Tips för att förbättra labbrapport: värmeförluster när is smälter i olika vatten temperaturer

Hejsan!

Vet inte om detta hör hemma här egentligen men jag behöver hjälp att förbättra min labbrapport, behöver verkligen få ett så bra betyg som möjligt på denna labbrapporten.

Värmeförlusten vid olika temperatur

Inledning

Energi kan varken nyskapas eller förstöras. Det krävs energi för att värma ett ämne. Energi som överförs från ett system till ett annat med lägre temperatur kallas värme. Symbolen för värme betecknas [Q] och enheten skrivs i joule [J].

Energi kan överföras på tre olika sätt: konduktion, konvektion och strålning. I denna laborationen undersöks främst konduktion.

Konvektion är det värmeöverföringssätt där värme sprids genom strömningar i olika vätskor eller gaser. Konvektion sker exempelvis när man hettar upp vatten i en kastrull. Då värms vattnet upp underifrån av den varma plattan, när vattnet blir varmt ökar oordningen av molekylerna och det varma vattnet stiger på grund av sin sänkta densitet. Då knuffas det kallare vattnet ner och värms upp, samtidigt kyls det varmare vattnet ner igen när det kommer upp till ytan så att densiteten ökar igen och vattnet sjunker. Detta kallas även strömning då det bildas strömmar av varmt och kallt vatten under tiden som vattnet hettas upp. 

Strålning är värmeöverföring med elektromagnetiska vågor. Exempelvis när solens strålar värmer vår planet. 

Konduktion är den värmeöverföring som sker när två system med olika temperaturer är i kontakt med varandra. Energi, värme, förs då över från det varmare systemet till det kallare tills temperaturen jämnas ut. 

Värmekapacitet skrivs som [c] och anges för det ämne där den specifika värmekapaciteten gäller. Om man ska ta reda på hur mycket energi som avges när vatten kyls ner, till exempel, använder man formeln Q=mvcvΔT där cv står för vattnets specifika värmekapacitet, mv står för vattnets massa och ΔT står för temperaturskillnaden, den temperaturen vattnet har innan nedkylningen minus temperaturen den kyls ner till. Energin som tas upp av is när det smälter i vatten kan beräknas genom Q=lsmi+cvmiΔT där ls är isens specifika smältentalpi, mi är isens massa och ΔT är temperaturskillnaden, isens temperatur före smältningen minus temperaturen efter smältningen.

Värmeförlusten när is smälter i vatten med olika temperatur kan undersökas genom att smälta is i varierande vattentemperatur och jämföra den energin som avges från vattnet med den energi som tas upp av isen under smältningen. Enligt energiprincipen, att energi kan inte skapas eller förstöras endast omvandlas, ska den energi som avges från vattnet vara lika stor som den energin som tas upp av isen bortsett från eventuella värmeförluster. Värmeförluster för kalla enheter är låga eller obefintliga om omgivningen är varmare, eftersom värme huvudsakligen överförs till den kallare enheten. Ju varmare enheten är, desto större blir värmeförlusten, då den större temperaturskillnaden driver en snabbare energiöverföring.

Syftet med laborationen är att undersöka värmeförluster när isen smälter i vatten med olika temperaturer. Vi vill jämföra den energin som avges från vattnet med den energin som tas upp av isen och se hur värmeöverföringen påverkas av vattnets temperatur.

Ekvationer

Ekvation 1: Energin som avges från vattnet

Qa=mvcvΔT

Där:

• Qa är den energin som avges från vattnet [J]
• mv är vattnets massa [kg]
• cv är vattnets specifika värmekapacitet [J/kg·°C]
• ΔT är vattnets temperaturförändring [°C]

Ekvation 2: Energin som tas upp av isen

Qu=lsmi+cvmiΔT

Där:

• Qu är den energi som upptas av isen när isen smälter och värms upp [J]
• mi är isens massa [kg]
• ls är isen specifika smältentalpi [J/kg]
• cv vattnets specifika värmekapacitet [J/kg·°C]
• ΔT temperaturförändringen av vattnet som bildas när isen smält [J/kg·°C]

Metod

I tre bägare uppmättes 0,2 l vatten. I den första bägaren kyldes kranvattnet ner med hjälp av is tills vattnet hade en lägre temperatur än rumstemperatur. Den andra bägaren fylldes med rumstempererat kranvatten och den tredje bägaren fylldes med kranvatten som värmts i en vattenkokare. 

Temperaturen i vardera bägare mättes och antecknades. Därefter tillsattes en isbit till varje bägare. Varje isbit vägdes innan tillsatts och massan antecknades. När isen smält helt i respektive bägare mättes sluttemperaturen och antecknades. 

Experimentet upprepades tre gånger för vardera temperatur (kallt, rumstemperatur och varmt), för att ge ett mer tillförlitligt resultat. Värdena sammanställdes i en tabell. Energin som avgavs från vattnet vid nedkylningen, samt energin som togs upp av isen vid smältning och uppvärmning beräknades. Därefter bestämdes energiskillnaden för varje mätning. Slutligen beräknades medelvärde och standardavvikelse för respektive vattentemperatur. Standardavvikelsen redovisades som ett mått på spridningen i resultaten samt som en uppskattning av felmarginalen.

Materiel

• Våg
• Bägare
• Is
• Vatten (varmt, kallt och rumstempererat)
• Termometer
• Vattenkokare

Resultat

När vattnet var kallt skedde ingen värmeförlust till omgivningen utan istället togs det upp värme från omgivningen för att smälta isen. När vattnet var ljummet skedde väldigt liten värmeförlust till omgivningen och när vattnet var varmt skedde större värmeförluster. Se tabell 1.

Tabell 1:

Temperatur och energiförändring när is smälter i vatten med olika temperaturer.

Diskussion 

Våra resultat stämmer överens med teorin, värmeförlusten var större när vattnet var varmare än omgivningsluften. När vattnet var samma eller nästan samma temperatur som omgivningsluften var värmeförlusten nästan obefintlig och när vattnet var kallare än omgivningsluften togs det upp värme från luften, värmeförlusten var alltså negativ. Ingen värme avgavs utan det togs upp värme istället.

Våra främsta felkällor är olika mätfel, termometern har en begränsad noggrannhet samt fluktuerade mycket under mätningarna, så exakt temperatur var svårt att bestämma. Vattenmassan mättes inte upp exakt med våg utan 0,2 l vatten tillsattes till bägarna. Vågen mätte med en noggrannhet på noll decimaler därför vet vi inte hur exakt mätningen av isen var, isen kan dessutom ha smält på väg till bägaren efter vägning. Vattnets temperatur mättes innan isen tillsattes men temperaturen kan ha förändrats under tiden som isen vägdes och tillsattes. Temperaturen efter att isen smält blev inte helt exakt då det var svårt att se om isen smält helt, dessutom syntes det inte om vattnet var helt blandat. En sista felkälla kan vara att små skillnader mellan bägarna och/eller rumstemperaturen vid de olika försöken kan påverka värmeförlusten. Alla dessa mätfel kan bidra till fel som gör att våra resultat inte stämmer överens med teoretiska värden för vad värmeförlusten bör vara.

Tack på förhand!