Celem doświadczenia jest zbadanie zależności temperatury wody od czasu w trakcie jednostajnego dostarczania ciepła oraz wyznaczenie, na tej podstawie, ciepła właściwego wody.

Temperatura wody $t$ rośnie liniowo wraz z czasem $\tau$, jeśli ciepło jest dostarczane ze stałą mocą $P$.

Zapoznaj się z wyposażeniem laboratorium. Zwróć uwagę na takie trzy cechy dostępnych przyrządów:

• Pomiar temperatury jest dokonywany z rozdzielczością $\Delta t = 0,1\text {°C}$.

• Pomiar czasu jest dokonywany z rozdzielczością $\Delta \tau = 0,01\text { s}$.

• Synchroniczny start ogrzewania i pomiaru czasu jest zapewniony jedynie przy pierwszym włączeniu czajnika.

Nasze wirtualne laboratorium umożliwia przeprowadzanie pomiarów w różny sposób i samodzielne zdecydowanie o organizacji pracy. W poniższym ćwiczeniu podajemy kilka możliwości. Zdecyduj, które wybrać. Może się zdarzyć, że Twój wybór będzie inny, niż nasz. To nie jest błąd, tylko różne punkty widzenia.

W wirtualnym laboratorium przeprowadzono eksperyment w celu wyznaczenia zależności temperatury wody w czajniku od czasu jej podgrzewania. Przed wykonaniem właściwego doświadczenia przeprowadzono kilka pomiarów próbnych. Okazało się, że bardzo trudno było odczytywać jednocześnie temperaturę z czajnika i czas ze stopera. Odczytanie w takich warunkach czasu dokładnością 0,01 s było niewykonalne (maksymalna dokładność, jaką można było w tych warunkach założyć, to kilka dziesiątych sekundy). Rozwiązaniem problemu jednoczesnego odczytu mogłoby być przeprowadzenie pomiarów przez dwóch eksperymentatorów: jeden z nich głośno informuje, kiedy drugi powinien odczytać temperaturę, na przykład co 10 sekund. Innym rozwiązaniem jest nagranie filmu video podczas przeprowadzania doświadczenia i późniejsza analiza poklatkowa nagrania. Ostatecznie zdecydowano się na rozwiązanie, w którym eksperymentator wykonywał zdjęcia ekranu mniej więcej co 10 sekund. Otrzymane w ten sposób wyniki zebrano w tabeli.

Opracowanie wyników pomiarów.

W opracowaniu przyjmij, że stałe wartości w Wirtualnym Laboratorium, objętość wody w czajniku $V=900\text{ ml}=0,9\text{ l}$ oraz moc grzałki $P=2 \text { kW}$ znane są dokładnie. Przyjmij także gęstość wody $d=1\text{ }\frac{\text{g}}{\text{ml}}=1\text{ }\frac{\text{g}}{\text{cm}^3}$ jako wielkość stałą i znaną dokładnie.

Adekwatność doboru przyrządów pomiarowych w Laboratorium

W zaproponowanym doświadczeniu sposób oraz wynik szacowania niepewności $u(\tau)$ oraz $u(t)$ zależy od przyjętej organizacji pracy.

Celem doświadczenia jest:

1. Zbadanie zachowania się wrzącej wody, do której dostarczane jest ciepło.

2. Wyznaczenie ciepła parowania wody (opcjonalnie).

W miarę dostarczania ciepła, wrzącej wody w naczyniu ubywa, ale jej temperatura pozostaje stała.

1. Obserwacja zachowania wrzącej wody

W wirtualnym laboratorium przeprowadzono doświadczenie analogiczne do poprzedniego, ale po osiągnięciu przez wodę temperatury 100 Indeks górny o^oC nie zaprzestano pomiarów. Zauważono, że woda w czajniku cały czas wrze, jej ilość się zmniejsza, a wyniki pomiaru czasu i temperatury zebrano w tabeli pomiarów nr 2. Obserwacje prowadzono od osiągnięcia przez wodę temperatury 100 Indeks górny o^oC do chwili wyparowania całej wody z czajnika pamiętając, że w rzeczywistych warunkach nie należy tak robić, gdyż grozi to zniszczeniem czajnika, a nawet pożarem.

2. Ciepło parowania wody (dla zainteresowanych)

Przeprowadzono kompleksowe doświadczenie, którego zasadniczym celem było wyznaczenie ciepła parowania wody $c_{p}$ (cel nr 2 doświadczenia).

Doświadczenie polegało na pomiarze czasu $\tau_{p}$, po którym objętość wrzącej wody w czajniku zmniejszy się o określoną wartość $V_{p}$. Przyjmij, że ustalone są wartości mocy grzałki $P=2\text { kW}$ oraz gęstości wody $d=0,958\text{ }\frac{\text{g}}{\text{ml}}=0,958\text{ }\frac{\text{g}}{\text{cm}^3}$ (w temperaturze $t=100 \text {°C}$). Wtedy możesz wyrazić masę $m_{p}$ wody odparowanej w wyniku dostarczenia ciepła $Q$ i skorzystać ze związku

W wirtualnym laboratorium przeprowadzono doświadczenie polegające na wykonaniu serii opisanych wyżej pomiarów. Za każdym razem rozpoczynano ogrzewanie wody od początku, korzystając z opcji dziesięciokrotnego przyspieszania czasu w laboratorium. Gdy woda w czajniku zbliżała się do wrzenia, wyłączano „czasoprzyspieszacz”, by jak najprecyzyjniej włączyć stoper w chwili osiągnięcia przez wodę temperatury 100 Indeks górny o^oC, a wyłączyć go, gdy jej poziom zrówna się z wybranym znacznikiem. W celu racjonalizacji wykorzystania czasu wybrano znacznik 450 ml objętości wody pozostałej w naczyniu. Uzyskane wyniki zebrano w tabeli pomiarów nr 3.

Opracowanie i interpretacja wyników

Przyjmij, jak w doświadczeniu 1, że stałe wartości w Wirtualnym Laboratorium, masa wody w czajniku $m = 900 \text { g}$ oraz moc grzałki $P=2 \text { kW}$ znane są dokładnie. Przyjmij także, że znaczniki objętości na czajniku są naniesione precyzyjnie.