Undersökning om hur mycket energi krävs för att värma vatten

1-Observationsexperiment om vattnets specifika värmekapacitet

Inledning: Atomerna i materialen har både rörelseenergi och potential energi. Summan av den inre rörelseenergin och den potentiella energin är den inre energin. Inre energi kallas ofta värmeenergi eller termisk energi. När vi värmer vatten så ökar vattnets inre energi och samtidigt stiger temperaturen. Temperaturen hos ett ämne ökar om den genomsnittliga rörelseenergin i ämnets molekyler ökar. Detsamma gäller om rörelseenergin minskar, då minskar även temperaturen.Ett ämnes specifika värmekapacitet(c) är det som anger den energimängd som behövs för att höja temperaturen hos 1 kg vatten 1 grad.

Syfte:
Syftet med experimentet handlar om att undersöka om det finns ett samband mellan tillförd energi (E) och temperaturändringen (ΔT). Till exempel hur temperaturen hos vattnet ändras när den inre energi ökar. Syftet är att genomföra ett observationsexperiment och söka ett mönster och samband mellan E och ΔT.

Planering av experiment

Dagens observationsexperiment handlar om att undersöka vattnets specifika värmekapacitet. För att hitta svar krävs det att man hittar sambandet mellan upptaget energin (E), vattnets massa(m) och temperaturförändringen (Δt) hos vattnet. För att undersöka sambandet bestämmer vi att samla data och analysera den genom att för det första, värma upp 400 g (0,4 kg) vatten och därefter mäta de temperaturökningar ΔT som olika kopplingstider ger upphov till och hitta ett samband mellan variabel. I nästa steg skulle vi variera vattenmängden och mäta den energi som krävs för en och samma temperaturökning (ΔT= 5) och hitta ett samband. Sedan skall vi sammanfatta de två sambanden i ett nytt samband.  Med hjälp av tabeller och grafer ska vi hitta ett mönster i mätresultatet. 

Material, genomförande och resultat:

Material:Termos, vatten, våg, doppvärmare, digital termometer och klocka. Mätningarna genomfördes med hjälp av den digitala termometern. För att värma vattnet använde vi en doppvärmare P = 300 W (en watt motsvarar en energiomvandling på en joule per sekund eller P=J/s ). Genom att mäta temperaturen varje 30 sekund då doppvärmaren är inkopplad, kunde vi beräkna energimängden E (SI- grundenheten för energi är joule J) som tillförts vattnet och ökat dess inre energi. E = P. t  
Uppvärmningen sker i en termosflaska för att så litet energi som möjligt ska förloras till omgivningen.

1-m är konstant - För det första så värmde vi 400 g (0,4 kg) vatten och vi mätte upp de temperaturökningar ΔT som olika kopplingstider gav upphov till. Vi gjorde tabell och diagram i Excel och har noga undersökt vilket samband kunde finnas mellan den tillförda energin och temperaturökningen när mängden vatten hålls konstant. 

 Tabell A) Samband mellan tid och temperatur när massan är konstant:

tid (s)	temperatur(°C)
0	20,8
30	24
60	29,6
90	34,6
120	40,3
150	45,7
180	50,4
210	56
240	61,2
270	65,7
300	69,9

Diagram 1) Samband mellan tid och temperatur när massan är konstant 0,4 kg

Tabell B) Samband mellan den tillförda energin och temperatur ökning när massan är konstant:

ΔT (°C)	E (kJ)
0	0
4	9
9,6	18
14,6	27
20,3	36
25,7	45
30,4	54
36	63
41,2	72
45,7	81
49,9	90

  

Diagram 2) Samband mellan den tillförda energin och temperatur ökning när m är konstant

Resultat 1: Vi kunde se från grafen att den tillförda energin är proportionell mot temperaturökningen när m är konstant (rät linje Y=kx)

2- ΔT är konstant- 
I nästa steg varierade vi vattenmängderna 300 g, 400g, 500g, 600 g, 700g och mätte vi den energi som krävs för en och samma temperaturökning ΔT= 5°. Vi gjorde en tabell och diagram i Excel och undersökte utav de, ett samband mellan den tillförda energin och mängden vatten när temperaturökningen hålls konstant.  

ΔT = konstant

Tabell C) samband mellan tid och massa när ΔT är konstant:

m (kg)	tid (s)
0,3	22
0,4	30
0,5	43
0,6	44
0,7	50

 

Diagram 3) Samband mellan tid och temperaturändring när ΔT är 5 grader

Tabell D) Samband mellan den tillförda energin och mängden vatten när ΔT är konstant:

m (kg)	Energi (kJ)= p.t
0,3	6,6
0,4	9
0,5	12,9
0,6	13,2
0,7	15

 

Diagram 4) Samband mellan den tillförda energin och mängden vatten när ΔT är 5 grader

Resultat 2: Vi kunde se från grafen att den energi som krävdes för en och samma temperaturökning ΔT= 5 grader är också proportionell mot vattens massa m.(Y=kx)

3- De två proportionaliteterna kan sammanfattas i följande samband mellan upptagna energin E, vattnets massa m och temperaturökningen ΔT

E = c . m ΔT

Upptagen energi(j) =konstant. Massa (KG).temperaturökning

Konstant c kallas vattnets specifika värmekapacitet och anger den energimängd som behövs för att höja temperaturen hos 1 kg vatten 1 grad.

Tabell E) samband mellan Upptagen energi, massan (konstant) och temperaturökning: 

  

m (kg)                ΔT (°C)               m. ΔT                 E (kJ)

0,43                     0                           0                           0

0,43                     4                           1,72                     9

0,43                     9,6                       4,128                  18

0,43                     14,6                     6,278                  27

0,43                     20,3                     8,729                  36

0,43                     25,7                     11,051                45

0,43                     30,4                     13,072                54

0,43                     36                        15,48                  63

0,43                     41,2                     17,716                72

0,43                     45,7                     19,651                81

0,43                     49,9                     21,457                90

 Diagram 5) Samband mellan upptagen energi, massan (0,43 kg) och temperaturökning

Resultat 3: C = E/(m. ΔT), C = 4,12 J/Kg . grad

Vattens specifika värmekapacitet = 4,12 J/kg . grad

Tabell F) Samband mellan Upptagen energi, massan och konstant temperaturökning:

m (kg)	ΔT (°C)	m. ΔT	Energi (kJ)
0	5	0	0
0,3	5	1,5	6,6
0,4	5	2	9
0,5	5	2,5	12,4
0,6	5	3	13,2
0,7	5	3,5	15

Diagram 6) Samband mellan upptagen energi, massan och konstant ΔT= 5 °C

C = E/(m. ΔT) , C = 4,47 J/Kg

Resultat 4: C = E/(m. ΔT), C = 4,47 J/Kg. grad

Vattens specifika värmekapacitet = 4,47 J/kg. grad

 

Analys: När vi sammanställer och jämför resultatet av de två proportionaliteterna från första experimentet där mängden vatten hålls konstant m = 0.43 kg resultatet visar att vattens specifika värmekapacitet är c = 4,12 J/kg. grad men i andra experiment när temperaturökningen är konstant ΔT= 5 °C blev resultatet blir att vattnets specifika värmekapacitet är 4,47 J/kg. grad. Resultatet från det första experimentet stämmer ganska bra med vattens noggranna värmekapacitet på 4,19 J/kg. grad men i andra försöket där vi varierade mängden av vatten uppstod ett resultat på c = 4,47 J/kg. grad, vilket tillförde mer energi. Vårt resultat är ganska rimligt med genomsnittet: 4,12 + 4,47=8,59/2 = 4,29  J/kg . grad men eftersom den tillförda energin inte bara användes inte bara för att värma upp vattnet. Utan det finns eventuella felkällor såsom värme förs istället till doppvärmaren, digital termometern och termosflaskan eller fel mätning av tiden. Därför kunde vi inte uppnå ett noggrant värde för att uppnå vattens specifika värmekapacitet på  4,19 kJ (kg. grad).

Slutsats: Vi har kommit fram att sambandet E= c . m . Δt gäller för vatten och det kan stämma för alla ämnen så länge som det uppträder i samma tillstånd, d.v.s. så länge det är antigen en fast, flytande eller gasformigt. Hypotesen är att konstanten c kommer vara olika stora för olika ämnen och även för olika tillstånd hos samma ämne. För att undersöka om vår slutsats och hypotes kan stämma, ska vi i nästa laboration genomföra ett testexperiment och testa vår hypotes. Ett nytt experiment där vi undersöker ett annat ämnes värmekapacitet än vatten.