Testexperiment Specifik värmekapacitet

Inledning

Tidigare experiment (” Observationsexperiment: vattnets specifika värmekapacitet”) visade att det finns en specifik värmekapacitet för vatten, den visade sig vara 4,018 kJ/kg *  ̊C.

Med specifik värmekapacitet menas att det finns en viss energimängd (4,018 kJ) som kommer värma 1 kg vatten en 1  ̊C. Som ses i formeln nedan är c (specifika värmekapaciteten) proportionell den tillförda energimängden.

Detta är ett samband som generellt kan skrivas E = c*m * ΔT.

     i vårt experiment c=4,018kJ/ kg *  ̊C

I experimentet kommer vi testa om hypotesen att E = c*m * ΔT är korrekt. Dvs. att temperatur ökningen är beroende 
av energitillförseln. 

Bild 1. Experimentuppställning(bortse från kortlek)

Metod

För att kunna testa hypotesen blandade vi två massor med vatten med olika temperatur. När dessa vattenmassor med olika temperatur blandas får den nya totala vattenmängden en ny temperatur. Den kan både beräknas med hjälp av det värde på den specifika värmekapaciteten som fanns under observationsexperimentet.

Sedan gjordes en jämförelse med den faktiska temperaturen i vattenmassan. Om vi får samma svar med den matematiska delen och den praktiska stämmer det värde på c som framtagits om de inte överensstämmer stämmer inte heller värdet på den specifika värmekapaciteten.

Den matematiska uträkningen är möjlig eftersom att den specifika värmekapaciteten är samma för alla olika massor och temperaturer.

Teori

I experimentet användes två olika massor vatten med olika temperatur. Massa ₁ var 198 gram vatten och var 52  ̊C varmt. Massa ₂ var 199 gram vatten och var 32  ̊C varmt.

Men denna ekvation kan även skrivas om som 

Nedan används denna omskrivning. T₃ används även i formeln nedan, T₃ är den temperatur vattnet har när de två massorna blandats ihop.

Om E₁ = E_{2 är lika med varann vliket sedan ger att} c× m₁ × (T₁- T₃) = c × m₂ × (T₂- T₃)

E - Energi (kJ)

m - massa (kg)

c- specifik värmekapacitet (kJ/kg ×  ̊C)

T - temperatur ( ̊C)

E₁ = c × m₁ × ΔT = c × m₁ × (T₁- T₃)

E₂ = c × m₂ × ΔT = c × m₂ × (T₂- T₃)

E₁ = E₂

c× m₁ × (T₁- T₃) = c × m₂ × (T₂- T₃)

198 × (52 - T₃) = 199 × (32- T₃)

Detta ger:

Resultat

Som uträkningen i teoridelen visar ficks en temperatur på 41,97  ̊C när de två massorna blandats. När samma vattenmängd mättes praktisk ficks en temperatur på 40,4  ̊C. Som ses överensstämmer inte dessa. Detta grundar sig i att värdet på den specifika värmekapaciteten som framtagits i tidigare experiment inte var helt korrekt. Detta kan bero på att det finns massa energiförluster t.ex. en kallare termos. Därför blev den beräknade delen en högre temperatur jämfört med den praktisk uppmätta temperaturen- 

En trolig felkälla är att bägaren som de två vatten massorna blandades i var rumstemperad. Vilket skulle betyda att värme strömmade ut från vattnet till bägaren och rummet innan vi hann mäta. Samt att det kan ha funnits energiförluster i någon av de två vattenmängderna. Dock hann det bara gå några tiondels sekunder från att de två vattenmängderna blandades tills att en temperatur (under omrörning) kunde avläsas. 

Slutsats

Eftersom att de två temperaturerna (41,97  ̊C och 40,4   ̊C )  var relativt nära varandra antas att det går att beräkna energiinnehållet via:

Därför anses tesen om att energin kan beräknas va formeln ovan stärkt. 

Observationsexperiment : vattnets specifika värmekapacitet

Samband mellan tillförd energi och temperaturökningen hos 1 kg vatten. 

Inledning

Finns det något samband mellan hur mycket energi som tillförs och temperaturökningen hos vatten?
Experimentet kommer att försöka ta reda på om ett samband mellan dessa kan finnas.

Teori

Alla vet att det för fortare att koka ägg om man har en större låga på spisen. Detta på talar att det skulle finnas ett samband mellan hur lång tid det tar för vattnet att koka upp och den effekt du använder på spisen. För att förstå detta ställdes följande experiment upp.

Experimentuppställning

I undersökningen användes en termos, vatten, en våg, en doppvärmare, en digital termometer och en klocka. Termosen användes som behållare för vattnet, en doppvärmare och termometer fanns i vattnet för att kunna mäta hur värmen ökade i vattnet.  Under uppvärmningen klockades tiden. För en exakt undersökning användes en våg för att kunna mäta mängden vatten. Under tiden användes Excel för att anteckna samt för att kunna sätta in informationen i ett diagram och dra en trendlinje.

Bild 1. Experimentuppställningen. Termos med vatten, en värmestav som värmde upp vattnet och en termometer. 

Mätresultat och analys 

Doppvärmaren som användes i under sökningen hade en effekt på  p = 300 W. Vattnets massa, m=285 g.

Effekten på doppvärmaren är väsentlig då den bestämmer hur lång tid det tar för just den doppvärmaren att få ut en viss energi.

E=p*t                           E - energi
                                     p - effekt
                                     t - tid

Diagram 1. Vattnets specifika värmekapacitet. Samband mellan tillförd energi och temperaturökning.

I diagrammet ovan kan vi se att vi fått fram ett k-värde, enligt formeln nedan. K- värdet anger lutningen på linjen. Detta visar att temperaturändringen är beroende av hur mycket energi som tillförs.

E=k * ΔT.                  k - proportionalitetskonstant

Där av ses att det finns ett samband mellan temperaturökningen hos 285 g vatten och energi.
Men detta samband gäller bara när 285 g vatten används. Om k divideras med massan skulle en generell konstant upptäckas.

E = k/m * ΔT * m

k/m*m = k

Ovanstående visar att k/m*m = k är samma sak, men omskrivet. Då kan vi döpa om  k/m = c 
Då får ett ett samband som är generellt för alla olika vattenmassor.

E = c* m*  ΔT

 m –massa
ΔT – temperaturförändringen

c – samband mellan konstat i diagram / massan

E- Energi

Ur grafen fås att:

      

y = 1145,2 X + 6370,2

I formeln ovan ses att k ficks till 1145,2 och ett m-värde som var 6370,2. Att ett m-värde finns kan förklaras som en felkälla. Enligt sambandet ovan finns inget m-värde utan temperaturändringen är direkt proportionell mot energiändringen. Felkällan kan bero på de energiförluster som finns i termosen, i och med att termosen var öppen kan mycket energi avges till luften, samt att termosen av kall från början, så att energi gick till att värma upp termosen. 

För att få ett värde på c dividerar vi den lutning som vi såg i diagrammet med massan. 

Detta ger:

c= k/m

1145,2/0,285 = 4018 J/kg =4,018 kj/kg

Slutsats

Ovanstående stärker min hypotes om att ett samband mellan tillförd energi och temperaturökning finns. Sambandet som fanns är följande:

E = c* m*  ΔT

Där c troligen är:
4,018 kj/kg

Det betyder att för varje joule som tillförs kommer temperaturen stiga beroende på hur mycket vatten som finns i bägaren. 

Densitet - sambandet mellan massa och volym

Inledning 

Hur kan man ta reda på vilken metall en nit är gjord av? Det kan man göra om man har en tabell och densiteten på metallen. Laborationen vi gjorde idag gick ut på att ta reda på vilken metall vi hade, för att göra det var vi tvungna att ta reda på densiteten.

Teori 

All materia är uppbyggd av protoner och neutroner men antalet av dessa varierar, ett tungt material har många neutroner och protoner i en viss volym och ett lätt material har färre neutroner och protoner på samma volym. Därför väger olika material olika mycket även om de är uppbyggda av samma materia. Detta mäts med storheten densitet, det är måttet på hur många molekyler av ett ämne som finns i en kubikmeter. 

Storheten densitet mäts i kg/m³.

Densitet har symbolen ρ symbolen kallas Rho

Experiment 

I undersökningen användes en våg, ett mätglas, nitar och vatten. Mätglaset, som stod ovan på vågen, fylldes med 123 ml vatten, tillsammans hade mätglaset och vattnet vikten 351,45 g. Nio gånger lades sedan nitar i, varje gång antecknades den totala vikten och volymen. Sedan sammanställdes resultaten i Excel, värden lades in i ett diagram och en trendlinje anpassades. Av denna trendlinje kan en slutsats dras om densiteten.

Bild 1. På bilden visas experimentuppställningen.

Mätresultat och Analys

Diagram 1. Visar korrelationen mellan massa och volym för den okända metallen

I tabellen ovan kan man se våra åtta mätvärden. Dessa värden är inlagda i diagrammet. Som man kan se i diagrammet går linjen genom origo, vilket betyder att massan är proportionell mot volym. Y värdet i diagrammet är det normala k-värdet, det betyder att y - värdet beskriver hur mycket mer metallen väger på volymenhet. Som visas  diagrammet ovan var y-värdet 2,7 x. Y-värdet här beskriver densiteten, alltså fann vi densiteten 2,7 g/cm³

 Slutsats

Med hjälp av vårt diagram och en tabell kunde man läsa ut att aluminium hade densiteten 2,7 g/cm³

 vilket var samma densitet som vi fick. Metallen som vi fick var alltså aluminium.

En Glödlampa – verkningseffekt & Hållbar Utveckling

2012 förbjöd EU vanliga glödlampor, varför? Dem tyckte att glödlampan inte var tillräckligt energieffektiva för att användas. Men hade de rätt?

Vi gjorde ett experiment där vi sänkte ner en glödlampa i vatten. I vattnet hade vi en termometer med hjälp av termometern kunde vi se hur temperaturen ändrades i vattnet. Vi mätte vattnets temperatur och förde sedan vi ner lampan i vattnet under 3 min. Efter 3 minuter rörde vi om och vi kunde se hur mycket varmare vattnet hade blivit.

Bild 1. Graf över temperaturen i vattnet.

Som man kan se i grafen ökar temperaturen i vattnet dramatisk vid 180 sekunder, vid 180 sekunder tog vi nämligen upp glödlampan och rörde om i vattnet. När vi gjorde det kom termometern åt det vattnet som varit precis vid lampan och därför blivit varmast.  Vi räknade ut temperaturändring i vattnet och det kunde då säga oss hur mycket av den energin (el) som vi tillförde som hade blivit till värme och hur mycket som hade blivit till ljus.  När man räknar ut hur mycket energi som blivit till det önskade ändamålet för vi något som vi kallar för verkningsgrad.

Så här räknade vi ut verkningsgraden för glödlampan;

Spänning: 25,03 V                  Ström: 0,94 A                                 Tid: 3 min = 180 s

E = U × I × t                      joules lag; energiändringen = spänning × ström × tid

E = 23,03 × 0,94 × 180 J/C × C/s × s = 3896,676 J ≈ 3,9 kJ              <- tillförd energi

Starttemperatur: 22,15°C                 Sluttemperatur: 28,21°C  

Temperaturförändring (ΔT): 6,06°C

 Specifik värmekapacitet                               Massa

c = 4180 J/kg°C                                             m = 0,1 kg

Energiändring i värme

E_v = c × m × ΔT                         

E_v = 4180 × 0,1 × 6,06 J/kg°C × kg × °C = 2533,08 J ≈ 2,5 kJ  <- värmeenergi

E_l = E - E_v = 3896,676 J - 2533,08 J = 1363,596 J                    <- nyttig energi, ljus

Verkningsgrad, η = nyttig energi/tillförd energi

                      η = 1363,596/3896,676 J/J = 0,3499... ≈ 0,35 = 35 %

Resultatet i experimentet visar att verkningsgraden för glödlampan är 35%, av den energin som vi tillförde var det bara 35% som blev till ljus, resten blev till värme. Detta är dock inte helt sant, verkningsgraden för en glödlampa ligger normalt på 5 %. Vi fick ett högre resultat eftersom att vi inte kunde mäta all värme som utvecklades. När vi mätte värmen, fick vi bara den värme som utvecklades vid glaskupan, all värme som utvecklades vid lampfot osv fick vi inte med i våra mätvärden.  Därför vi en högre verkningsgrad.

Glödlampan är väldigt ineffektiv i användning av energi och det var därför den förbjöds. Den nya led- lampan har 75 % i verkningsgrad och är därför mycket mer energismart. EU beslut om att förbjud glödlampan är därför befogat om vi ska kunna utveckla livet på jorden.

Idag lever väldigt få människor med den el-energistandard som vi i Sverige är vana vid, om fler ska kunna göra det måste vi hitta lösningar som tillvara tar energin bättre, LED-lampan är därför ur miljösynpunkt en bättre lösning. 

En tolkning ström och spänning

-hur man mäter och vad det betyder

Inledning;

Ofta mäter man spänning och ström, men vad är det vi mäter?

I vår laboration mätte vi strömmen genom lampan och spänningen över lampan.

Material och utförande:

För att mäta strömmen och spänningen använde vi en lampa, som var kopplad till en spänningslåda. Spänningslådan kopplade vi till ett eluttag och från eluttaget kunde vi få ström och med hjälp av spänningslådan kunde vi kontrollera hur mycket ström som gick ut i lampan.  Spänningslådans pluspol kopplas direkt till lampan men spänningslampans minuspol kopplades via en amperemätare till lampan.  Även en voltmeter kopplades in. Amperemätaren och kopplades till voltmetern och datorn och där kördes programmet Pasco Capestone för att samla in information och spänningen och strömmen.  Allt kopplades samman enligt nedan:

Kopplingsschema över instrument uppställningen.

Bild över instrument uppställningen.

  

Resultat & tolkning:

Ovan visas graf över sambandet mellan ström och spänning.

I grafen ovan visas strömmen på y-axeln och spänning på x-axeln. Ur grafen ovan kan ett linjärt (mer eller mindre) samband finnas mellan spänning och ström. Ökar spänningen ökar strömmen.

I punkten (5,43;0,02) (tabell data 82) ser vi att spänningen är 5,43 volt och strömmen är 0,02 ampere. 

Med spänning (U) mäter man ändring i energiinnehålls ändring genom varje laddningsenhet, d.v.s. en elektron,

Ovan visas tabellen till grafen.

U= ΔE/Q                              ΔE- energiändring                    Q- laddning

          

Energiändringen är energin som en laddning tappar när den färdas i elektriskt fält. I denna labb var fältet i sladdarna, man kan alltså säga att spänningen är den energi varje elektron tappar när den färdas i sladdarna.

Strömmen (I) är ett mått på hur stor laddning som varje sekund passerar genom ett tvärsnitt i kretsen.  Laddningen Q motsvaras av alla elektroner, strömmen blir då alla elektroner som rör sig i en viss punkt i kretsen under 1 sekund.

I = Q/t                              t - tid i sekunder

Genom att veta strömmen kan man beräkna hur många elektroner som färdades genom punkten, eftersom att en elektron alltid har laddningen 0.16 aC. I punkten ovan ser vi att vi hade 0,02 ampere vilket är samma sak som 0,02 C/1 sek.

Antalet elektroner är då

Q = N e                        N- antal elektroner                              e – elementärladdningen

Q/e = N

0,02/0,16 aC = 0,125  10^18 st

 

è  125 000 000 000 000 000 st elektroner passerar genom ett tvärsnitt av kretsen varje sekund.

Bilder på elektriska fält

Under dagens lektion visades elektiska fält på olika sätt, för att ge en konkret bild av teorin. Vi kollade på frigolitbollar mellan två elekriska plattor, mannagryn i parafin olja mellan två fält och till sist enn metalpendel mellan två fält.

Bild 1. Frigolitbitar mellan två elektriska fält.

Bild 2. Metalpendel mellan två elektriska fält.

Bild 3. Mannagryn mellan två dipolfält.

Korrekt språk i en labb rapport

Nedan följer två exempel i hur man kan skriva en labb rapport. Den ena är skriven med talspråk och det fokuserats mycket på "vi" och den andra är skriven i passiv form. Passiv for är det korrekta naturvetenskapliga språket och där har alla personer försvunnit ur texten istället är material och processer i fokus. 

      Med talspråk

Vi börjande med att ta fram vårt material, vi använde en bana, en ställ för banan, ett stop, ett fäste till banan och en vagn. För att samla in datan använde vi ett rörelsesensor, interface, och en dator med programmet Pasco Capestone.

Vi började med att sätta upp vårt material, vi satte upp banan på stödet genom att fästet placerades på ställe, banan fick en lutning som vi mätte med en speciell gradmätare (men en vanlig gradskiva funkar).  Stoppet placerades i slutet vi försökte sätta det i det absoluta slutet. Vi placerade vagnen vid stoppet och trycket ut fjärden, vi tog ett par bilder i stillastående läge och sedan fångade vi rörelserna på datorn med hjälp av rörelsesensorn.  Med hjälp av fjärden studsade vagnen mot stoppet ett antal gånger, varje gång studsade vagnen lite kortare.

    Passiv form

I experimentet användes  en bana, en stång som banan kommer att fästas på, ett fäste till banan och stången, ett stopp till banan och en lättrullande vagn med en fjäder.  Resultaten från undersökningen samlades in via en rörelsesensor, som kopplades till datorn via ett interface, samt en dator med programmet Pasco Capestone.  

Banan sattes fast på stången med hjälp av fästet, banan lutades och lutningen mättes med en gradskiva.  Stoppet placerades i slutet av banan, och rörelsesensorn placerades på toppen.  Vagnens fjäder fälldes ut, och en serie bilder togs i stilla stående läge. Vagnens fjäder togs in igen och vagnen placerades direkt mot stoppet. När vagnen stod stilla fälldes fjädern ut och vagnen sköts uppåt för att senare studsa mot stoppen. Rörelserna dokumenterades av rörelsesensorn, och en graf ritades upp i datorprogrammet.