MENA 1000 LAB 1 Høst 2013 LABØVLESE 1: ENERGITRANSPORT OG KALORIMETRI

Transkript

1 LABØVLESE 1: ENERGITRANSPORT OG KALORIMETRI Utført: Innlevert: Skrevet av: Sindre Rannem Bilden Veileder: Per Lindberg Innhold 1.a - Termoelektrisitet og energitransport... 3 Innledning... 3 Teori... 3 Eksperimentelt... 5 Del 1 Ladningsbærerens bevegelsesretning... 5 Del 2 Peltier-kjøling... 5 Del 3 Seebeck-koeffisienten for Peltierelementet... 5 Del 4 Bestemmelse av varmekonduktiviteten... 5 Resultater og Diskusjon... 6 Del Del Del Del Feilkilder... 7 Program... 7 Konklusjon b Strålingskube og varmestrålingsdetektor Innledning Teori Eksperimentelt Del 1 Stefan-Boltzmanns lov Del 2 Absorbsjon av varmestråling i glass Del 3 Stråling fra forskjellige flater Resultater og Diskusjon Del Del Del Feilkilder Konklusjon c - Kalorimetri Innledning

2 Teori Utstyr Eksperimentelt Resultater og Diskusjon Feilkilder Konklusjon d «Termodynastrikk» Innledning Teori Eksperimentelt Resultater og Diskusjon Feilkilder Konklusjon Bildeliste m. kilder Kilder

3 1.a - Termoelektrisitet og energitransport Innledning I denne øvelsen skal vi fokusere på energikonvertering, hovedsakelig fra varme til strøm, og omvendt. Dette fenomenet kalles termoelektrisitet og innebærer Seebeck-effekten og Peltiereffekten. Seebeck-effekten innebærer at det skapes spenning ved temperaturforskjeller i et termoelement, og motsatt innebærer Peltier-effekten at det skapes temperaturforskjell i et termoelement der det går strøm gjennom elementet. Dette er to nyttige egenskaper til termoelektriske elementer, termoelementer kan for eksempel brukes til å lade mobilen på skogstur, ved å gjøre opp bål og koble til et termoelement. Teori Grunnstoffer kan deles inn i tre hovedgrupper, metaller, halvmetaller og isolatorer. Disse kan skilles ved å se på hvor stort energigapet er mellom valensbåndet og ledningsbåndet til stoffet. Metaller har overlappende energibånd, som vil si de er gode ledere av både elektrisitet og varme siden elektronene lettere kan bevege seg mellom båndene. Isolatorer har et energigap mellom 1 - Illustrasjon 1, Her ser vi hvordan ledningsbåndet ligger i valensbåndet og ledningsbåndet som gir de dårlige lede-egenskaper. Halvledere har i likhet med forhold til valensbåndet, med isolatorer til venstre, halvledere isolatorer et energigap mellom valensbåndet og ledningsbåndet, men dette gapet er mindre. Ved i midten, og metaller til høyre. Fra ERGO Fysikk 1 Vg.2 temperaturen 0 kelvin vil ledningsbåndet til halvlederne være tomt, men med økende temperatur vil elektroner kunne eksitere opp til ledningsbåndet fra valensbåndet. 1 Det er vanlig å dope halvledere som for eksempel Silisium, med høyere- eller laverevalente atomer av tilnærmet lik størrelse som halvlederen. Om det tilsatte stoffet er høyerevalent, vil vi få en n- leder, dette er en negativ leder siden den har frie elektroner som fungerer som ladningsbærere. På samme måte får vi for laverevalente atomer en p-leder det er positive «hull» som er ladningsbærer. 2 Termoelektriske materialer er avhengig av frie ladningsbærere for sin egenskap, frie ladningsbærere definerer vi som negative elektroner (som vi finner i n-ledere), eller positive elektronhull (som vi finner i p-ledere). Det termoelektriske materialet opprettholder naturlig et visst kjemisk potensiale jevnt over hele systemet, kjemisk potensiale kan ansees som et forhold mellom temperatur og ladningsbærere. Om systemet har en varm og en kald side, vil konsentrasjonen av ladningsbærerne øke på den kalde siden for å veie opp mot den lavere temperaturen. Samme for varm side vil konsentrasjonen av ladningsbærere minke for å veie opp mot økt temperatur. Vi kan derfor se på det som at ladningsbærerne forflytter seg til kald side og derfor gi en spenningsforskjell. Spenningsforskjell gitt temperatur kalles termoelektrisk kraft, også kjent som Seebeck-koeffisienten for det termoelektriske materialet. Denne kraften kan ikke måles direkte for ett materiale og må derfor måles for et termoelement, som vil si to materialer koblet sammen. 2 - Illustrasjon 2, Doping av silisium illustrert med "armer" som en representasjon for elektroner. Arsen har en ekstra "arm" og gir derfor n-dopet leder. Bor har en "arm" for lite og gitt et positivt elektronhull, altså en p-leder. Et termoelement er satt sammen av to eller flere forskjellige metaller eller halvledere, a og b, som danner en lukket krets. I illustrasjon 3 har vi et termoelement 3

4 bestående av en n-leder og en p-leder. Når temperaturen i kontaktflatene mellom de termoelektriske elementene er forskjellig, vil det gå en strøm gjennom kretsen. Om så kretsen åpnes oppstår det en termoelektrisk spenning E ab mellom materialene i kontaktområdet. Seebeckkoeffisienten for kontakten mellom de forskjellige materialene er utrykt: S ab = de ab dt Der E ab er positiv spenningen fra materiale a til b i den kalde kontaktflaten og T er temperaturen i det varme kontaktstedet gitt i kelvin (K). Det samme termoelementet har også reversible egenskaper, dette vil si oppvarming og avkjøling ved å sende strøm gjennom elementet, dette kalles Peltiereffekten. Når ladningsbærerne går gjennom 3 - Illustrasjon 3, et termoelement satt sammen av en n-leder og en p-leder slik at når en side har høyere temperatur enn den andre, vil det gå strøm i kretsen. kontaktflaten gjør den et potensialsprang og endrer derfor sin energi i positiv eller negativ retning, dette vil si at de avgir eller mottar energi fra omgivelsene i form av varmeoverføring. Varmemengden som overføres er gitt ved produktet av strømmen fra materiale a til b i elementet og Peltierkoeffisienten (π ab), fortegnet til koeffisienten er gitt av strømretningen. π ab = - π ba Joule-effekten vil også spille inn når det gjelder temperaturen, når det går strøm gjennom elementet vil noe av den elektriske energien gå over til varme på grunn av resistansen i elementet. Oppvarmingen skyldt joule-effekten øker proporsjonalt med kvadratet av strømmen. Siden Peltiereffekten er proporsjonal med strømmen vil Joule-effekten dominere ved store strømmer. Det vil si at Peltiereffekten synes best ved små strømmer. Et Peltierelement er et termoelement der p- og n-ledere er koblet i serie (som illustrasjon 3), ved å skape en temperaturforskjell i elementet oppstår det en spenningsforskjell mellom elementet. Peltierelementet kan ha mange p- og n-ledere i serie, og for hvert ladermateriale vil spenningen forsterkes. I oppsettet uttrykkes kobberloddets temperatur som T 1(t) ved tiden t. T 1 går mot metallsylinderens antatte konstante temperatur T 2. Med Seebeck-koeffisienten (som vi har uttrykt tidligere) kan vi uttrykke den termoelektriske spenningen uttrykkes: U(t) = S[T 1 (t) T 2 ] Når kobberloddet avkjøles kan effekten den avgir uttrykkes ved varmekapasiteten C. P = C dt 1 dt Gitt Peltierelementets areal A, tykkelse d, og varmeledningsevne λ, kan vi uttrykke effekten som: Ved de tre likningene fås: P = λa T 1(t) T 2 d du dt = λa du U(t) Cd U(t) = λa Cd dt Som ved integrasjon fra t 0 til t fås: ln U(t) U(t 0 ) = λa Cd (t t 0) 4

5 Om U(t 0) settes lik U 0 som kan måles i starten av øvelsen, fås en generell likning gitt ved tiden t. ln U(t) U 0 = λa t + konstant Cd Den siste likningen viser at «ln U(t) U 0» kan som en lineær funksjon y = ax + b, der stigningstallet er -((λa)/(cd)). I øvelse a vil vi bruke Oppsett 1, der vi har et Peltierelement liggende på en stor metallsylinder som vi antar har konstant temperatur. Over elementet ligger et kobberlodd som får en temperatur større enn metallsylinderens antatte konstante temperatur. Vi isolerer systemet med isopor for å bevare en størst mulig temperaturforskjell over lengst mulig tid. Eksperimentelt Del 1 Ladningsbærerens bevegelsesretning Den første prøven av halvledermateriale ble koblet til et voltmeter stilt inn på mv. En liten metallplate, som var koblet til positiv kontakt på voltmeteret ble varmet opp med hånden, før vi la prøven av halvledermetall på platen og så retningen til utslaget på voltmeteret. Vi repeterte dette for prøve nr. 2 og noterte retningen til utslagene. Del 2 Peltier-kjøling Apparaturen fra Oppsett 1 ble tatt i bruk, men voltmeteret i oppsettet ble erstattet med en strømforsyning. Strømforsyningen ble stilt inn slik at det gikk 0.70 A gjennom Peltierelementet. Kobberloddets starttemperatur T 0 ble målt og målingen ble gjentatt hvert 30. sekund, over ca. 11 minutter til temperaturen flatet ut. Del 3 Seebeck-koeffisienten for Peltierelementet Apparaturen fra Oppsett 1 ble tatt i bruk. Metallsylinderens temperatur T 2 ble målt og satt konstant for hele Del 3. Kobberloddet ble varmet noen grader. Hvert 15. sekund ble spenningen E, i kretsen opp mot temperaturen i kobberloddet til loddet var avkjølt. Del 4 Bestemmelse av varmekonduktiviteten Vi utnyttet måleresultatene i del 3, til denne delens utregninger. 4 - Oppsett 1, Et Peltierelement ligger på en metallsylinder med konstant temperatur, med et kobberlodd over seg, systemet er isolert med isopor og vi har muligheten til å måle temperaturen til kobberloddet opp mot spenningsfallet over Peltierelementet. 5

6 Spenning U (mv) Temperatur T ( C) MENA 1000 LAB 1 Høst 2013 Del 1 Resultater og Diskusjon Prøve Blank Blå Spenningsutslag Negativt Positivt Den blanke halvlederprøven ga et negativt utslag på voltmeteret. Voltmeteret viser positiv strømretning fra positiv kontakt til negativ kontakt (for tenkte positive ladningsbærere), så positivt utslag vil si at elektronene går fra negativ kontakt til positiv kontakt ,7 27, Oppsett 2, koblingskjema for utprøvning av halvledermetallene med trømretning for n- og p-leder. Da den varme siden av halvlederen er koblet til positiv kontakt på voltmeteret, vil ladningsvbærerene gå mot negativ kontakt. Om vi får et negativt utslag vil det si at helvledermetallet er en p-leder og omvendt vil et positivt utslag være n-leder. Da er blank halvleder en p-leder og blå halvleder er n- leder. I en termogenerator kobles terninger av p- og n-type materiale konstruktivt sammen for å få ut en større spenning. Dett kobles som på Illustrasjon 4, her ser vi at begge typene materiale frakter ladningsbærerene mot kald side, men der n-typen frakter elektroner frakter p-typen positive elektronhull, dvs. p-typen frakter indirekte elektroner mot varm side. Om disse kobles i serie vil vi får en krets der hver terning er med på å øke spenningen vi får. Illustrasjon 4 - En rekke av p- og n-ledere som er koblet konstruktivt sammen og danner en termogenerator. Rød bakgrunn tilsvarer varm side og blått tilsvarer blå side Hvite piler viser elektronenes bevegelsesretning, strømretning vil være motsatt retning. Del 2 Starttemperaturen T 0 ble målt til 22.5 C. Måleresultatene er satt i Diagram 1. Vi ser at temperaturen synker, men den stagnerer mot slutten av målesekvensen. Mot slutten synker temperaturen med 0.2 C hvert 30. sekund, og den siste målingen var på 13,2 C. Både trenden, og en 5.-grad polynomtilnærming av trenden viser at temperaturen antageligvis vil stagnere på rundt C. Noe som er rundt grader under 24 romtemperatur. 22 Del 3 Starttemperaturen T 2 til metallsylinderen ble målt til 24,3 C og ble antatt konstant for hele del-øvelsen. Med 15. sekunders mellomrom ble spenningen målt opp mot temperatur og lagt i Diagram 2. Ved lineær regresjon, fikk vi en funksjon med y = -23,973x ,17 27,1 Diagram 1 - Peltier kjøling Diagram 2 - Spenning fra Peltierelement ,8 26,5 26,2 25,9 25,6 Temperatur t (s) Tid t (s) 25,3 25 Kommentert [JS1]: Omvendt ogsa i figuren og konklusjon, du ma se det som stromkilde

7 ln(ut/u₀) MENA 1000 LAB 1 Høst 2013 stigningstall -23,97, ifølge teorien skal da Seebeck-koeffisienten være S ab = 23,97 mv/ Kommentert [JS2]: Kelvin Del 4 Resultatene fra del 3 er brukbare i utregningen i del 4 siden tiden også ble kontrollert under del 3, vi ser på den naturlige logaritmen til spenningsfunksjonen opp mot spenningen ved t=0. ln ( U t U 0 ) Målingen av spenning (fra Del 3), ble gjort hver 15. sekund noe som ga en mer detaljert graf hvor det er lett å se trenden. Dette kan vi se i Diagram 3. Ved lineær regresjon finner vi stigningstallet: Som ifølge teorien skal være lik: Vi vet arealet A og tykkelsen d til Peltierelementet, og Diagram 3 - Spenningsforhold over tid y = -0,0038t + 0, Tid t (s) varmekapasiteten C til kobberloddet, det vi si varmeledningsevnen λ til Peltierelementet er: C = 52 J/K d = 0,004m A = 0,0009m 2 0,0038 Cd λ = = A 0, ,004 0,878 W/K m 0,0009 Feilkilder Siden øvelsen har deler som er avhengig av manuell avlesning av apparater opp mot tid, vil det alltid bli være rom for feil under hver avlesning, men dette vil kunne slå ut i begge retninger som vil si at i det lange løp vil det ikke ha mye å si. Utregningene baserer seg på idealiserte formler som tar mange forutsetninger, det kan være at omgivelsene og utstyret ikke oppfyller disse forutsetningene for at formlene skal stemme perfekt. Joule-effekten og Peltiereffekten ble ikke skilt under målingene, dette vil si at avkjølingen vi målte kan være mindre enn den teoretiske avkjølingen til peltiereffekten, på grunn av oppvarmingen fra Joule-effekten. Program Programmet under ble skrevet for å simulere en målesekvens ved hjelp av konstantene vi fikk i forsøket og varmekonduktiviteten λ som er regnet ut i Del 4. 7

8 Kommentert [JS3]: Fint med kommentarene, hadde vart enda bedre med enhetene, leser ikke in konstantene Program 1 8

9 ln(u/u0) MENA 1000 LAB 1 Høst 2013 En utskrift av programmet ga disse resultatene: U(0): ln(u(0)/u(0)) 0.0 U(15): ln(u(:15): U(30): ln(u(:30): U(45): ln(u(:45): U(60): ln(u(:60): U(75): ln(u(:75): U(90): ln(u(:90): U(105): ln(u(:105): U(120): ln(u(:120): U(135): ln(u(:135): U(150): ln(u(:150): U(165): ln(u(:165): U(180): ln(u(:180): U(195): ln(u(:195): U(210): ln(u(:210): U(225): ln(u(:225): U(240): ln(u(:240): U(255): ln(u(:255): U(270): ln(u(:270): U(285): ln(u(:285): U(300): ln(u(:300): U(315): ln(u(:315): U(330): ln(u(:330): U(345): ln(u(:345): U(360): ln(u(:360): U(375): ln(u(:375): U(390): ln(u(:390): U(405): ln(u(:405): U(420): ln(u(:420): U(435): ln(u(:435): U(450): ln(u(:450): U(465): ln(u(:465): U(480): ln(u(:480): U(495): ln(u(:495): U(510): ln(u(:510): U(525): ln(u(:525): U(540): ln(u(:540): U(555): ln(u(:555): U(570): ln(u(:570): U(585): ln(u(:585): U(600): ln(u(:600): U(615): ln(u(:615): U(630): ln(u(:630): U(645): ln(u(:645): U(660): ln(u(:660): U(675): ln(u(:675): U(690): ln(u(:690): U(705): ln(u(:705): U(720): ln(u(:720): U(735): ln(u(:735): U(750): ln(u(:750): U(765): ln(u(:765): U(780): ln(u(:780): Verdiene som ble skrevet ut ligner veldig på måleresultatene, dette tilsier at den utregnede verdien lambda er tilnærmet riktig opp mot den varmeledningsevnen til Peltierelementet. -3 Diagram 4 - Forhold mellom målt og simulert data -2,5-2 -1,5-1 -0, Målte verdier Tid t (s) Simulerte verdier Lineær (Målte verdier) Lineær (Simulerte verdier) I Diagram 4 er de målte spenningsverdiene satt opp mot de datasimulerte spenningsverdiene basert på de konstantene som var oppgitt og de som ble regnet ut. Datasimuleringen stemmer godt med det faktiske måleresultatet. 9

10 Konklusjon Av de to prøvene er blank prøve en p-leder, og blå prøve er n-leder. Koblet konstruktivt vil disse danne et termoelement. Termoelementet som ble testet under øvelsen kunne om man koblet strøm til, senke temperaturen på én side i elementet til rundt 13 grader under romtemperatur. Elementet hadde en Seebeck-koeffisient på -24, og varmeledningsevne λ på -0, b Strålingskube og varmestrålingsdetektor Innledning I denne deløvelsen går ut på å se på elektromagnetisk stråling fra en strålingskube om dette passer inn i Plancks strålingslov og Stefan-Boltzmanns lov. Om stålingen fra kuben passer kan dette anses som et sort legeme. Kommentert [JS4]: enhet Kommentert [JS5]: enhet Teori Energien til et foton er gitt ved E = hf, hvor h er Planckskonstant og f er frekvensen, f er igjen definert som f = c, hvor c er lysfarten og λ er bølgelengden til lyset. Denne energien til lyset øker λ med kortere bølgelengde. Lysets energi vil derfor være energien til hvert foton gitt denne bølgelengden, kalt Fototnenergien til strålingen, den energien vi opplever er derimot gitt av den totale strålingsmengden, også kalt strålingsintensiteten, M. Et sort legeme absorberer alt av elektromagnetisk stråling som treffer overflaten, men sender tilbake et kontinuerlig spekter som er avhengig av temperaturen til objektet. Da all elektromagnetisk stråling blir absorbert av objektet vil objektet ved lav temperatur se sort ut. Fototnenergien til den elektromagnetiske strålingen som sendes ut øker med økende temperatur. Dette vil si at strålingen vi ser, vil gå fra rødt mot blått og tilslutt hvitt når temperaturen til objektet øker. Ved en vilkårlig temperatur vil et fullverdig sort legeme stråle ut mer termostråling enn alle andre legemer som ikke kan betegnes som sorte. Plancks strålingslov sier at stråling fra et sort legeme vil fordele seg på samme form, bare forskjøvet på x-aksen med temperaturen. Da følger Wiens forskyvningslov som sier at bølgelengden med størst intensitet stålt fra et sort legeme er invers proporsjonal med legemets temperatur, ganget med kontanten a = 0,00290 K m. 5 -Figur 1 Illustrasjon av plancks strålingslov λ m = a t Fra Plancks strålingslov bygger også Stefan-Boltzmanns lov. Den sier at strålingsintensiteten (M) fra et sort legeme er proporsjonal med absolutt temperatur (K) i fjerde potens, ganget med en konstant σ=5, W/m 2 K 4, også kalt Stefan-Boltzmanns konstant. M = σt 4 10

11 Eksperimentelt I øvelsen brukes en strålingskube med en 100W lyspære, sideflatene i kuben består av en svart, hvit, matt-metallisk og en blank-metallisk flate. Parameterne som skal måles er strålingskubens temperatur og intensiteten til strålingen kuben sender ut. Disse vil bli målt indirekte gjennom en temperaturavhengig elektrisk motstand som kalles en termistor. Vi vil derfor måle termistorens resistans og gjennom en tabell kunne se temperaturen det tilsvarer. For å måle strålingsintensiteten brukes en strålingsdetektor, som gir ut en spenning proporsjonal med kubens strålingsintensitet. Del 1 Stefan-Boltzmanns lov Strålingskuben var nylig brukt da forsøket skulle starte, temperaturen lå på 34 C da forsøket startet. Det ble derfor valgt et temperaturspekter over 30 C (34-64 C) hvor det ble målt en spenning for hver 2. grad. Vi rigget utstyret som vist på oppsett 3, og holdt strålingsdetektoren i en konstant avstand på 3 cm. Del 2 Absorbsjon av varmestråling i glass 7 Samme oppsett som i del 1 ble brukt, men avstanden - Oppsett 3 ble endret til 5 cm. Spenningsdetektorens termospenning blir lest av, og en glassplate blir satt mellom detektoren og kuben før termospenningen måles på nytt (her antas at kubens temperatur er konstant). Del 3 Stråling fra forskjellige flater I likhet med del 2 måles strålingsintensiteten mot en konstant temperatur, men i denne delen skal overflaten skal varieres. Først tas en måling av sort flate før kuben blir snudd så den blanke flaten er rettet mot detektoren og det tas ny måling. 11

12 Spenning U (mv) MENA 1000 LAB 1 Høst 2013 Resultater og Diskusjon Del 1 Spenningen som ble målt fra strålingsdetektoren opp mot temperaturen til strålingskuben ble satt i Tabell 1. Tabell 1 Temperatur ( C) Spenning (mv) 1,05 1,3 1,56 1,83 2,09 2,36 2,65 2,9 3,2 3,52 3,83 4,13 4,44 4,77 5,1 5,42 I Diagram 5 er spenningen U er på y-aksen, og (T 4 -T 04 ) på x-aksen. Ved et proporsjonalt forhold vil punktene ligge på en rett linje. I Diagram 5 ligger punktene på en tilnærmet rett linje, dette vil si at den sorte flaten kan ansees som et sort legeme. Da den sorte flaten kan ansees som et sort legeme vil Wiens forskyvningslov gjelde og vi kan finne bølgelengden til strålingen med størst intensitet. Diagram 5 6 y = 0,0184x - 0, (T⁴-T₀⁴) (K⁴) λ m = a T 34 = 9,446μm λ m = a T 64 = 8,605μm Kommentert [JS6]: det er infrarod straling Del 2 Målingene av termospenning med og uten glass ble satt i Tabell 2. Tabellen viser at glasset blokkerte varmestrålingen, Tabell 2 U/glass M/glass termospenningen med glass var tilnærmet lik spenningen Resistans R (kω) 21,4 21,6 voltmeteret viste med strålingsskjold. Glass slipper derimot Spenning U (mv) 4,36 0,2 igjennom synlig lys, som er derfor en kan se gjennom glass, små mengder UV-stråling slippes også igjennom men mesteparten blir absorbert. Dette er praktisk i et drivhus hvor det ønskes å oppnå høyere temperatur enn omgivelsene. Da lyset slippes gjennom og blir absorbert av planter og andre gjenstander, disse kan ikke betegnes som sorte legemer, men de absorberer stråling på visse frekvenser. De legemene vil sende ut stråling som vil reflekteres eller absorberes av glasset, da vil temperaturen stige i drivhuset fordi det får en tilførsel av energi gjennom lys, men slipper ut mindre energi enn det drivhus-systemet får tilført. 12

13 Del 3 Måleresultatene av termospenning med forskjellige flater ble satt i Tabell 3. Termospenningen fra detektoren var størst ved målingen med sort flate, det vil si at sort flate strålte med en høyere strålingsintensitet enn den blanke flaten. Tabell 3 Sort Blank Resistans 20,6 20,5 Spenning 4,48 0,33 Fra tidligere i øvelsen viste målinger at vi kunne anse den sorte flaten som et sort legeme, men dette kan vi derimot ikke med den blanke metallflaten, den blanke flaten reflekterer mye stråling og absorberer derfor ikke alt som treffer den. Et fullverdig sort legeme absorberer all stråling som treffer den, men i tillegg, stråler den mer termostråling enn alle andre legemer på samme temperatur. Dette vil si at den sorte flaten vil stråle mer termostråling enn den blanke noe som resultatene også tilsier. Feilkilder Under øvelsen var det menneskelige avlesninger fra apparater og tidsur, dette kan føre til noen unøyaktigheter og kan ha påvirket resultatene. Under øvelsen vil det skje en oppvarming av strålingsdetektoren, dette er prøvd unngått med strålingsskjoldet, og er har ikke gjort store utslag i denne øvelsen, men det kan være en faktor om det trengs stor nøyaktighet. Konklusjon Strålinkskubens sorte flate sender ut termostråling som er proporsjonal (T 4 -T 04 ) og kan derfor anses som et sort legeme. Der bølgelengden til strålingen med størst intensitet for 34 C var 9,446μm, og for 64 C var 8,605 μm. Glass blokkerer stråling rundt denne bølgelengden men ikke lys, dette er en god egenskap med tanke på drivhus. Sorte legemer stråler sterkere termostråling ved en gitt temperatur enn legemer som ikke anses som sorte. 13

14 1.c - Kalorimetri Innledning En reaksjon kan ha positiv eller negativ entalpiending, dette kalles at reaksjonen er endoterm eller eksoterm. Kalorimetri er å måle varmeutvekslingen fra denne reaksjonen. Endoterme og eksoterme reaksjoner er nyttige i dagliglivet, som for eksempel kjemiske håndvarmere på en kald vinterdag, disse er varmeposer hvor det skjer en eksoterm reaksjon. Teori Man kan se på kjemiske bindinger som energitilstander, det krever energi å bryte dem opp og gir ut energi når de oppstår. Entalpi er gitt av systemets indre energi, trykk og volum, om man tenker på volumet og trykket som konstant kan man se på entalpi i forhold til den indre energien. Dannelsesentalpi vil si entalpiendringen fra grunnstofftilstander og til et molekyl, dannelsesentalpien er alltid negativ fordi det gis ut energi i from av varme da bindingene oppstår, den indre energien blir lavere. Å bryte opp bindingene krever like mye energi som ble gitt ut da bindingene oppsto. Entalpiendringen for en reaksjon er derfor, ifølge Hess lov, dannelsesentalpien for produktet minus dannelsesentalpien for reaktantene: r H 0 = produkter f H 0 reaktanter f H 0 Varmekapasitet er den varmes som må tilføres et system for at temperaturen til systemet skal øke med en grad (K). Varmekapasitet C p er gitt i (J/K). En videreføring av varmekapasitet er den spesifikke varmekapasiteten, dette er varmen som må tilføres for at ett gram av stoffet skal varmes opp 1 grad. En annen variant av den spesifikke varmekapasiteten er molar varmekapasitet, som tilsvarer den varmen som må tilføres for at ett mol av stoffet skal varmes opp 1 grad. Spesifikk varmekapasitet for vann er 4,2 J/K. Nøytralisering av base og syre tilsvarer en reaksjon der oksonium og hydroksid danner vann, dette er en eksoterm reaksjon. + H 3 O (aq) + OH (aq) 2H 2 O (l) H < 0 Om dette skjer i et isolert system, vil løsningen få en høyere temperatur som en kombinasjon av entalpiendring og løsningens varmekapasitet, denne antar vi er lik vannets varmekapasitet siden vannet er løsemiddelet til basen eller syren og dominerer i løsningen. Varmemengden reaksjonen avgir kalles nøytraliseringsvarmen. Utstyr 2,0 M HCl 2,0 M NaOH Isoporbeger Plastsprøyte, 50 ml Fenolftaleinløsning Dataloggingsutstyr med temperaturmåler Magnetrøreverk Termometer 8 - Oppsett 4 Isoporbeger ble plassert i et begerglass og over et magnetrørverk, et termometer koblet til en datalogger måler temperaturen i begeret imens NaOH tilsettes med en sprøyte 14

15 Eksperimentelt Utstyret ble rigget som Oppsett 4, 50,0mL saltsyre ble målt opp i isoporbegeret og tilsatt to dråper av indikatoren fenoftalein. Temperaturen til syren og basen ble målt før 55 ml NaOH ble sugd opp i en plastsprøyte. Natriumluten ble tilsatt med en hastighet på 10mL på 10 sekunder, som tilsvarer ca. 1mL/s. Ved topp-punktet til temperaturgrafen leste vi av antall ml NaOH som var tilsatt i isoporbegeret. Resultater og Diskusjon Temperaturloggersystemet ga denne grafen. I teorien skal titreringspunktet ligge på 50mL NaOH mot 50mL HCL når disse har samme konsentrasjon. Ved temperaturmaksimum, hadde vi tilsatt ca. 49mL NaOH løsning. Fra teorien vet vi at nøytraliseringsreaksjonen er en eksoterm likevektsreaksjon, ved temperaturmaksimumen har alle oksoniumionene i løsningen reagert med hydroksidionene som ble tilsatt. Da har løsningen en temperatur på 38 C, her kan det ikke det skje noen temperaturøkning siden den ene av reaktantene er oppbrukt. 15

16 Når løsningen får tilsatt mer NaOH løsning vil det hovedsakelig tilsettes vann og litt hydroksidioner, da vil forholdet mellom produkter og reaktanter være ulikt forholdet i likevekten og litt vann spaltes til oksoniumioner og hydroksidioner. Dette er en endoterm prosess og temperaturen til løsningen vil mine litt. Den største temperaturendringen kommer av at vi tilsetter 5mL NaOH løsning etter temperaturmaksimum, dette er løsning med temperatur lik 24 C som er betydelig mindre enn 38 C. Forholdet mellom volum og temperatur kan regnes ut og vise hva temperaturen blir, sett bort ifra reaksjoner. Ved temperaturmaksimum kan vi anta det er 100mL med 38 C, og tilsetter 5mL med 24 C. 100mL mL 24 37,3 100mL + 5mL Dette stemmer godt med grafen, temperaturendringen fra den forskjøvede likevekten også tas med stemmer dette bedre. Kommentert [JS7]: veldig fint Vi har en temperaturendring T på 14K, siden løsningene er hovedsakelig vann setter vi løsningens varmekapasitet til 4,2 J/gK som er vannets varmekapasitet og massetetthet til 1g/mL. Da får vi en spesifikk varmekapasitet gitt ml, 4,6 J/mL K, om vi multipliserer med T og volum, får vi totale energi. 4,2J 100 ml 14K ml K = 5880J Entalpi er gitt ved J/mol eller kj/mol, og derfor kan vi dele på antall mol for å finne entalpiendring. Siden vi har en 2 molar løsning, 2mol/L vil vi først måtte gange molar med startvolum, som vil si 50ml. Kommentert [JS8]: skriv i formelen DELTA_N H og generel formel du bruker = =5880J 2 mol 0,05L L = 0,1mol 5880J 0,1 mol = 5, 88 kj/mol Kommentert [JS9]: 58,8kJ/mol Vi har nå funnet hvor stor entalpiendringen er ut til omgivelsene, dette vil derfor være med negativt fortegn for selve nøytraliseringsreaksjonen. + H 2 O (aq) + OH (aq) 2H 2 O (l) H nøytralisering = 58,8kJ/mol Feilkilder Systemet som ble jobbet med var ikke et reelt isolert system, vi jobbet med et lukket system siden vi ikke utveksler masse med omgivelsene, men antar at dette er isolert siden vi ser på dette over et kort tidsrom. Under øvelsen var det menneskelige målinger av løsninger, som kan ha ført til målefeil. Konklusjon Nøytralisering av syrer og baser er en likevektsreaksjon som er eksoterm, ved titrering av syre mot base vil temperaturen øke jevnt helt til et temperaturmaksimum nåes. Om tilførselen av base fortsetter vil temperaturen synke på grunn av forskyvning av likevekt og fordi den tilsatte løsningen har betydelig lavere temperatur i forhold til blandet løsning. 16

17 1.d «Termodynastrikk» Innledning Vi skal se på spontane og ikke spontane reaksjoner, endoterme og eksoterme reaksjoner for en latex ballong, ut i fra dette skal vi se hvordan Le Châtelieres prinsipp fungerer for termodynamiske prosesser. Kommentert [JS10]: gummi Teori I termodynamikken er begrepet Gibbs energi, for å avgjøre om en reaksjon er spontan eller ikke. Gibbs energi er gitt ved entalpi, temperatur og entropi. G = H TS Siden entalpi, og entropi er tilstandsfunksjoner, er også Gibbs energi det. Det er derfor vanlig å beregne endring i Gibbs energi for å avgjøre om en reaksjon er spontan eller ikke. G = H T S Fortegnet til G avgjør om reaksjonen er spontan eller ikke. Ved G<0 er reaksjonen spontan, ved G=0 er reaksjonen i likevekt, ved G>0 er reaksjonen spontant fra produktene mot reaktantene. Le Châteliere s prinsipp sier at om et system er i likevekt og blir utsatt for en ytre påvirkning, vil likevekten forskyves så den ytre påvirkningen motarbeides. Eksperimentelt En latexballong ble brukt til øvelsen, ballongen ble strukket ut og lagt mot pannen for å kjenne en eventuell temperaturendring. Ballongen ble romtemperert i utstrakt tilstand før den så ble sluppet tilbake og lagt mot pannen for å kjenne eventuell temperaturendring. Ut i fra dette skulle det lages en hypotese om neste steg i øvelsen. Én ende av ballongen ble festet til et lodd, den andre enden til et stativ, og ballongen med loddet var plassert i en målesøyle som fylles med vann av varierende temperatur. Som et referansesystem ble søylen fult med romtemperert vann. Deretter varmt og så kaldt. Resultater og Diskusjon Da strikken ble strukket ut føltes den varm mot pannen, dette kunne både ha vært friksjon innad i materiale, eller en termodynamisk reaksjon noe som tilsier en eksoterm reaksjon H<0, samtidig kan vi se at dette ikke er en spontan reaksjon siden strikken ikke strekker seg ut av seg selv G>0. Men for at G skal bli positiv når H er negativ, må også S være negativ. G = H T( S) Da strikken fikk romtemperatur i strukket tilstand, ble den sluppet og den føltes kald mot pannen, dette var da en endoterm prosess H>0, vi ser også at dette er en spontan prosess siden i det vi slipper strikken går den tilbake til normal lengde G<0. For at G skal være negativ når H er positiv må også S være positiv. G = H T S Kommentert [JS11]: du kan ikke skrive formelen son, setningen for er nok. Ellers sa kunne du har lagt en tabel som viser om det er positiv forteign eller ikke Vi vet nå at dette ikke bare skyldes friksjon innad i materiale men også termodynamiske prinsipper. Om en gass er dette motsatt, når gassen varmes opp vil S være positiv fordi molekylene vil bevege seg mer det blir mer uorden på gassen, ved avkjøling vil S være negativ fordi molekylene går saktere og vil derfor være mer «ordnet». 17

18 Vi ser at entropien synker når ballongen strekkes, og øker når den går tilbake til normal lengde. Dette må være grunnet materialets oppbygning. Ballongen er bygget opp av polymerere, disse ligger i et «kaos», noe som gir ballongen sine egenskaper. Når vi strekker ballongen, vil polymerne legge seg i et mer systematisert mønster og entropien synker. Da de to tilfellene er eksoterm og endoterm, kan vi anse disse prosessene som termodynamiske og ikke kinetiske. Da strikken var festet til et lodd og plassert i målesøylen med romtemperert vann, Ved Le Châtelier s prinsipp vil strikken i normal lengde, og derfor også i likevekt, motvirke ytre påvirkninger. Da vi tilfører systemet varme ved å bruke 9 - Illustrasjon 5 polymerere i strikken strekkes og får lavere entropi, når utstrakt strikk slippes øker entropien. varmt vann, vil reaksjonen motvirke dette ved å gå i endoterm retning, dette vil si å trekke seg sammen. Det samme med kaldt vann, vil reaksjonen motvirke kulden ved å gå i eksoterm retning, strekke seg ut. Kommentert [JS12]: her glemte du bare observasjonen Feilkilder Temperaturforskjellen mellom romtemperatur og det vannet med lavest temperatur var liten, som ga en liten endring i lengde ved avkjøling, ved en større temperaturforskjell vil endring i lengde bli mer merkbar. Konklusjon Strekning latexballong i likevekt og å slippe en ballong kan ses på som termodynamiske likevektsreaksjoner og vil følge Le Châtelier s prinsipp. Oppbygningen av latexballongen er slik at det er mest uorden ved likevekt, og graden av uorden synker når den blir strukket ut. Siden ballongen følger Le Châtelier s prinsipp vil den krympe i varmt vann. 18

19 Bildeliste m. kilder 1 Lokus, , ( 2 Labhefte MENA , , s. 9 ( 3 Selvlaget illustrasjon 4 Labhefte MENA , , s. 11 ( 5 Wikipedia, Plancks strålingslov, ( 6 Selvlaget illustrasjon 7 Selvlaget illustrasjon 8 Selvlaget illustrasjon Kilder Nasjonal Digital Læringsarena, Elektrisk strøm, , ( Store Norske Leksikon, ledningsbånd, , ( Store Norske Leksikon, ultrafiolett stråling, , ( Store Norske Leksikon, varmekapasitet, ( Store Norske Leksikon, svart legeme, ( 19