نهان تبخیر

مختصری از تئوری آزمایش :

تعریف: گرمای نهان تبخیر مقدار حرارتی است که واحد جرم آب می گیرد تا بدون تغییر دما در فشار ثابت به بخار تبدیل شود.

اگر m گرم بخار مایعی را توسط یک میعان کننده در داخل گرماسنجی به مایع تبدیل کنیم تا دمای گرماسنج از  به   تغییر کند , در صورتی که گرمای نهان تبخیر را L , گرمای ویژه مایع درون گرماسنج را ()c, ارزش آبی گرماسنج و میعان کننده و دما سنج را A جرم مایع درون گرماسنج را M و دمای تبخیر را t بنامیم ؛ طبق تعریف تعادل حرارتی داریم :

با معلوم بودن A,M,C  و اندازه گیری (),()و() می توانL را محاسبه کرد .برای بدست اوردن    Lابتدا لازم است ابتدا ارزش ابی گرما سنج ، میعان کننده و دماسنج را اندازه گیری نمود.

شرح آزمایش:

آزمایش(1): اندازه گیری ارزش آبی مجموعه گرماسنج:

ابتدا گرماسنج را بوسیله پارچه تمیز خشک مینماییم .این گرماسنج به علت  دو جداره بودن وصیقلی بودن تبادل حرارتی ان با محیط نا چیز است لذا گرماسنج خوبی است. حال جداره خارجی میعان کننده را به وسیله پارچه تمیز خشک کرده و درون آن را در صورت امکان با حرارت خشک می نماییم. و سپس جرم آنرا اندازه می گیریم.( m)  و از منفذ موجود در درپوش گرماسنج عبور می دهیم. درپوش را در دهانه گرماسنج طوری قرار می دهبم که دو سر لوله میعان کننده در خارج گرماسنج قرار گیرد.

حالا حدود cc 450آب را تا حدود  ه 70 داخل بشر گر م کرده, سپس آنرا به دقت وزن می کنیم.() تقریبا تمام آب گرم را در گرماسنج می ریزیم . بشر خالی وآب باقی مانده را دوباره به دقت وزن می کنیم.().جرم آب درون گرماسنج از رابطه ()بدست می آید.ابتدا گرما سنج را هم زده و دمای تعادل را پس از یک حدود یک دقیقه یادداشت می کنیم.()سپس حدود cc 250   آب به دمای محیط (پس از اندازه گیری به وسیله یک دماسنج دقیق)() را به درون گرما سنج اضافه می کنیم. به روش بالا جرم دقیق آب را اندازه می گیریم.() در پوش گرما سنج را محکم می بندیم و به هم می زنیم.اکنون دمای تعادل را یادداشت می کنیم(T)  با در دست داشتن مقادیر فوق  قرار دادن آنها در رابطه تعادلی زیر مقدار A را حساب می کنیم.

آزمایش دو :

اکنون ارلن مایر را تا یک سوم ارز آب پر می کنیم ودرپوش آنرا گذاشته و روی شعله چراغ گاز قرار می دهیم. هنگامی که بخار آب از شلنگ متصل به لوله ارلن خارج شد , شعله چراغ را کم می کنیم تا خروج بخار آب یکنواخت گردد. دمای گرماسنج را یادداشت کنید.()دهانه لوله را به انتهای قسمت مارپیچ میعان کننده وصل می کنیم. بخار آب در اثر عبور از قسمت مارپیچی و تماس با محیط سردتر مایع می شود.و در مخزن میعان کننده جمع می شود. پس از حدود سه دقیقه ورود بخار آب به میعان کننده را قطع می کنیم و حدود دو دقیقه گرماسنج را هم می زنیم. از ایجاد تعادل حرارتی اطمینان پیدا کرده و دمای تعادل را یادداشت می کنیم .()حال میعان کننده را از داخل گرماسنج بیرون می آوریم .جداره خارجی آنرا خشک نموده ,وزن می کنیم.() به این ترتیب مقدار بخار آبی را که در میعان کننده به آب تبدیل شده به دست می آید.()با در نظر گرفتن رابطه تعادل حرارتی زیر, مقدار L گرمای نهان تبخیر آب محاسبه می شود