Experiment 3, Redogörelseexperimentet 

Laboranter: Gustaf Thapper Uudelepp, Gustav Åhström Löfgren och Eric Brune.

Inledning     

Det här experimentet gick ut på att ta reda på ett viss metallbits ämne, både genom att genomföra ett värmekapacitetsexperiment och ett densitetsexperiment. Dessa experiment utfördes för att få fram specifika värden och egenskaper på metallbiten. Dessa värden tas fram med hjälp av tidigare formulerande samband, både i värmekapacitetsexperimentet och i densitetsexperimentet. Värdena jämfördes sedan med ett tabellvärde för att fastställa vilket ämne metallbiten bestod av. Experimentet ska också testa hur vida Experiment 1 och 2 fick fram en hypotes som stämde.  Hypotesen är att E=c*m*ΔT  samt att vattnets specifika värmekapacitet är 4,49 kJ/(kg* °C) .

Metod och material 1

Det första experimentet som utfördes var värmekapacitetsexperimentet. Experimentet gick ut på följande:
Vatten kokades upp i en bägare med en 0,111 kg tung metallbit liggandes i vattnet. Temperaturen som uppmättes på metallen var 98,9 °C innan metallbiten togs upp ur det kokande vattnet för att sänks ner i en termos fylld med 0,505 kg vatten som hade temperaturen 18,5 °C. Vattnet rördes om och efter en stund uppmättes temperaturen på metallen i termosen till 22 °C, vilket också var temperaturen på vattnet i termosen.  

Experimentuppställning för värmekapacitetsexperimentet .        Bild: Alexander Agerst

För att kunna ta reda på metallens specifika värmekapacitet behöver man räkna ut hur mycket energi som vattnet i termosen tar emot av metallbiten. Den energin ska i sin tur vara lika stor som den energi som metallbiten har förlorat, förutsatt att ingen ytterligare energiförlust har skett.

Resultat 1

När en storlek följs av ett nedsänkt v innebär det att det är en storlek som rör vattnet i termosen. När en storlek istället följs av ett nedsänkt m berör den storheten metallbiten. Ett nedsänkt f står för slutvärdet, taget ifrån engelskans final, ett nedsänkt i står för utgångsvärdet från engelskans initiate.

    

 m_v = 0,505 kg vilket är vattnet i termosens massa i kg. 

T_vi = 18,5 °C är vattnets utgångstemperatur.

c_v = 4,49 kJ/(kg°C)= 4490 J/ (kg°C) är vattnets specifika värmekapacitet som experimenterades fram i Experiment 1.  

T_vf = 22°C är vattnets sluttemperatur. 

∆T_v = T_{vf -} T_vi = 22 °C – 18,5 °C = 3,5 °C  är vattnets temperaturförändring.

  

m_m = 0,111 kg = 111 g är metallens vikt. 

T_mi = 98,9 °C metallens starttemperatur. 

T_mf = T_vf = 22 °C metallens sluttemperatur. 

∆T_m = T_{mi -} T_mf = 98,9 °C – 22 °C = 76,9 °C metallens temperaturskillnad. 

Dessa värden behövs för att kunna räkna ut hur energi som vattnet har tagit upp och som metallen har avgivit. 

 Q_v = (C + c_v * m_v )∆T_v 

C= 70 J/°C , termosens specifika värmekapacitet taget ifrån boken Heureka.

Q_m = c_m * m_m * ∆T_m

C_m =? 

Metallens specifika värmekapacitet som söks.  

Q_v = Q_m

_{Vilket ger:}

(C + c_v * m_v )∆T_v = c_m * m_m * ∆T_m

Lös ut c_m

((C + c_v * m_v )∆T_v) /( m_m * ∆T_m) = c_m

Sätt in värderna       

((70 J/°C + 4490 J/ kg°C * 0,505 kg) 3,5 °C)/ (0,111 kg * 76,9 °C)=958 J/(kg°C) = 0,958 kJ/(kg°C)

Metallens specifika värmekapacitet räknades då fram till 0,958 kJ/(kg°C), vilket innebär att det krävs 958 J att värma ett kilo metall en grad. Vid ett jämförelse med ett tabellvärde för att se vilken metall som bäst överensstämde med resultatet fick vi fram aluminium som har ett tabellvärde på 0,9 kJ/(kg°C). 

Metod och material 2

Det andra experimentet gick ut på att räkna ut metallbitens densitet genom att mäta upp vatten i ett mätglas och anteckna vattenmängdens volym. Därefter ska metallbiten sänkas ner helt i vattnet och då kommer den plats som metallbiten tar upp att ge uttryck i en volymskillnad som är lika stor som metallbitens volym. När metallbiten lades ner i vattnet avlästes en volymskillnad på 40 ml vilket ger att metallbiten har en volym på 40 cm³. 

Densitet räknas ut genom att dela ämnets massa med volymen.

Resultat 2

V_m =40 cm³

m_m = 0,111 kg = 111 g 

 ρ_m = m_m / V_m 

Sätt in värdena

ρ_{m =} 111 g / 40 cm³ = 2,78 g/cm³

Vid en jämförelse med tabellvärden för olika ämnens densitet stod det klart att det var aluminiums densitet som bäst stämde överens med resultatet då aluminium har en densitet på  2,70 g/cm³ vilket är väldigt nära vårt resultat. 

Diskussion 

Båda experimentens resultat tyder på att det är  aluminium som metallbiten bestod av. Inget av resultaten stämde helt överens med tabellvärdena men var fortfarande tillräckligt bra för att användas. Varför resultaten inte stämde med tabellvärdena kan bero på en mängd olika faktorer.
För densitetslabben är det tydligt att noggrannheten i metallbitens volymberäkning som var bristfällig. Istället för att bara sänka ner metallen i vatten kunde volymen också beräknats med volymformeln för en cylinder, då aluminiumbiten var av den formen. De längdenheter som behövdes till ekvationen kunde enkelt ha tagits fram med hjälp av en linjal och ett skjutmått. Det skulle ökat precisionen och exaktheten i densitetsexperimentets resultat  avsevärt. 

För värmekapacitetsexperimentet finns det ett par felkällor, där en viktig var värdet på termosens värmekapacitet (C).  Eftersom att resultatet togs ifrån en bok som inte specificerade vilken sorts termos som användes är det väldigt sannolikt att den termosen vi använde hade en annan värmekapacitet. Det finns experiment att göra för att räkna ut termosens värmekapacitet men p.g.a tidsbrist utfördes inte detta. För att förbättra resultatet bör detta experiment utföras. En annan stor felkälla är det värde på c_v som hade tagits fram under Experiment 1. Tabellvärdet på vattnets värmekapacitet är 4,18 kJ/(kg°C) vilket är betydligt mindre än det värde som vi hade fått fram. Om det riktiga värdet använts istället för det vi hade fått fram hade resultatet blivit 0,894 kJ/(kg°C), vilket är närmare tabellvärdet för aluminiums värmekapacitet. De 5,2 J som fattas kan då representera eventuella energiförluster, t.ex. när metallbiten fördes över från det kokande vattnet till termosen. Det skulle även kunna visa att termosens värmekapacitet inte stämmer helt överens med det verkliga resultatet men att det ligger väldigt nära. Därför skulle arbetsproceduren med de tre experimenten börja om med först ett mätexperiment, sedan ett testexperiment som verkligen testar den hypotes man kommer fram till i mätexperimentet för att sedan kunna utföra ett applikationsexperiment med ett förtroendeingivande resultat.