Acest articol a fost scris cu intenția de a ne concentra pe experimentele științifice din gimnaziu, cu toate acestea, nu aș fi surprins dacă profesorii de liceu de fizică și chimie beneficiază și de acesta. Câte calorii de căldură sunt într-un încălzitor pentru mâini sau „pachet de căldură?”

Pachetul de căldură este un mod convenabil de a vă încălzi mâinile, dar poate oferi, de asemenea, o lecție bună de știință fizică. Funcționează prin degajarea căldurii într-o schimbare fizică exotermă. Procesul se numește "Fuziune", care este de fiecare dată când un lichid devine solid. În acest caz, „cristalizarea” este forma specifică de fuziune, deoarece se formează cristale. Pentru a topi aceste cristale, cum ar fi topirea gheții, ar trebui introdusă și absorbită căldura (endotermă). Cu toate acestea, în acest caz, pentru a forma cristale, se întâmplă invers, se eliberează căldură (exotermă). În mod similar, apa trebuie să aibă căldură îndepărtată din ea pentru a forma gheață. Congelarea este un proces exoterm. Dar câtă căldură degajă?

„Ardeți un laborator de arahide” este o abordare bine cunoscută a măsurării caloriilor. Alunele sunt decojite, jupuite și frigate pe o agrafă. Apoi este ars sub o masă măsurată de apă, de exemplu, 200g. Un recipient subțire din metal, cum ar fi o cutie de sodiu, funcționează destul de bine. Temperatura este măsurată atât înainte, cât și după și din aceste date puteți determina conținutul de calorii.

Calorii = (Masă) x (∆T)

Aici, masa este exprimată în grame, iar ∆T, sau modificarea temperaturii, este Celsius. Surpriza este că de obicei există mii de calorii în arahide, ceea ce nu are sens. Lecția este că există două tipuri de calorii: calorii calde și calorii alimentare. Caloriile alimentare sunt 1000 de calorii calde, cunoscute și sub numele de kilocalorie. Așadar, dieta dvs. de 2000 de calorii este într-adevăr o dietă de 2.000.000 de calorii!

Un experiment mai sigur sau un experiment de urmărire este de a măsura caloriile dintr-un pachet de căldură. Nu trebuie neapărat să le spuneți elevilor instrucțiunile. Ei pot încerca să descopere un proces pe cont propriu. Modul în care fac de obicei acest experiment este să plasez unul într-un recipient izolator, cu aproximativ 200g de apă, și să fac clic pe buton. Apa va începe să se încălzească. Nu uitați că 1g este 1mL pentru apă.

Făcând clic pe buton se formează o mică semință de cristal, numită sit de nucleație. Din această sămânță cresc celelalte cristale. Sămânța de cristal este necesară deoarece lichidul din pachetul de căldură este pur din punct de vedere chimic. În cazul fulgilor de zăpadă, sămânța este de obicei un fir de praf, dar acest pachet conține acetat de sodiu pur, care este super-saturat în apă. Asta înseamnă că există atât de mult acetat de sodiu care nu poate rămâne dizolvat în apă și ar trebui să fie solid (ca prea mult zahăr la baza unui amestec Kool-Aid). Acetat de sodiu nu este toxic și este adăugat chiar și în alimente ca condiment. Din punct de vedere chimic, este o sare de oțet. Poate că l-ați mâncat pe chipsuri de cartofi?

Pachetele de căldură sunt refolosibile. Când trebuie să resetați următoarea clasă, pur și simplu fierbeți pachetele de căldură și lăsați-le să se răcească. Acestea trebuie să fie fierte complet, deoarece orice cristal rămas poate fi o sămânță și poate recristaliza întregul pachet.

Un rezultat tipic pe care îl obțin este că cei 200g de apă de aici s-au încălzit cu 10 grade Celsius. Asta face 2000 de calorii din pachetul de căldură în apă, în timpul acestui experiment simplu.

scientific

Figura: Pachetul de căldură va elibera mii de calorii pe măsură ce se transformă din lichid în cristal. Acesta este procesul exoterm cunoscut sub numele de fuziune.

Figura: Echipamentul de care veți avea nevoie pentru a efectua caloriile într-un experiment de căldură.

Întreaga poveste este puțin mai complicată. Acetatul de sodiu (Na2CO3) se încălzește, de asemenea, el însuși în acest proces. Dacă apa este setată pentru puțin mai mult, puteți fi siguri că acetatul de sodiu și apa au aceeași temperatură. Combinația celor două călduri vă va oferi căldura totală eliberată de pachetul de căldură. Iată ecuația:

Calorii pentru încălzirea apei + Calorii pentru încălzirea acetat de sodiu = căldură totală eliberată

Aici C din ecuație este „căldura specifică”. Această valoare este diferită pentru fiecare substanță. Pentru apă, este 1. Pentru acetat de sodiu, este de aproximativ 2,5 (deoarece acetat de sodiu este amestecat cu apă, poate doriți să verificați acest lucru singur).

Figura: O diagramă de căldură latentă pentru 1 gram de apă. Observați că aceeași cantitate (80 de calorii) de căldură este necesară pentru a topi sau a îngheța apa. În cazul acetatului de sodiu, este de 63 de calorii/gram.

În sfârșit, există conceptul de „căldură latentă”, care este cantitatea de căldură care se așteaptă să fie eliberată într-o schimbare de fază, cum ar fi înghețarea sau necesară pentru o schimbare de fază, cum ar fi topirea. În cazul acetatului de sodiu, acesta ar trebui să fie de aproximativ 63 de calorii/gram. Cu toate acestea, trebuie să luați în considerare faptul că există probabil apă amestecată în pachetul de căldură, ceea ce poate complica lucrurile. Va trebui să măsurați masa pachetului de căldură pentru a verifica valoarea Q.

Vă recomand să rămâneți la laboratorul familiar cu câte calorii. Sper că vă place să extindeți acel laborator pentru a include acest nou experiment. Este distractiv și ușor de făcut. Dacă doriți să faceți alte experimente, tăierea pachetelor de acetat de sodiu vă poate ajuta. Prin adăugarea unui colorant verde pentru alimente, puteți face „cristale de criptonită” și, turnându-l pe verticală, îl puteți solidifica în munți sau în alte forme. Fii creativ și distrează-te.

Figura: Forma Matterhorn s-a format atunci când cristalele de acetat de sodiu cresc, solidificându-se pe măsură ce ating alte cristale de acetat de sodiu.