9

Лабораторная работа 2

Сравнение температуры плавления и температуры отвердевания кристаллического тела

Цель работы: исследовать процесс кристаллизации воды: в пробирке при охлаждении ее в воде со льдом и процесс плавления льда в пробирке при помещении ее в теплую воду.

Введение

Вещества в твердом агрегатном состоянии можно условно разделить на аморфные и кристаллические. Вода в твердом состоянии — это лед, который имеет четко выраженную кристаллическую структуру. Кристаллические вещества отличаются от аморфных наличием определенной температуры, при которой они могут перейти в другое агрегатное состояние — жидкость. Наблюдения за процессом плавления показывают, что каждое кристаллическое тело плавится при определенной температуре. Эту температуру принято называть температурой плавления вещества. Одни кристаллические тела плавятся при низких температурах, другие – при высоких. Во время плавления температура кристаллического тела и образующейся жидкости одинакова и остается неизменной до тех пор, пока все тело не расплавится. Эта особенность связана с внутренним строением кристаллического тела. При его плавлении поступающая извне энергия идет на разрушение кристаллической структуры тела. Когда вся кристаллическая решетка разрушится, начинается процесс передачи энергии для увеличения скорости теплового движения молекул и, следовательно, повышение температуры.

Описание эксперимента

В этой работе вам предлагается исследовать температуру кристаллизации воды и температуру плавления льда по графику зависимости температуры вещества от времени.

Измерение температуры будет производиться с помощью датчика температуры.

При охлаждении воды ее температура будет понижаться до начала отвердевания. Далее температура жидкого и твердого веществ будет оставаться постоянной, пока вся жидкость не отвердеет. Этот момент соответствует завершению процесса кристаллизации воды. Затем температура вещества вновь начнет понижаться.

При нагревании пробирки со льдом будет наблюдаться обратный процесс. Температура льда вначале будет повышаться до температуры плавления (0 ºС). Начиная с некоторого момента, температура воды со льдом будет оставаться неизменной (несмотря на дальнейшее нагревание пробирки) до тех пор, пока весь лед не растает и не превратится в воду. Этот момент соответствует завершению процесса плавления льда. Только после того как в пробирке останется одна вода, температура вещества снова начнет повышаться.

Оборудование и материалы

Оборудование, необходимое для проведения лабораторной работы, показано на рисунке 1.

Рис. 1

№	Наименование	Количество оборудования на одну бригаду
1	Пластмассовый стакан на 1000 мл (термостойкий), цена деления 100 мл	1
2	Мензурка на 100 мл ( термостойкая), цена деления 5 мл	1
3	Пробирка термостойкая	1
4	Штатив с муфтой и лапкой	1
5	Палочка для перемешивания (стекло)	1
6	Датчик температуры	1
7	УИОД	1
8	ПО LabQuest App
	Реактивы
9	Дистиллированная вода	5 мл
10	Лед (кубики)	100 г
11	Поваренная соль	20 г

Схема экспериментальной установки

Схема и фотография экспериментальной установки представлены на рисунках 2 и 3.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки

Рис. 3. Стакан со льдом и размещенная в нем пробирка с водой, в которой находится датчик температуры

Задачи

1. Построить график зависимости температуры воды от времени при охлаждении вещества.

2. Проанализировать график и определить температуру кристаллизации.

3. Построить график зависимости температуры льда от времени при нагревании вещества.

4. Проанализировать график и определить температуру плавления.

5. Сравнить полученные данные.

6. Сделать выводы.

Выполнение эксперимента

I часть: отвердевание воды

1. Ознакомьтесь с общими правилами техники безопасности при проведении практических работ в кабинете физики.

2. Перед началом работы необходимо проверить подключение и работу датчика температуры. Для этого необходимо подключить датчик к УИОД, выбрать в меню ФАЙЛ пункт НОВЫЙ. Датчик должен определиться автоматически, тогда на экране устройства и на доске класса при проецировании программы Эмулятора, вы увидите изображение, показанное на рисунке 4.

Рис. 4

3. Измените Частоту замеров датчика на 0,1 Гц и Время эксперимента на 900 с. Через 15 мин эксперимент прекратится автоматически.

4. Соберите экспериментальную установку в соответствии с рисунками 2 и 3. Наполните мерный стакан льдом на 1/3 его объема, затем налейте в него воду (100 мл) (рис. 5).

Рис. 5

5. Налейте в пробирку 5 мл дистиллированной воды с помощью мензурки. Закрепите пробирку в лапке штатива так, чтобы пробирка оказалась над водой со льдом в мерном стакане (водяной баней). Поместите датчик температуры в пробирку с водой, как показано на рисунке 2. Через 30 с после начала опыта, опустите пробирку с датчиком температуры в воду. Запустите процесс измерения, нажав кнопку .

6. Добавьте в мерный стакан 5 ложек поваренной соли и тщательно перемешайте палочкой. Продолжайте перемешивать содержимое стакана (водяной бани) до полного растворения соли.

7. Аккуратно перемещайте датчик температуры в пробирке в течение 10 мин. Убедитесь, что во время образования льда датчик находится во льду, а не над ним. Через 10 мин прекратите перемещать датчик и дайте ему вмерзнуть в лед.

8. Остановите процесс измерения, нажав кнопку . Примерный график изменения температуры воды при кристаллизации, который вы должны получить, показан на рисунке 6.

Рис. 6

Аккуратно поднимите пробирку вверх и закрепите ее в лапке штатива выше стакана со льдом. Заполните таблицу 1. Результаты изменения температуры воды до ее кристаллизации.

II часть: плавление льда

Внимание! Во время проведения второй части работы не перемещайте датчик температуры в пробирке и не вынимайте его из пробирки (рис. 7).

Рис. 7. Датчик температуры вмерз в лед

1. Уберите стакан со льдом.

2. Налейте в стакан теплую воду (250 мл) и поставьте его на штатив. Через 1—2 мин после начала измерения опустите в него пробирку (рис. 8).

Рис. 8. Процесс плавления льда

3. Наблюдайте за показаниями устройства. Дождитесь автоматической остановки процесса измерения. Процесс измерения можно прекратить при достижении температуры воды 7—10 ºС.