Wirtualne Laboratorium WL‑S
Badanie wpływu ciśnienia na temperaturę wrzenia wody
Przeprowadź dwuczęściowy eksperyment w wirtualnym laboratorium. Wykonaj ćwiczenia i polecenia związane z wyposażeniem pracowni, dokonaniem pomiarów oraz opracowaniem wyników.
Opis Wirtualnego Laboratorium
Na ekranie wirtualnego laboratorium, w jego centralnej części widać przezroczysty czajnik elektryczny z pomarańczową rączką i przykrywką, na żółtej podstawie, w której zamontowany jest czerwony włącznik. W czajnik wbudowana jest miarka wskazująca przybliżoną objętość nalanej wody, z podziałką zawierającą oznaczenia 600 ml i 900 ml. Do czajnika włożony jest termometr cyfrowy wskazujący temperaturę wody z dokładnością do 0,1 Indeks górny ooC. Czajnik automatycznie wyłącza się, gdy ciecz znajdująca się w nim zaczyna wrzeć. Po prawej stronie u góry ekranu widać stojącą na półce bardzo dużą butelkę wody, którą można wykorzystywać każdorazowo do napełniania czajnika.
Czajnik umieszczony jest w przezroczystej prostopadłościennej komorze próżniowej z pokrywą u góry, którą przed doświadczeniem należy nałożyć na komorę, a zdjąć na przykład w celu nalania wody do czajnika. Z prawej strony, pod butelką z wodą znajduje się duży manometr wskazujący spadek ciśnienia w komorze próżniowej, z podziałką główną od 0 do 1000 mbar co 50 mbar, podziałką pomocniczą co 10 mbar i zaznaczonymi wartościami co 100 mbar. Manometr połączony jest z komorą poziomą rurą koloru ciemnoniebieskiego.
W ten sposób połączony jest z komorą układ pompy, znajdujący się pod manometrem, składający się (patrząc od góry) z zaworu rozszczelniającego komorę, włącznika hebelkowego pompy z pozycją ON po prawej i OFF po lewej stronie oraz samej pompy, umieszczonej w żółtej obudowie.
Aby wykonać pomiar, należy nalać wodę do czajnika, zamknąć komorę próżniową pokrywą i włączyć pompę na pewien czas tak, by osiągnąć wybraną wartość ciśnienia. W razie potrzeby można na chwilę otworzyć zawór rozszczelniający. Następnie trzeba włączyć czajnik i zaobserwować temperaturę wrzenia (najwyższą wskazywaną przez termometr, w chwili wyłączania się czajnika).
Wyznaczenie zależności temperatury wrzenia wody od ciśnienia
Jak temperatura wrzenia wody zależy od ciśnienia?
Zapoznaj się z wyposażeniem wirtualnego laboratorium oraz wypróbuj jego działanie pod kątem przygotowania do wykonania doświadczenia, które rozstrzygnie hipotezę badawczą. Poszukaj odpowiedzi na poniższe pytanie.
Zaplanuj kolejność czynności, jakie będziesz wykonywać przeprowadzając doświadczenie i wpisz ją do formularza w dzienniku badań. Zwróć uwagę na następujące zagadnienia.
Jak ustawić wymaganą wartość ciśnienia w komorze próżniowej? Możesz posługiwać się zarówno włącznikiem pompy jak i zaworem rozszczelniającym.
Jaką dokładność odczytu ciśnienia należy przyjąć?
Jak odczytać temperaturę wrzenia wody w czajniku?
Jaką dokładność odczytu temperatury należy przyjąć?
Ile pomiarów dla różnych wartości ciśnienia należy wykonać, by wyczerpująco odpowiedzieć na pytanie badawcze?
W jaki sposób należy zorganizować i zaprezentować wyniki doświadczenia?
Uzyskane dane można porównać z wartościami tablicowymi znajdującymi się w drugiej podpowiedzi.
W dzienniku badań znajdują się tabele do zapisywania wyników. Przygotuj je wpisując nagłówki kolumn. Pamiętaj o podaniu jednostek wielkości fizycznych. Nie musisz wykorzystać wszystkich kolumn.
Zdecyduj, czy chcesz przeczytać pierwszą podpowiedź, czy opracować najlepszą technikę wykonywania pomiarów i przedstawienia wyników samodzielnie.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DvwD6dZQK
Podsumuj wyniki swojego eksperymentu:
Sformułuj konkluzję.
Oceń, jaki jest charakter otrzymanej zależności i czy Twoja hipoteza badawcza potwierdziła się.
Porównaj jakościowo (intuicyjnie) uzyskaną przez Ciebie zależność z wartościami tablicowymi. Sprawdź, czy wśród wyników nie występują takie, które trzeba wyeliminować, gdyż obarczone są błędami grubymi. Skomentuj, czy odstępstwa Twoich danych od zależności tablicowej mają charakter przypadkowy, czy systematyczny.
Podsumowanie doświadczenia wpisz do poniższego formularza.
Wyznaczenie zależności temperatury wrzenia wody od ciśnienia
Jak temperatura wrzenia wody zależy od ciśnienia?
Zapoznaj się z wyposażeniem wirtualnego laboratorium. Spróbuj odpowiedzieć na poniższe pytanie.
W wirtualnym laboratorium wykonano doświadczenie w taki sposób, jak w opisie doświadczenia we wstępie. Wyznaczano temperaturę wrzenia dla poszczególnych wartości ciśnienia od 100 do 1000 mbar, co 100 mbar. Precyzyjne ustawienie ciśnienia nie było łatwe, gdyż nawet krótkie włączenie pompy lub uchylenie zaworu rozszczelniającego powodowało duże skoki ciśnienia. Trzeba było więc „celować” wykonując operacje raz jednym, raz drugim urządzeniem. Odczytanie wartości ciśnienia utrudniał fakt, że wskazówka manometru nie sięgała do skali, tylko była nieco krótsza. Dokładne wyznaczenie temperatury wrzenia także nie było łatwe, gdyż trudno było uchwycić moment wrzenia i wyłączenia czajnika, a zmiany temperatury były szybkie. Najlepsze rezultaty dawało „wpatrywanie się” we wskazania termometru i ponowne włączanie czajnika, by sprawdzić, czy pierwsza obserwacja była poprawna.
Uzyskane wyniki zawiera poniższa tabela.
p [mbar] | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 | 900 | 1000 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
t [Indeks górny ooC] | 45 | 59,9 | 69,6 | 75,8 | 81,4 | 86,0 | 90,0 | 93,9 | 97,2 | 100,0 |
Porównaj jakościowo (intuicyjnie) uzyskaną zależność z wartościami tablicowymi, znajdującymi się w podpowiedzi.
Podsumuj wyniki swojego eksperymentu:
Sformułuj konkluzję.
Oceń, jaki jest charakter otrzymanej zależności. Czy Twoja hipoteza badawcza potwierdziła się?
Podsumowanie doświadczenia wpisz do poniższego formularza.
Dokładne wyznaczenie zależności temperatury wrzenia wody od ciśnienia
Jak zwiększyć dokładność wyznaczenia badanej zależności?
Przeanalizuj sposób przeprowadzenia poprzedniego doświadczenia oraz uzyskane wyniki i zaproponuj, jak można zwiększyć dokładność rezultatu. To będzie Twoja hipoteza, którą wpisz do formularza poniżej.
Wykorzystaj te same przyrządy, co w poprzednim doświadczeniu. W naszym wirtualnym laboratorium nie można ich zmienić.
Puść jednak wodze fantazji i wyobraź sobie, że nie ma żadnych ograniczeń w modyfikacji wyposażenia stanowiska pomiarowego … Podaj dwa kierunki, w których podążałyby Twoje propozycje zmian, prowadzące do zmniejszenia niepewności pomiarowych.
Ustal kolejność czynności przy przeprowadzeniu doświadczenia i opracowaniu jego wyników oraz wpisz ją do dziennika badań. Wartości pomiarów notuj w tabeli dziennika. Tak jak poprzednio, przygotuj tę tabelę uzupełniając nagłówki kolumn odpowiednimi wielkościami fizycznymi wraz z jednostkami. Nie musisz wykorzystywać wszystkich kolumn.
Zdecyduj, jakie wartości niepewności granicznych i należy przyjąć jako miary błędów systematycznych pomiaru ciśnienia i temperatury. Wpisz je do dziennika badań. Pamiętaj, by nanieść je na wykres. Przykład można znaleźć w części „Przeczytaj” (Rys. 2. z opisem powyżej tego rysunku). Wykorzystaj także wiadomości zawarte w e‑materiale „Przedstawianie niepewności pomiarowych w formie graficznej”.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DvwD6dZQK
Dokonaj podsumowania wyników eksperymentu i wpisz je do formularza poniżej. Uwzględnij kwestię, czy udało się wykonać doświadczenie dokładniej niż poprzednio i czy Twoja hipoteza badawcza potwierdziła się.
Dokładne wyznaczenie zależności temperatury wrzenia wody od ciśnienia
Jak zwiększyć dokładność wyznaczenia badanej zależności?
Przeanalizuj sposób przeprowadzenia poprzedniego doświadczenia oraz uzyskane wyniki i zaproponuj, jak można zwiększyć dokładność rezultatu. To będzie Twoja hipoteza, którą wpisz do formularza poniżej.
Wykorzystasz te same przyrządy, co w poprzednim doświadczeniu. W naszym wirtualnym laboratorium nie można ich zmienić.
Puść jednak wodze fantazji i wyobraź sobie, że nie ma żadnych ograniczeń w modyfikacji wyposażenia stanowiska pomiarowego … Podaj dwa kierunki, w których podążałyby Twoje propozycje zmian, prowadzące do zmniejszenia niepewności pomiarowych.
W wirtualnym laboratorium wykonano ponownie to samo doświadczenie. Dzięki Twoim sugestiom pomiary były bardziej precyzyjne. Uzyskane wyniki zawiera poniższa tabela.
p [mbar] | 105 | 155 | 195 | 235 | 295 | 400 | 495 | 600 | 710 | 805 | 855 | 859 | 945 | 1000 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
t [Indeks górny ooC] | 47,1 | 54,8 | 59,9 | 63,9 | 68,9 | 75,8 | 81,2 | 86,0 | 90,7 | 93,9 | 95,6 | 96,9 | 98,3 | 100,0 |
Zdecyduj, jakie wartości niepewności granicznych i należy przyjąć jako miary błędów systematycznych pomiaru ciśnienia i temperatury.
Oceń, czy odstępstwa Twoich danych od zależności tablicowej mają charakter przypadkowy, czy systematyczny.
Dokonaj podsumowania wyników eksperymentu i wpisz je do formularza poniżej. Czy Twoja hipoteza badawcza potwierdziła się?