Proef Warmtecapaciteit berekenen van een thermosbeker
Matthijs stelde deze vraag op 08 februari 2024 om 20:49.Goededag,
Voor een natuurkunde practicum moet ik de warmtecapaciteit van een thermosbeker bepalen. Hiervoor moest ik als voorbereiding een plan van aanpak maken, maar ik weet niet zeker of het zal werken. Zou u misschien een feedback kunnen geven op mijn PVA hieronder? Alvast dankuwel!
Met vriendelijke groet,
Matthijs
PVA Natuurkunde: Proef Warmtecapaciteit berekenen van een thermosbeker
Benodigdheden
· 1 maatbeker met 100ml kokend water
· 1 maatbeker met 100ml kamertemperatuur water
· 1 Elektrische waterkoker
· 1 Thermosbeker
· 1 Thermosmeter
Benodigde formules
- Soortelijke warmte Q = c·m·ΔT
- Warmtecapaciteit C = Q/ΔT
- Qopgenomen kraanwater + Qopgenomen thermosbeker = Qafgegeven kokend water
- (c · mwater · ΔT1) opgenomen kraanwater + (C · ΔT1) opgenomen thermosbeker = (c · mwater · ΔT2) afgegeven kokend water
Constantes
- cwater = 4,18 · 103 J kg-1 K-1
- mwater = V · ρ = 100 · 10-6 m3 · 0.9982 · 103 kg m-3 = 0,09982 kg
Stappenplan
1. Stop 100ml kamertemperatuur water in de thermosbeker
2. Meet T1 begin (kamertemperatuur water) en meet T2 begin (kokend water), noteer in werkblad
3. Stop 100ml kokend water in de thermosbeker
4. Mix het water
5. Meet elke 2 minuten de temperatuur voor 6 minuten Noteer de Teind in werkblad
6. Gebruik de laatste Teind om ΔT1 = Teind – T1 begin uit te rekenen
7. Gebruik de laatste Teind om ΔT2 = Teind – T2 begin uit te rekenen
8. Vul alle waardes in de balans, alleen C is nog onbekend
(c · mwater · ΔT1) opgenomen kraanwater + (C · ΔT1) opgenomen thermosbeker = (c · mwater · ΔT2) afgegeven kokend water
9. Vind C
Reacties
Dat ziet er een net, volledig plan uit.
Slechts één bedenking, ik zie nergens opmerkingen/handleiding om te voorkomen dat ergens in je stappenplan op een of andere wijze warmte-uitwisseling plaatsvindt tussen je systeem en de omgeving. Bijvoorbeeld die stap "4. Mix het water", daar mag op dit gebied wel wat vlees op de botten denk ik.
Oh, en een thermosmeter, wat is dat voor iets? Of is dat maar een suffe typefout?
Groet, Jan
Wat je schrijft, lijkt me een goede aanzet.
a. Voor een betrouwbaar resultaat is het van belang, dat de gehele binnenzijde van de beker dezelfde eindtemperatuur bereikt. In totaal komt er 100+100 mL water in de beker. Is de beker dan vol? Zo niet, overweeg er meer water in te doen zodat hij geheel gevuld is.
b. Punt 3, 4 en 5: het is mogelijk dat de beker met inhoud al binnen 6 minuten merkbaar afkoelt door warmte-afgifte aan de omgeving en verdamping van water. Deze afkoeling is niet in je werkwijze meegerekend en moet daarom tot een minimum worden beperkt. Meet Teind van het geheel daarom zo snel mogelijk. Zou dat 2 minuten na toevoeging van het hete water en roeren al kunnen?
c. Je noteert als energiebelans, verkort:
(c·mwater·ΔT1)op,kraanwater + (C·ΔT1)op,beker = (c·mwater·ΔT2)af,kokend water
Dat kan zo, mits alle drie porties warmte positief worden genomen.
Elke ΔT is dan positief, dus ΔT=Thoog–Tlaag.
Je punt 7: voor het hete water geldt dan ΔT2=Tbegin–Teind en niet andersom.
Dit wijkt af van wat we bij de delta-notatie meestal zien: eind–begin.
d. Indien mogelijk voer je een herhaalmeting uit: alles hetzelfde nog een keer. Zo krijg je een indruk van de reproduceerbaarheid en betrouwbaarheid van je resultaat.
Tot zover de opzet met 100 mL koud en 100 mL heet water.
Maar… één proefje is géén proefje.
Je resultaat kan betrouwbaarder worden als je een en ander varieert.
Dat kan op verschillende manieren. Een voorbeeld…
Richt je experiment zo in, dat je meerdere porties kraanwater met dezelfde temperatuur beschikbaar hebt, zoals een voorraadvat met koud water van Tk=15 ºC. En een waterkoker die meerdere porties heet water levert met dezelfde watertemperatuur, zeg Th=95 ºC.
Stel dat de beker geheel gevuld is met een totale watermassa m=0,200 kg.
Dit zijn vaste waarden voor een stuk of 3 à 5 metingen met verschillende massa's mk koud water, zoals
• mk=50 g en de rest mh=150 gram heet water, samen m=200 g
• mk=100 g en de rest mh=100 gram heet water
• mk=150 g en de rest mh=50 gram heet water
Meet in alle gevallen de eindtemperatuur Te van het water en de beker.
Maak een diagram met mk op de horizontale as en Te op de verticale as.
Uit je energiebelans volgt dat je idealiter een dalende rechte kunt verwachten. Ga dit na door de energiebalans uit te schrijven.
Bereken met je grafische rekenmachine (of Excel, Python, …) de wiskunde-vergelijking Te=b+a·mk van de rechte grafiek die het best past bij de meetpunten. Deze rechte wordt soms trendlijn genoemd.
Uit de waarden van a en b volgt de waarde van de warmtecapaciteit C die het best past bij de metingen. Je kunt C berekenen uit
• de gemeten Tk en Th en de totale m, die bij elke meting hetzelfde zijn
• de soortelijke warmte c van water
• het quotiënt –b/a, dat is de mk waarbij de rechte grafiek de horizontale as snijdt
Deze methode geeft in beginsel een waarde van C die betrouwbaarder is dan via een enkele meting. Elke meting is onvermijdelijk behept met afwijkingen. Door a en b van de best passende rechte grafiek te gebruiken, worden deze afwijkingen 'uitgemiddeld'. Bovendien kan deze werkwijze informatie geven over eventuele 'systematische fouten' in het experiment.
Groet, Jaap