Testexperiment - blanda vatten

Inledning

Värme är energi som överförs från en varmare kropp till en kallare kropp. Ett annat namn för detta är energiöverföring, och det sker t.ex. när varmt vatten blandas med kallt vatten.  Energiöverföringen som sker mellan det varma och det kalla vattnet resulterar i en stabil sluttemperatur. Denna bör vara lägre än det varma vattnets temperatur, och högre än det kalla vattnets temperatur. Detta var vad som undersöktes i detta textexperiment.

Hypotesen som ställdes var om sambandet E=c*m*ΔT, vars härledning ni finner i föregående inlägg, kan användas till att förutsäga vattnets sluttemperatur när de båda vattenmassorna med olika ursprungstemperaturerna blandats. 

Metod och förutsägelse

För att testa huruvida denna hypotes stämmer eller ej gjordes först en förutsägelse. Då bestämdes två olika mängder vatten med två olika temperaturer. Det användes en mängd vatten med massan m₁=0,30kg och temperaturen T₁=61^oC, samt en annan mängd vatten med massan m₂=0,10kg och temperaturen T₂=9,3^oC. Mellan dessa antogs det ske en energiöverföring där E₁ är den energi som avges från det varma vattnet, och E₂ är den energi som upptas av det kallare vattnet och E₁=E₂.

Eftersom E=c*m*ΔT  måste E₁=c*m₁*ΔT₁ och E₂=c*m₂*ΔT_2,, och då E₁=E₂ måste alltså c*m₁*ΔT₁=c*m₂*ΔT₂. Då kan man dividera båda leden med c,  och kvar blir:

m₁*ΔT₁=m₂*ΔT₂

En fråga som då är värd att ställa är: Vad betyder egentligen ΔT i detta sammanhang?

Jo, ΔT syftar på en temperaturändring, i detta fall mellan de ursprungliga vattenmassorna och sluttemperaturerna när de har blandats ihop. Eftersom det varma vattnet kommer avge energi, kommer sluttemperaturen vara lägre än ursprungstemperaturen(T_s). ΔT₁ är alltså detsamma som T₁-T_s. Det kallare vattnet kommer uppta energi, därmed kommer sluttemperaturen vara högre än ursprungstemperaturen. ΔT₂ är alltså detsamma som T_s-T₂. I de båda fallen är det alltså den lägre temperaturen som subtraheras från den högre temperaturen.

Ekvationen ovan kan därefter skrivas om till: m₁*(T₁-T_s)=m₂*(T_s-T₂). Om T_s löses ut fås sedan:

T_s=(m₁T₁+m₂T₂)/(m₂+m₁)

Detta blir, om alla storheter sätts in, ungefär lika med 48^oC.  Efter att denna förutsägelse gjorts utfördes experimentet praktiskt genom att de olika vattenmassorna med sagda temperaturer blandades i en ren termos. Då värmdes vattnet med den högre temperaturen i termosen med hjälp av en doppvärmare. Att det värmdes i termosen var för att minska risken för värmeförluster till omgivningen. Det kallare vattnet mättes upp i en bägare och hälldes sedan i samma termos. Sluttemperaturen blev då densamma som den som bestämdes i förutsägelsen, alltså ungefär 48^oC.

Slutsats och felkällor

Det samband som ficks fram ur observationsexperimentet kan alltså användas till att bestämma den sluttemperaturen som blandningen av två olika vattenmassor med olika temperaturer får. Detta innebär att den hypotes som ställdes stämde.

Dock finns det en del felkällor i detta experiment. Detta kan t.ex. vara saker som eventuella felmätningar, vilket går att lösa genom fler, noggrannare undersökningar. Att termosen inte var i toppskick kan också vara en felkälla, då detta skulle innebära att det skedde en viss värmeförlust till omgivningen. Denna felkälla går att lösa genom att en bättre termos används.

En sista felkälla är att det vatten som mättes upp i bägaren kan ha tagit upp en del värme från omgivningen. Vattnet hade temperaturen 9,3^oC och rumstemperatur ligger vanligtvis på runt 20^oC. Temperaturskillnaden mellan vattnet och luften kan ha fått som konsekvens att det skedde en viss värmeöverföring från luften till vattnet, och att vattnet då fick en något högre temperatur. Dock var denna temperaturhöjning antagligen mycket liten, vilket innebär att denna felkälla inte kan ha haft en så stor påverkan på slutresultatet.