Observationsexperiment - Värma vatten

Inledning

För att värma en viss mängd vatten till en viss temperatur krävs en viss mängd energi. Vad som då kan vara intressant att veta är om det finns ett samband mellan mängden vatten och temperaturändringen, vilket kan användas till att förutspå hur mycket energi som kommer krävas till uppvärmningen.

Dock är det krångligt att mäta tillförd energi direkt, men tack vare att det föremål som användes för att tillföra energi (i form av värme) hade en konstant effekt, var det möjligt att räkna ut den tillförda energin enligt sambandet E=Pt, där E=tillförd energi i Joule, P=Effekt i watt och t=tiden i sekunder.

I experimentet kan den energi som krävs för att värma vattnet anses som den beroende variabeln, eftersom att hela experimentet gick ut på att ta reda på vad energiåtgången berodde på.

Metod

För att komma fram till ett samband behövs först mätvärden. Dessa skulle fås fram genom uppvärmning av en viss mängd vatten i en termos. Detta med hjälp av en doppvärmare. I detta fall hade vattnet massan 0.304kg och doppvärmaren hade effekten 300W. Termosen användes för att förhindra att värmeförlust till omgivningen. Massan hölls konstant, eftersom att experimentet annars hade innehållit alltför många beroende variabler.

Temperaturen mättes var 45:e sekund och totalt 11 mätvärden samlades in.Temperaturändringen ficks ut genom att ursprungstemperaturen subtraherades från den aktuella temperaturen. Energimängden räknades i sin tur ut enligt formeln som beskrivs i inledningen (E=Pt) och all mätdata sammanställdes i en tabell och ett diagram, varpå en linjär funktion anpassades till resultaten.

Resultat

Ovan visas experimentets resultat sammanställt i en tabell, ett diagram och en anpassad linjär funktion. Funktionen har formeln E=1,645ΔT, där E=energimängden i kJ, ΔT=temperaturändringen i °C och 1,645 är en konstant med enheten kJ/°C.

Slutsats och felkällor

Mätresultaten visar att det finns ett linjärt samband mellan tillförd energimängd och temperaturändring. Sambandet är att: Om vattnets massa är 0,304kg, så kommer energimängden öka med 1,645kJ varje gång temperaturen ökar med 1°C.

Att energimängden ökar som en konsekvens av temperaturökning kan bero på att temperatur i själva verket är ett mått på partiklarnas medelhastighet. Eftersom energi definieras som potential att medföra rörelse, känns det logiskt att energin måste bero på temperaturen.

Dock är det samband som beskrevs ovan inte allmängiltigt, då det utgår från att vattnets massa alltid är 0,304kg, men informationen som utvanns ur detta experiment kan användas till att sammanställa ett generellt samband. För att få fram detta är det då rimligt att dividera konstanten med massan som användes i experimentet. Detta för att få fram hur energimängden förhåller sig till temperaturändringen om massan är 1 kg. Detta ger:

c=1,645/0,304=5,41

Där c är beteckningen på hur många kJ energimängden ökar med om temperaturen ökar med 1°C och massan är 1kg. Denna konstant kan kallas för ett ämnes specifika värmekapacitet. Den varierar beroende på ämne och aggregationstillstånd, och har enheten 1 J/(kg*C°).

För att massan ska representeras i funktionen krävs nu att man för in massan som ännu en variabel. Resultatet blir en funktion med utseendet E=5,41*m*ΔT. Om man ersätter talet 5,41 med den generella betäckningen på denna konstant får funktionen utseendet E=c*m*ΔT, och detta är den generella formeln för hur energimängden beror på ämnets specifika värmekapacitet, massa, samt temperaturändringen.

Det finns dock en risk för att värdet på c är felaktigt. Detta kan ha berott på att mätvärdena som samlades in inte var tillräckligt många, samt att de inte samlades in på ett tillräckligt noggrant vis. Värmeöverföring från termosen till omgivningen är också möjlig, då det kan antas att denna inte var i toppskick. För att lösa dessa felkällor bör en bättre termos användas, och fler likadana experiment där fler, noggrannare mätvärden samlas in bör också utföras.