3. Odreivanje gustoe tekuina

1. Kljuni pojmovi

Gustoa, uzgon, teina, vaga, anomalija vode

2. Teorijski uvod

Sile meu molekulama u tekuini drastino se smanjuju s poveavanjem njihove udaljenosti. Gustoa tekuina openito se smanjuje s porastom temperature ako ne postoje drugi procesi koji bi zasjenili to

pravilo. Koeficijent ekspanzije pri nekoj temperaturi jest relativna promjena volumena tekuine s temperaturom, ne uzimajui u obzir isparavanje,

0 0

1 1.

V

V T T

(1)

Posljednja relacija dobije se deriviranjem ,V m gdje je masa m konstantna. Za veinu tekuina

koeficijent ekspanzije malo se mijenja u podruju izmeu talita i vrelita.

Slika 1. Kristalna struktura leda

Meutim, u sluaju vode to pravilo ne vrijedi. Struktura vode odreena je vodikovim vezama meu molekulama. U ledu je svaki atom kisika okruen etirima vodikovim atomima (slika 1). Dva vodikova atoma su iz vlastite molekule, vezana kovalentnom vezom i udaljena 0.1 nm, dok su preostala dva atoma iz susjednih molekula vezana vodikovom vezom te su udaljena 0.17 nm. Tako se tvori

tetrahedralna kristalna struktura. Ta struktura nije najgue mogue pakiranje molekula vode. S porastom temperature dolazi do taljenja leda i slabljenja vodikovih veza. Smanjuje se doseg ureenja, a molekule vode nastoje se to vie meusobno pribliiti. Tako dolazi do porasta gustoe koja je maksimalna pri

temperaturi od 4 C. Iznad te temperature dolazi do termike ekspanzije, koja raste s porastom temperature.

3. Mjerni ureaj i mjerenje

U ovoj vjebi gustoa vode mjeri se metodom uzgona, koristei se Mohr-Westphalovom vagom (slika 2). Na lijevi krak vage o nosa (5) je pomou tanke ice objeen ronilac (1). Dva utega (jahaa) (8) i (11), postavljena u krajnje poloaje na desnoj strani, kompenziraju teinu ronioca tako da vaga pokazuje

ravnoteu (iljci (12) i (13) stoje jedan nasuprot drugomu). Ako ravnotea nije postignuta, potrebno je vijkom (17) uravnoteiti vagu. Vijak (6) ne dirati! Prilikom uravnoteivanja vage, potrebno je da ronilac i ica budu potpuno suhi.

Uronimo li ronioca potpuno u tekuinu temperature T koja se nalazi u ai (2), uzgon koji djeluje na ronioca uzrokuje da vaga vie nije u poloaju ravnotee. Pomicanjem jahaa moemo vagu ponovno dovesti u ravnoteni poloaj, a poloaji jahaa daju nam traenu vrijednost gustoe mjerene tekuine. Poluga vage badarena je tako da zbroj momenata sile od teine jahaa odgovara teini istisnute tekuine. Uoite da je ovom vagom mogue odreivati gustoe tekuina na tonost od 4 decimale. Skala gustoe valjana je za tono odreen volumen ronioca. Oprez! Pri pomicanju jahaa obvezno pridravati iljke kako se vaga ne bi otetila!

Kako bi se mogla regulirati temperatura mjerene tekuine (u naem sluaju destilirane vode), aa (2) se uranja u vodenu kupku. U istu je kupku uronjena spirala koja u sebi sadrava elektrini grija (otpornu icu). Termostat mjeri temperaturu vode i prema potrebi ukljuuje struju grijaa kako bi se odravala eljena temperatura. Termostat sadrava i elektromotor koji okree osovinu na kojoj se nalazi rotor vodene crpke. Promatranjem oznaka na poleini termostata i rasporeda cijevi, moe se zakljuiti kojim smjerom tee voda koju pokree vodena crpka. Strujanje vode omoguuje brzu uspostavu termodinamike ravnotee.

Slika 2. Mohr-Westphalova vaga

Mjerenje poinjemo hlaenjem vode u ai do temperature bliske leditu. au s destiliranom vodom izvadimo iz kupke i u nju dodamo led iz hladnjaka (koji je spravljen od destilirane vode). Kad se smjesa

dovoljno ohladi, au uronimo u kupku i poinjemo mjerenje. Pazite da vaga bude uravnoteena prije prvog uranjanja u au. Mjerenje od ledita do sobne temperature obavljamo bez ukljuivanja grijaa. U poetku se temperatura brzo mijenja pa je potrebno esto oitavanje gustoe. Kad se temperatura priblii sobnoj, promjene e biti spore pa se moe nakratko ukljuivati grija. Za temperature iznad sobne eljena temperatura moe se namjestiti termostatom i tako odravati konstantnom. Temperatura mjerene tekuine odreuje se osjetljivim termometrom uronjenim u au. Budui da se koeficijent ekspanzije odreuje iz

nagiba krivulje na eljenoj temperaturi, potrebno je izmjeriti gue toke oko 20 C i 40 C kako bi se mogao provesti raun linearne regresije i nagib pravca poistovjetiti s nagibom tangente.

U obradi rezultata treba linearnom regresijom odrediti T , a u jednadbi (1) pretpostaviti da je

apsolutni iznos priblino konstantan oko traene temperature.

4. Zadaci

1. Izmjerite gustou vode u temperaturnom intervalu od 0 C do 48 C. Razmak temperatura na kojima

se mjeri ne treba biti vei od 2-3 C, a oko 20 C i 40 C i gue.

2. Odredite koeficijent ekspanzije destilirane vode pri temperaturama 20 C i 40 C. 3. Diskutirajte pogreke.

Slika 3. Mjerni postav