Laboration 2: Experiment som testar hypotesen

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

Inledning

I det föregående experimentet togs en hypotes fram gällande vattnets  specifika värmekapacitet. Detta experiment ska testa om den framtagna hypotesen stämmer med verkligheten. Hypotesen som utformades kan sammanfattas till:

E=c*m*ΔT där c är vattnets specifika värmekapacitet, m är vattnets massa i kg, ΔT  är temperaturskillnaden för vattnet och E är energiinnehållet i J. Enligt föregående experiment skulle
c= 4,49 kJ/(kg* °C) 

Experimentet syfte är att sätta hypotesen på prov genom att utföra ett försök både experimentellt och teoretiskt med hjälp av hypotesen. Försöket går ut på att ta reda på en vattenblandnings temperatur när två olika vattenvolymer med olika temperatur blandades.

Metod och material 

I experimentet användes två olika termosar med vatten. I den första termosen fanns det vatten som vi hade vägt till 0,1966 kg med temperaturen 11,7 °C. Den andra termosen innehöll 0,3213 kg vatten som var 41,6 °C grader varmt. Sedan hälldes vattnet från den första termosen i den andra termosen.

 
Experimentuppställning.


Förutsägelsen som baserades på hypotesen räknades ut på följande vis:

Kallt vatten betecknas med k.
Varmt vatten betecknas med v. 

mk=0,1964 kg
Tk= 11,7 °C

mv = 0,3213 kg
Tv = 41,6 °C

Ek=c*mk*ΔTk
ΔTk= Ts - Tk  d.v.s. temperaturskillnaden emellan blandningens sluttemperatur och det kalla vattnets temperatur.  
Ts är sluttemperaturen. 

Ev = c*mv*ΔTv 
ΔTv= Tv- Ts d.v.s. temperaturskillnaden emellan det varma vattnet temperatur  och slutblandingens temperatur. 
När det kalla vattnets hälls ner i det varma vattnet kommer det varma vattnet avge värme  till det kalla vattnet. Det kalla vattnet kommer att ta upp lika mycket energi som det varma vattnet avger. Detta ger:
Ek=Ev
Utvecklat ser det ut såhär:
 c*mk*ΔTk = c*mv*ΔTv
då kan c förkortas bort
mk*ΔTk = mv*ΔTv

mk*(Ts-Tk) = mv*(Tv-Ts) 

mk*Ts - mk*Tk= mv*Tv - mv*Ts

Eftersom Ts söks sätter vi Ts i vänsterled.

          mv*Tv+mk*Tk
Ts = --------------------- 
              mv+mk         

Resultat

Används ekvationen för att räkna ut Ts med mätvärdena blir det:   

 

           0,3213 kg* 41,6°C +  0,1964 kg*11,7°C 
Ts = ---------------------------------------------------- = 30,26 °C
              0,3213 kg + 0,1964 kg  


När experimentet utfördes praktiskt så fick vattenblandningen temperaturen på vattenblandningen till 31,1°C.

Illustration av experimentet. k står för 

det kalla vattnet, v står för det varma 

vattnet, s står för slutblandingen.

För att kunna testa hypotesen måste det experimentella utfallet jämföras den hypotetiska förutsägelsen. Om utfallen överensstämmer kan hypotesen anses vara godtagbar.

31,1°C - 30,26 °C = 0,84 °C

Diskussion 

0,84 °C är differensen mellan den hypotetiska förutsägelsen och den praktiska verkligheten. Det beror på att det finns en del felkällor som påverkar utfallet. Den största felkällan i det här experimentet är mätfel av olika slag. Det fanns brister i temperaturmätningen på de två olika vattenmassorna vilket kan ha påverkat det hypotetiska utfallet. Om det experimentella utfallet var lägre än det som räknades fram med hjälp av hypotesen kan man förutsätta att det har skett betydande energiförluster som har påverkat resultatet. Men eftersom att det hypotetiska utfallet var lägre än det experimentella utfallet måste det finnas en annan förklaring. Den felkällan är att tiden för bestämningen sluttemperaturen.  Eftersom det kalla vattnet hälldes i det varma vattnet kommer det att ta tid för vattenmassorna och blandas och energin att bli jämt fördelad. Det varma vattnet kommer att avge energi till det kalla vattnet men detta sker inte omedelbart utan tar tid. Processen kan  påskyndas med hjälp av omrörning men eftersom att det inte skedde innebär det att tiden som krävs innan sluttemperaturen har uppnåtts tar längre tid. Temperaturen uppmättes i botten av den termosen vilket bidrar till felaktigheten i temperaturuppmätningen. För att förbättra resultatet ska det ske en omrörning av vattenblandningen samt att vänta längre på att sluttemperaturen ska inställa sig. Men man ska inte vänta för länge då vattenblandningen avger energi till omgivningen även om det motverkas av termosen. För att höja resultatets trovärdighet ska det också tilläggas att försöket borde ha upprepats.
Med de felkällorna i beaktning kan man anse att utfallen är så pass snarlika att hypotesen därmed kan anses att vara stärkt. En annan del av hypotesen som kan stärkas är att c är en konstant då den kunde förkortas ut ur beräkningen.
Dock är det en brist i experimentet eftersom att värdet för vattnets specifika värmekapacitet som hade experimenterats fram i det förra experimentet inte testades i detta testexperiment.

Observationslaboration: Hur mycket energi går det åt att värma upp vatten? 

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

Inledning

Hur mycket energi går det egentligen åt att värma upp vatten? Vi undersökte vid hur mycket energi som krävdes för att värma upp olika mängder vatten. Vi ville även undersöka om det fanns ett samband mellan energitillförseln, massan och temperaturökningen.

Metod och material

                                                            Experimentuppställing

    Undersökningen gick ut på att en viss mängd vatten värmdes med en doppvärmare med effekten 300 W. vattnet vägdes innan det placerades i en termos för att minska värmeförlusten till omgivningen. Därefter placerades en termometer i vattnet för att kunna registrera ett startvärde för temperaturen. Detta gjordes för att en temperaturökning skulle kunna räknas ut när doppvärmaren sedan slogs på. Ett tidtagarur användes för mäta hur länge doppvärmaren var igång och då kunde energimängden som doppvärmaren utgav räknas ut med formeln:
E = P * t

 E = energin i J
P= effekt i W
t = tiden i s

    Vid det första försöket registrerades vattnets temperatur var 30:e sekund. Därefter räknade vi ut den relativa temperaturökningen från startvärdet. Resultaten visas i diagram 1 nedan.


   Försök nummer två gick ut på att registrera tiden och räkna ut hur mycket energi som har gått åt för att värma upp en annan mängd vattnen så att samma relativa temperaturökning som i första försöket uppnåddes. Resultatet för försök två visas nedan i diagram 2.

Resultat 

För att undersöka om det fanns ett samband mellan de olika faktorerna användes Excels diagramfunktion. Där kunde förhållandet mellan energiåtgången och temperaturökningen urskiljas med hjälp av en trendlinje. Hur väl trendlinjen stämde överens med verkligheten såg ut med ett       R²- värde. Desto närmare R²- värdet var talet 1, desto bättre stämmer trendlinjen överens med resultaten.

Försök 1
Start temp (°C)
43,7
Vattnets massa (g)
654
Watt (P)
300

Diagram 1

Y-axeln representerar energiåtgången i kJ. X-axeln representerar ΔT. 




Försök 2
Start temp (°C)
25,6
Vattnets massa (g)
594,5
Watt (P)
300

Diagram 2 

Y-axeln representerar energiåtgången i kJ. X-axeln representerar ΔT. 

y=k*x kan då skrivas om till E=k*ΔT
för att lösa ut k skrivs ekvationen om till
Diagrammens R² -värde är ett indikation på hur bra E=k*ΔT beskriver sambandet mellan E och ΔT, d.v.s. hur bra k-värdet är i de båda diagrammen. Ju närmare R² -värdet är talet 1, desto bättre beskriver k-värdet sambandet.
För diagram 1 är R² = 0,99 vilket indikerar på att k-värdet är bra. I diagram 2 är  R² = 0,9589 vilket inte är lika bra som  R² i diagram 1 men fortfarande nära talet 1.

E/ΔT=k
där k-värdet kan avläsas i diagrammen.
om ΔT = 1 kan k skrivas om till
2,95 kJ/°C för diagram 1.

Det kan tolkas som att det krävs 2,95 kJ för att värma upp 654 g vatten 1°C.
För diagram 2 blev k= 2,66 kJ/°C, vilket innebär att det krävs 2,66 kJ för att värma upp 594,5 g vatten 1 °C.  För att ta reda på om det finns ett samband mellan massan och k divideras k med vikten i kilogram. Då får vi se om det finns ett samband som är beroende av vattnets vikt i kilo.

k/m = c

För försök 1 gav det
2,95 (kJ/°C)/ 0,654 kg = 4,51 kJ/(kg*°C) = c₁

För försök 2 gav det
2,66 (kJ/°C)/0,5945 kg = 4,47 kJ/(kg*°C) = c₂
Skillnaden mellan c₁ och c₂ skiljer så pass lite att man kan anta att det finns ett samband. Men eftersom resultaten skiljer sig åt tog vi medelvärdet av c₁ och  c₂ för att får fram ett tal för att representera sambandet.

(4,51kJ/(kg*°C)+4,47kJ/(kg*°C))/2= 4,49 kJ/(kg*°C)
Detta tal kallar vi för c. För att få fram hur mycket energi som går åt till att värma ett kilo vatten en grad Celsius kravs det enligt våra beräkningar 4,49 kJ.

För att få fram energin och hitta ett samband mellan energin, massan och temperaturskillnaden kan man titta på enheterna i c.
Tidigare samband ger ett ekvationssystem: 
1. E/ΔT=k
2. c*m = k 
Ersätt k med c*m i 1.

3. E/ΔT =  c*m
löser man ut c ur 3 får man
 E/(ΔT*m) = c vilket stämmer överens med enheterna i c, där det är energin i kJ dividerat med massan i kilogram och temperaturskillnaden. 
Löses istället energin ut får vi ett samband som ser ut såhär:

E=c*m*ΔT

där E = energin i J
m= vattnets massa i kg
ΔT = den relativa temperaturökningen i °C
c = vattnets specifika värmekapacitet

Detta är det sökta sambandet då det visar ett tydligt samband mellan den tillförda energin, vattnets massa, och temperaturökningen. 

Diskussion 

Vårt experiment visade att det finns ett samband mellan den tillförda energin och temperaturökningen. Detta samband kan skrivas E=c*m*ΔT och är därmed våran hypotes som måste testas innan den kan bekräftas som ett definitivt samband. Vårt experiment visade även på att vattnets specifika värmekapacitet är  4,49 kJ/(kg*°C) vilket innebär att det krävs 4,49 kJ för att värma ett kilo vatten en grad Celsius.
Men eftersom att vi bara gjorde försöket två olika gånger kan vi inte med säkerhet säga att vårt c-värde är helt tillförlitligt. Det finns även en del felkällor, till exempel vet vi inte doppvärmarens verkningsgrad. Det gör att vi inte vet exakt hur mycket av den energin som doppvärmaren lyckas att överföra till värmeenergi som i sin tur värmer upp vattnet vilket leder till ett osäkert resultat. Detta hade kunnat undersökas och tas med i beräkningen. Andra felkällor var ett osäkert system var det gällde datainsamlingen då vattnet inte är lika varmt överallt i termosen utan är varmast just runt doppvärmaren vilket kunde ge resultat som inte stämmer överens med verkligheten. Denna felkälla skulle kunna åtgärdas med en konstant omrörning för att få en jämnare uppvärmning av vattnet och därmed ett säkrare resultat.

Protokoll över citronbatteriexperiment

Laboranter: Susan Tram, Anna Wiklund, Daniela Lundgren. 

Protokollet fördes av Susan Tram. 

Mål med experimentet: 

Få en lysdiod att lysa med hjälp av ett citronbatteri. 

Protokoll  

Första försöket med en citron:

Zinkplattan och kopparplattan sattes in i citronen och därefter kopplades sladdar från plattorna till en lysdiod, men hjälp av krokodilklämmor i en sluten krets. Ytterligare sladdar kopplades från objekten till multimätare där både ström och spänning mättes. Lysdioden lös inte.

Ström: 1,3 mA
Spänning: 0,9 V
EMS:en för en citron är 0,9 V

1. En sluten krets med citron och lysdiod

2. Multimätare

Vi upptäckte att vi hade tillräckligt med ström, men inte tillräckligt med spänning. Därför valde vi sedan att seriekoppla för att öka spänningen. Parallellkopplar man istället minskar man resistansen och strömmen blir större, vilket är det motsatta till det vi vill ha.


Andra försöket, seriekoppling med två citroner:

3. Seriekoppling med två citroner

Ström: 0,5 mA
Spänning: 1,8 V

Lysdioden lös, men väldigt svagt. Vi testar att seriekoppla in en till citron för att få dioden att lysa starkare.

Tredje försöket, seriekoppling med tre citroner:

4. Seriekoppling med tre citroner

Spänning:  2,8 V
Ström: 0,6 mA

Dioden lös starkare.

Ta reda på vilket ämne vi använder med hjälp av densitet

Laboranter: Gustaf Thapper Uudelepp, Emma Fallenius och Gustav Åström. 

Inledning 
Dagens experimentet var en undersökning om vilken metall nitar hade. Detta utreddes genom att räkna ut metallens densitet.

Teori 
Densitet är ett mått på hur tätt atomerna sitter i ett visst ämne och ges i uttryck i hur stor massa ämnet har i förhållande till hur stor volym ämnet har. Enheten för densitet blir då g/cm3 eller kg/m3 beroende på viken storlek som är bäst lämpad. Alla ämnen har en specifik densitet och vet man ett ämnes densitet kan man slå upp värdet och se vilket ämne det är. Formeln för att räkna ut densitet blir därför:

P= m/V där
P = densitet
V= volym
m= massa

Men för att med större säkerhet kunna räkna ut P omvandlades formeln till :

m=P*V 

Experimentet 
Nitarna av den okända metallen delades upp i fem ungefär lika stora högar. En hög åt gången hälldes ner i det vattenfyllda mätglas som vi hade ställt på en våg för att kunna notera högens massa och volym genom att avläsa vågen och volymskillnaden i mätglaset. Flera olika högar användes för att kunna få ett medelvärde på mätvärdena för att öka resultatets trovärdighet. Mätvärdena fördes in i ett Excel-dokument och genom att göra en regressionsanalys kunde ett k-värde beräknas. K-värdet angav densiteten då volymen var en funktion av massan i diagrammet.

     
    Ritning av mätglaset, vågen och nitarna. 

Resultat




                                          Tabell över mätvärdena.  

Diagram över resultatet, massa (g) och volym (ml).

Y-värdet anger massan som funktion av volymen och utgörs av den räta linjen.

R i kvadrat anger trendlinjens/y(x) exakthet. 1 betyder att den stämmer 100% överens och 0 betyder att den stämmer 0% överens.

Densiteten är lika med k-värdet vilket ger metallen en densitet på ca 2,99 g/cm3 , eftersom 1 ml= 1 cm3.


Slutsats

I formelsamlingen är det närmste värdet 2,7 g/cm3  vilket är aluminium. Vid en eftersökning på internet hittades en metall med en densitet på ca 2,9 g/cm3 med detta är en mycket sällsynt metall som då rimligtvis inte används vid nittillverkning. Därför är det mycket troligare att nitarna var gjorda av aluminium då det är en vanlig metall med egenskaper godtyckliga för att göra nitar av. Avvikelsen i decimaler kan ha att gör med att decimaler uteslöts ur antecknandet  av mätvärdena samt att hällt i tillräcklig med vatten i mätglaset från början så att en påfyllning av vatten under laborationens gång kunde undvikits skulle resultatet varit mer exakt och antagligen bättre överensstämmande med verkligheten.      

Glödlampors effektgrad och dess påverkan på samhället

Glödlampan förbjöds i EU den första september 2012 för att de hade för dålig effektgrad. Vi undersökte hur dålig den effektgraden var med en laboration där glödlampan skulle värma upp ett glas med rumstempererat vatten.

Anordningen såg ut såhär:
 
Teorin bakom glödlampan är att Eel = Evärme + Eljus

Experimentet gick ut på att lampan skulle värma vattnet i glaset och genom att mäta temperaturförändringen i glaset skulle kunna räkna ut hur mycket energi som gick åt till att värma vattnet och hur mycket energi som gick åt till att skapa ljus. Sedan kunde vi dividera hur mycket energi som gick åt till att skapa ljus med hur mycket energi som lampan behövde och på så sätt få fram en verkningsgrad för glödlampan. 

Eel  = U * I * t

U = 25 V 
I = 0,92 A
t = 180 s

25 V * 0,92 A * 180 s = 4140 J

Evärme = c * m * ΔT

ΔT = 5,3 ^oC  är temperaturförändringen 
m = 0,1 kg är vattnets vikt
c = 4180 J/kg^oC som är vattnets specifika värmekapacitet, energin som krävs för att värma ett kg vatten en grad. 

5,3 * 0,1 * 4180 = 2215,4 J 

Eljus = Eel - Evärme 

4140 J - 2215,4 J = 1924,6 J 

η är verkningsgraden som är: 
 nyttig energi / tillförd energi 

Detta ger:
η = Eljus / Eel = 1924,6 J / 4140 J = 0,46 = 46% 

Det innebär att 46% av energin går åt till att ge ljus enligt vårt experiment. Den verkliga verkningsgraden hos en glödlampa ligger runt 5% vilket är absurt lågt med tanke på att LED- lampor har en verkningsgrad på 80%. Med tanke på vilket energikrävande samhälle vi lever i är det inte konstigt att glödlampan blev förbjuden. Om energin inte kommer från återanvändbara källor från börja så är det inte bara slöseri med el utan även dåligt för miljön.   



 

Hur man mäter ström och spänning?

Ström är hur många elektroner som åker igenom ett tvärsnitt på en viss tid. Man mäter då hur många elektroner som passerar ett visst område på en viss tidsperiod.
  I=Q/t 
där I är strömmen som mäts i ampere, Q är laddningen på elektronerna gånger antalet elektroner (Q=N * e) och t är tiden i sekunder.  
Det kan man göra med en voltmeter som man kopplar för att kunna välja vilken typ av ström som ska användas samt vilken spänning som systemet ska ha. Spänning mäts i V och betecknas som U. Elektrisk spänning beskriver en skillnad i energipotential mellan två olika punkter i en krets. Den beskrivs som:
U=E/Q 
där E är energiskillnaden och Q är samma som ovan.     

   

Kopplingsschema

Vi testade och mätte sambandet mellan ström och spänning genom att koppla lampa som kopplingsschemat  ovan visar.  

Diagram 1

I kopplingsschemat framgår det att elen passerar en dator med programmet PASCO Capstone som registrerar den elektriska aktiviteten som visas i diagram 1 ovan. Där kan man då avläsa att när 6.81 V  så passerar en strömstyrka på 22.86 mA vilket är samma sak som 0,02286 A. Om vi vill räkna ut hur många elektroner som passerar genom lampan varje sekund gör man såhär:
t = 1 
I = 0,002286 A
Q =  I * t 
 -> 1 * 0,002286 = 0,002286 
e = 0,16 * 10^ -18 (elektronens laddning) 
N = antalet laddade partiklar 
Q = N * e 
-> Q / e = N 
-> 0,002286 / 0,16 * 10^ -18 = 14 287 500 000 000 000 
14 287 500 000 000 000 st elektroner passerar genom lampan varje sekund!

Jämförelse av talspråk och passivt språk i labbrapporters metoddel

Idag skulle vi skriva och beskriva en jämförelse mellan talspråk och korrekt passivt språk i labbrapporter med fokus på metoden. Labben finns att kolla på  https://www.youtube.com/watch?v=L40CF8YYmb0

Metod

Talspråk

Jag började med att ta fram en rak bana som jag vinklade mot backen och sen så satte jag fast så att den inte kunde röra sig. Därefter monterande jag fast ett stopp vid början av banan så att den lättrullande vagnen inte kunde rulla av banan. Vid toppen av banan så monterar jag fast en rörelsedetektor som jag kopplade till en dator med programmet PASCO Capstone som registrerade vagnens rörelser. Stoppet kommer jag också använda som startblock för vagnen som jag startar med hjälp av en fjäderutlösning, som sedan sätter vagnen i rörelse och rörelsen registreras av detektorn.    

Passivt språk 

En rak bana togs fram och vinklades mot backen. Sedan sattes banan fast så att den inte kunde röra sig. Vid botten av banan sattes ett stopp som skulle förhindra den lättrullande vagnen från att rulla av banan. Därefter monterades en rörelsedetektor vid toppen av banan som kopplades till en dator med programmet PASCO Capstone som tar in data om vagnens rörelser. Stoppet används också som ett startblock då vagnen har en fjädermekanism som sätter vagnen i rörelse.