LABORATION (2B1111) KVÄVETS ÅNGBILDNINGSVÄRME Thomas Claesson KTH, IMIT, Materialfysik E-post: tcl@kth.se
060321/tc MÅLSÄTTNING 1. att bestämma ångbildningsvärmet, ångbildningsentalpin, experimentellt 2. diskutera och uppskatta osäkerheten i bestämningarna 3. få erfarenhet av lågtemperaturexperiment RISKER Vid atmosfärstryck kokar kväve vid 77.5.K. Denna extremt låga temperatur kan människan inte känna, men vid nedkylning känns det som om det bränns. En stunds nedkylning av huden i flytande kväve leder till skador genom blåsbildning. Huden vitnar och nerverna och cellerna förstörs vid något längre exponering. Flytande kväve beter sig som en vanlig vätska, man kan hälla det från kärl till kärl, den kan sugas upp av kläder eller av handskar. Kommer den i kontakt med hud hinner den i regel koka bort innan någon skada skett, man kan utan risk raskt sticka ner ett finger i flytande kväve, ett ångskikt bildas runt fingret som skyddar, ungefär som vatten på en het kokplatta. Man bör komma ihåg att vid fasomvandlingen från vätska till gas sker en kraftig volymökning, täpp därför inte gärna till behållare med flytande kväve hårt, ett stort tryck kan uppstå innanför inneslutningen. Volymökningen är nära 700 gånger! En lurig grej är att om man använder vanliga former av korkar kan dessa frysa fast pga vattenångan i luften så att kvävet inte kan pysa ut. Vid en sådan situation kan kärlet helt enkelt sprängas efter en tid. Det är bäst att låta kärlet vara öppet och att låta kvävet sakta koka bort. Eftersom det finns risk för stänk bör man ha skyddsglasögen, fyll på kärl som står på golvet på lite distans från ansiktet. Handskar kan vara lömska, får man in kväve stannar det kvar mot huden alltför länge och kan orsaka skador, handskar brukar rekommenderas, men t.om. speciella handskar kan bli spröda och snarare förstärka skaderisken. Kvävenedkylda material värms upp ganska långsamt och kan under en tid orsaka köldskador om man håller dem i handen. ARBETSUPPGIFT Att bestämma kvävets ångbildningsvärme så bra man kan med utrustningen och uppskatta osäkerheten, samt ange felkällor.
GENOMFÖRANDET Kväve kommer att koka om värme tillförs, vi gör det helt enkel med ett motstånd där vi kan mäta tillförda effekten i W (J/s). Men eftersom kvävets koktemperatur är långt under rumstemperatur tillförs värme på flera andra sätt. Dessa felkällor skall man identifiera och förklara. Dom ger fel i mätningarna som man måste få bukt med eller uppskatta i varje fall. Ett bra sätt är att inte tillföra energi till motståndet och studera vad som händer, kvävet kokar nu bort piga den oundvikliga externa värmetillförseln och man kan få en uppfattning om dess storlek (dovs ta det lugnt, vänta och se) När man startar en mätserie med motståndets tillförsel av energi dovs man mäter massminskningen som funktion av tillförd energi, kan man prova olika tillförda effekter. Man kan ju tänka sig att med kraftigare energitillförsel minskar man den relativa betydelsen av övrig oönskad tillförsel av värme. Man måste dock se opp, drar man på för mycket sprängs motståndet sönder, lugn, det bara delar på sig och blir obrukbart. Man måste nu ta upp tabeller i tider, viktändring och tillförd effekt. Man kan göra upp diagram och med någon metod lösa ut ångbildningsvärmet ur en lutning av en kurva, men när man väl har en bra tabell finns olika sätt. Ta med alla mätningar, tider etc. i tabellen så löser det sig. Anm. Moderna vågar nollställer sig efter en tid, vilket komplicerar experimenterandet. Fundera också på motståndets effekt och vilka strömmar och spänningar som är rimliga att använda. REDOVISNING Skissa en bild på hur experimentet går till Redovisa en utförlig detaljerad tabell med tider och alla mätvärden, tänk igenom hur den bör optimeras Visa gärna grafer ur vilka ångbildningsvärmet bestäms, men observera att man kan göra detta på olika sätt, om ni kan motivera ett bra sätt blir det guldstjärna (vi har massor) Gör felkalkyl Ange felkällor och eventuellt vad som skulle minska dessa, kablar tex.? Försök få fram felgränser. GOOD LUCK!!! be Rapport inom en vecka, anmälan måste göras om sen ankomst.
FELKALKYL Om ångbildningsentalpin beräknas ur ekvationen l=-p/k där P är tillförd effekt och lutningen k hos den kurva som beskriver hur massan flytande kväve minskar med tiden pga förångningen fås säkerheten ur en kombination av beräkning av effekt eller tillförd energi, lutningen av kurvan och tillskottet från omgivningen av tillförd effekt. P=UI innehåller osäkerhet för både U och I. dp och di är osäkerheterna och de relativa osäkerheten blir du/u och di/i. Osäkerheterna adderas kvadratiskt Dvs (dp /P) 2 =(di/i) 2 +(du/u) 2 Linjens lutnings osäkerhet kan fås ur minstakvadratmetoden (tips för MS Excel, se Tools -> Data Analysis -> Regression.) För ångbildningsentalpin får man (dl/l) 2 = (dp/p) 2 + (dk/k) 2 Slutresultatet blir l±dl J/g för de olika effektnivåerna, jmf med litteraturvärden kolla helst innan rapporten skrivs Man kan plotta mot 1/P och extrapolera mot l/p=0 för att eliminera inverkan av omgivande rummet. Än en gång, med en bra och innehållsrik tabell med mätdata kan man lättare förstå vad som kan göras, plottas etc. Tips: tiden för experimentet är av storleksordningen timmar; detta kan komma att modifieras med andra motstånd, utvecklingsarbete pågår. Kolla gärna tabeller om ni har andra förslag på medier man kan använda i labben. Med doppvärmare från Claes Ohlsson kan man nog göra labben med vatten. Men flytande kväve är det lite mer spännande, eller hur? (SOS=112).