Varme innfrysning av vann (lærerveiledning)

Transkript

1 Varme innfrysning av vann (lærerveiledning) Vanskelighetsgrad: liten Short English summary In this exercise we will use the data logger and a temperature sensor to find the temperature graph when water freezes to ice. We will also test the statement: Hot, boiled water freezes faster than cold water. Faglig bakgrunn Øvelsen går ut på å måle temperatur som funksjon av tid ved faseovergang når vann avkjøles og fryser til is. Ved avkjøling av vann vil vannet miste indre energi, både kinetisk og potensiell. I første del når alt er vann (væske) og temperaturen synker fra starttemperatur til null, faller bare indre kinetisk energi. I andre del under innfrysningen, når vi har en blanding av vann og is (væske og fast stoff), og temperaturen er konstant på 0 o C, faller bare indre potensiell energi. I tredje og siste del når alt er is (fast stoff), og temperaturen faller fra null til sluttemperaturen, faller igjen bare indre kinetisk energi. Innfrysningsgrafen er lett å lese. Det er også mulig å studere en periode der vannet er underkjølt. I en amerikansk lærebok i grunnleggende kjemi for universitet og høgskoler 1 står følgende påstand: Hot, boiled water freezes faster than cold water. At varmt vatn skal kunne fryse inn raskere enn kaldt vatn, er en så merkeleg påstand, at den er verd å sjekke om den vikelig kan være sann. Hva tror elevene? Teknisk bakgrunn Til forsøket trenger vi bare dataloggeren, to temperatursensorer og en fryseboks eller et fryseskap. Innfrysningen varer et par timer. Utstyr - Fryseboks eller fryseskap - 2 små begerglass (25 50 ml) - Datalogger med to temperatursensorer. 1 Donald A. McQuarrie and Peter A. Rock: General Chemistry, Third edition, W.H. Freeman and Company, New York 1991: Page 3. Dette verk er lisensieret under en Creative Commons Navngivelse 3.0 Norge Lisens. Les mere om projektet på Side 1 av 5

2 Oppstilling av utstyret Utstyret stilles opp på en måte som på bildene under: Bildet viser utstyret ferdig montert før måling. Bildet viser sensoren plassert midt inne i vannet. Måling er i gang. Loggeren er plassert på en stol utenfor, mens begerglassene med vann og sensorer er inne i fryseskapet. Framgangsmåte Vi bruker to små begerglass. I det ene begerglasset har vi f.eks. 25 ml nykokt varmt vann, og i det andre 25 ml kaldt vann som er tappet fra en vannkran. Det er viktig at det varme vannet får koke en liten stund før bruk. Vi setter loggeren til å gjøre målingar hvert 30. sekund, og det må stilles inn for begge sensorene. Temperatursensorene plasserer vi ved hjelp av tape midt inne i vannet i hvert av glassene. Det er viktig at temperatursensoren ikke bli liggende inn mot veggen av begerglasset. Vi setter de to begerglassene med sensorene et lite stykke fra hverandre inne i en fryser som holder f.eks. -18 o C. Loggeren plasserer vi rett utenfor fryseren. Dette verk er lisensieret under en Creative Commons Navngivelse 3.0 Norge Lisens. Les mere om projektet på Side 2 av 5

3 Vi stiller loggeren slik at den registrerer to målinger i samme koordinatsystem. Her er eksempel på tidsgrafer slik de kan se ut på dataloggeren: Ved hjelp av et hjelpeprogram for dataloggaren (Pasco GLX), DataStudio, kan vi tegne grafen litt finere og i fargar. I denne grafen er tiden langs x-aksen målt med enheten minutt: Dette verk er lisensieret under en Creative Commons Navngivelse 3.0 Norge Lisens. Les mere om projektet på Side 3 av 5

4 Kommentar til disse grafene: Grafen til temperatur2 (kokt vann, grønn farge) er ikke slik den burde være under innfrysningen (fase d) i spørsmål 2 under). Den burde være konstant lik null grader. Trolig har temperatursensoren i dette begerglasset kommet i kontakt med glassveggen. Etter 180 minutter var døren til fryseren åpen noen ganger. Det kan kanskje forklare den litt spesielle formen på grafene i denne sluttfasen. Spørsmål til drøfting 1. Hvilket vann frøs først det varme eller kalde? Hvordan kan vi forklare at det varme vannet avkjøles raskere enn det kalde? (Se forklaring på neste side!) 2. Del grafene i fem ulike deler fra venstre mot høyre: a) temperaturen går fra startverdi til null grader, b) temperaturen går fra null og noen grader under null, c) temperaturen går raskt opp til null, d) temperaturen er akkurat null grader, og e) temperaturen går fra null og ned til sluttemperatur. Forklar hva som skjer med vannet i begerglassene i disse tidsintervallene. 3. Hva er underkjølt vann (fase b) i spørsmål 2 over), og hvorfor dannes det en periode før vannet begynner å fryse. Hvorfor går temperaturen så raskt opp til null i fase c)? 4. Går det varme til eller fra vannet under avkjølingen/innfrysningen? 5. Prøv å forklare på hvilken måte vannet taper indre energi under avkjølingen/innfrysingen. Variasjoner av forsøket 1. La begerglassene med sensorene i isen stå i fryseren inntil vannet har fått samme temperatur som fryseren, f.eks. -18 o C. Begerglassene kan gjerne stå til neste dag, og du trenger ikke måle i denne perioden. Prøv så å sette de kalde begerglassene inn i en stekeovn som er forvarmet til en lav temperatur, f.eks. 50 o C. Formuler en hypotese om hvordan oppvarmingsgrafene kommer til å se ut, og hvilket av glassene som begynner å smelte først. La begge glassene stå i stekeovnen til temperaturen i begge glassene er godt over null grader. 2. Prøv selv å finne andre situasjonen der det kanskje skjer en naturlig temperaturutvikling (forandring) med tiden. Prøv å måle temperaturutviklingen. Her er noen eksempler: a) Hvordan går den med temperaturen i gipspulver (CaSO 4 ½H 2 O) når denne tilsettes litt vann (med romtemperatur) og stivner? Hva skjer kjemisk med blandingen når den stivner? b) Spør på sykehuset om å få litt hurtiggips (brukes ved arm- og benbrudd) og mål temperaturutviklingen når denne fuktes og stivner, noe den gjør på få minutter. c) Lag en brøddeig som bruker gjær som hevemiddel. Bruk væske med temperaturen på ca. 30 o C i denne deigen. Mål temperaturutviklingen inne i deigen mens den hever seg. Prøv å forklare resultatet. d) Egne forslag blant elevene? Dette verk er lisensieret under en Creative Commons Navngivelse 3.0 Norge Lisens. Les mere om projektet på Side 4 av 5

5 Brøddeig under heving: Lag brød eller rundstykker og kos dere med dem etterpå. Forklaring på hvorfor varmt, kokt vann fryser raskere enn kaldt vann: I utgangspunktet virker det naturlig at påstanden er uriktig. Kaldt vann har lavere temperatur enn varmt vann og således kortere vei ned til frysepunktet på null grader. Men... Forklaringen er at rent, friskt kaldt vann inneholder mye luft. Det er derfor fisk kan leve i slikt vann, den får nok oksygen. Når vi koker vannet, forsvinner denne luften ut. Vann som inneholder luft gir fra seg varme mye dårligere enn rent vann uten luft. Vann med og uten luft har forskjellig spesifikk varmekapasitet, hvilket vann har den høyeste? Prøv et lite forsøk: Kok opp ca. en halv liter rent vann og la det koke et minutt. Avkjøl til romtemperatur og sett vannet deretter i kjøleskapet minst en time. Smak på det. Det smaker dødt sammenliknet med friskt kaldt vann. Ta halvparten av dette kalde, kokte vannet og visp det kraftig med en visp eller helst en hurtigmikser. Smak på det nå. Smaker det bedre? Hva skjer med vannet når vi visper det? Dette verk er lisensieret under en Creative Commons Navngivelse 3.0 Norge Lisens. Les mere om projektet på Side 5 av 5