Applikationsexperiment – vad är det för metall?

I applikationsexperimentet skulle vi bestämma vilken metall ett okänt föremål bestod av med hänsyn till de slutsatser som vi dragit i våra tidigare observationer och testexperiment: ”För att åstadkomma temperaturändringen ΔT hos massan m av ett ämne, måste energin E tillföras eller avges (E= c . m. ΔT) och ämnets specifika värmekapacitet c är den energi som upptas eller avges då temperaturen hos 1 kg av ämnet ändras 1ºC ”.  För att lösa problemet använde vi oss av olika fysiska ansatser och vi utförde två olika metoder för att samla termiska data för den okända metallen:

Metod 1- Undersöka metallens specifika värmekapacitet

Metod 2- Undersöka metallens Densitet 

Metod 1 - Problemlösning genom undersökning av metallens Speciella värmekapacitet

Teori: För att åstadkomma temperaturändringen ΔT hos massan m av ett ämne, måste energin E tillföras eller avges (E= c . m. ΔT). Ämnets specifika värmekapacitet c är den energi som upptas eller avges då temperaturen hos 1 kg av ämnet ändras 1ºC ”. 

Utförande av metod 1:

För att ta reda på vad för slags metall den fasta ämnen är, började vi att bestämma metallens specifika värmekapacitet c. I en termosflaska liknande kärl med c= 70 J/k (vi utgår från en standard kärl) fyllde vi i 200 g vatten , rörde om och mätte sedan temperaturen 14ºC i vattnet. Sedan värmdes upp den 204 gram metallen i ett kärl med kokande 100ºC vatten och sedan stoppade vi snabbt ner den 99ºC värmda metallen i den 200 gram 14ºC vattnet i termosen och rörde om igen.  Sluttemperaturen uppnått 20,14ºC.

Resultat av metod 1:

Vatten			metall
m vatten=	200 g		m metall=	204 g
T0 vatten=	14 ºC		T0 metall =	99 ºC
sluttemperatur	20,14 ºC		sluttemperatur	20,14ºC
Δt  vatten =	6,4  ºC		Δt  metall =	79 ºC

bild 1 visar uppvärmning av metallen

Analys av metod 1:

Vi kunde ha räknat ut värdet (beloppet) på metallens specifika värmekapacitet C genom följande teori, samband och formler:

Q vatten =  C vatten   x m vatten  . ΔT vatten

Q metall =  C metall   x m metall  . ΔTmetall

Enligt termodynamikens huvudsats, kan energi varken skapas eller förstöras utan endast omvandlas.

Energi principen:

E upptagen = E avgiven

När metallen har avgivit lika mycket inre energi som vattnet har tagit upp, sjunker temperaturen i metallen mycket mer än den ökar i vattnet.

Termosen och vattnet tar emot värmen Q₁ = ( C + cm) ΔT.

Metallen avger värmen Q₂ = cm ΔT₂

Om vi bortser från värmeförlusterna till omgivningen, får vi enligt energi principerna:

Q_{1  =}   Q₂

C  metall  =	C vatten . m vattem. Δt vatten
	m metall . Δt  metall

₍ c_{termos+ Cvatten . mvatten) ΔTvatten = Cmetall.}m_metall . _ΔTmetall

_{(70 + 4190 . 0.200) ( 21 – 14 ) = C . 0.204 (100 – 21)}

_{908 . 6.14 = C . 0.204 . 78,4}

_{5575,12 = C . 15,993}

_{C = 348,59 g/cm}³ _{, C = 0.35 J/kg.K}

Vårt resultat från metod 1 visar värdet på metallens specifika värmekapacitet som C = 0.35 J/ kg. K. Om vi jämför detta resultat med data från densitetstabellen så ser vi att närmaste värde är specifik värmekapacitet för ämnet mässing ä: c _mässing = 0,38 J/kg. K

Metod 2 - Problemlösning genom undersökning av metallens Densitetens värde (belopp)

Vi har utfört följande metod med hänsyn till den experimentella osäkerheten vi hade i den första metoden.

Bild 2 visar metallen storlek

Teori: Densitet, eller tätheten hos ett material är ett mått på hur tätt materialet är packad. För att räkna ut metallens densitet kan vi använda oss av formeln:

Densitet=massa /volym

P= m/V

Densitet betecknas med p och enheten SI är kg/m³ eller g/cm³. Sambandet mellan de enheterna är 1kg/m3 = 10-3g/cm³

Utförande och resultat av metod 2:

För att räkna ut densiteten krävdes det att räkna ut metallens volym.

Volymen av cylindern kan räknas från formen:

V= h x b 

V = 7,7 x 3,14 = 24,178 cm³

Vi vet också att metallens massa är 204 gram. För att då räkna ut densiteten använde vi densitets formel:

P= m/V, den ger: P = 204 g/24,178 cm³

P= 8,437 g/cm³

Analys av metod 2:

Densitet, eller tätheten, hos ett material är ett mått på hur tätt materialen är packad. Den betecknas med p och enheten SI enheten är kg/m³ eller g/cm³. Samma volym av två olika metaller har två olika massor eftersom en av dem förpackningar fler atomer i samma utrymme än den andra.

Vårt resultat utav metod 2 visar en densitet med värde på P= 8,43 g/cm³. Om vi jämför resultatet med data från densitetstabellen så ser vi att densitetsvärden för ämnet mässing är 8,4 g/cm³.

Slutsats och analys av applikationsexperimentet

metod 1 och metod 2:

Syftet med val av olika metoder i experimentet var att metoderna ska lösa problemet, Vad är det för metall? och kan med hög sannolikhet leder till en tillbörlig lösning.

Applikationsexperimentets resultat
Metallens specifika värmekapacitet:	C = 0.35 J/ kg
Metallens densitet:	P= 8,4 g/cm3

Information från Termiska tabellen:
Mässings specifika värmekapacitet:	C = 0.38 J/ kg
Mässings densitet:	P= 8,4 g/cm3

Som slutresultat fick vi fram att den okända metallen var mässing. Det fanns skillnader mellan de två metoderna och det visas också i resultatet.  I första metoden mötte vi en rad olika anledningar och felkällor till att varför vi fick fram 0,03 J/kg lägre specifik värmekapacitet för mässing, däremot den andra metoden var mindre beroende av omgivningen och energin med mindre orsaker till osäkerheten. Resultat från första metoden d.v.s. undersökning av metallens specifika värmekapacitet visar en differens på 0,03 J/kg ( 0,38 – 0,35 = 0,03) enheter. Vilket tyder på eventuella felkällor. Men den andra metoden d.v.s. undersökning av metallens densitet visar mycket mindre skillnad i värden. Vilket beror på visa avrundningar i beräkningarna av densiteten. Termiska tabellen visade det avrundade värdet för mässings densitet, om vi avrunda vårt värde, blir densiteten också 8,4 g/cm³.

Felkällor: Det finns en rad olika anledningar till att varför vi fick fram 0,03 J/kg lägre specifik värmekapacitet för mässing.

-Termosen värms upp och förlorar värme till omgivningen

-Det går värme ut ur termosen,

-Lite kokhetvatten följer med metallvikten.

-Vikten kylar ner när vi lyfter metallen genom luften

-Metallen svalnar i vägen från uppvärmning till termosen

Fel på mättning av vattenmängd, eventuella fel på värmemätningar, vissa avrundningar av siffror i beräkningar o.s.v.

Förslag till förbättrings: Det skulle behövas mer utav experimentet var om vi hade värmt upp metallen i flera olika temperaturer så att vi hade kunde kunnat göra ett diagram över hur energin upptas och avges så att resultatet kunde vara mer realistisk. Temperaturen kan även ha blivit lite felaktig för att vi inte rörde om vattnet lika mycket hela tiden, ett förbättringsförslag är att vi ska röra om vattnet noggrant hela tiden för att temperaturen i termometern stämmer överens med temperaturen i det övriga vatten vid avläsningen på termometern. Ett annat förbättringsförslag är att vi kunde jämföra våra resultat med andra grupper som hade samma ämne för att kunna jämföra och utvärdera våra olika arbetsmodeller i utförande av applikationsexperimentet

Slutsats: I applikationsexperimentet har vi kommit fram till att den okända metallen bestod av mässing om vi bortser från eventuella felkällor.