Feladat: 181. fizika mérési feladat Korcsoport: 16-17 Nehézségi fok: nehéz
Megoldó(k):  Ivády Balázs ,  Kispál István ,  Liptai Bernadett ,  Ronyecz Andrea 
Füzet: 1996/december, 562. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Hőtani mérés, Folyadékok, szilárd testek fajhője, Mérési feladat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 1996/szeptember: 181. fizika mérési feladat

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

1 A méréshez viszonylag hosszú (legalább 50‐60 cm-es), elég merev, de ugyanakkor nem túl nagy (nem nagy ,,hőkapacitású'') papírhengerre volt szükség. Ezek a követelmények egymásnak részben ellentmondóak, ezért nem is olyan könnyű az alkalmas mérőeszköz kiválasztása. Ha túlságosan rövid hengert használunk, akkor a sörétszemek nem esnek sokat, emiatt hiába forgatjuk, mérhetetlenül kicsit, vagy csak nagyon pontatlanul mérhetően melegedik fel a sörét. Ha viszont hosszú hengert választunk, annak mechanikai szilárdságával lehet baj (szétszakadhat), vagy pedig a vastag fala von el sok hőt a söréttől, és emiatt lesz pontatlan a mérés.
Ivády Balázs (Kazincbarcika, Ságvári E. Gimn. II. o.t.) egy 51 cm-es irattartó hengert használt. A zárókupakot méretre vágott hungarocell lemezzel és folpack fóliával bélelte, hogy a hőveszteséget csökkentse. (A henger oldalfalát, amellyel alig érintkezik a sörét, elég jó hőszigetelőnek ítélte.)
A ,,sörét'' beszerzéséért a versenyzők általában horgászboltba, vagy fegyverboltba mentek, de volt aki egyszerűen acélgolyócskákat szórt a dobozba. (A mérési feladatok ilyen jellegű ,,átértelmezése'' megengedett, nem kell a kitűzött feladathoz szó szerint ragaszkodni, ha az eszközök beszerzése ezt indokolja.)
A hőmérséklet mérése ugyancsak kényes feladat. A hőmérőt (ami általában higanyos, vagy alkoholos hőmérő volt) nem célszerű a hengerbe beépíteni, mert a sörét összetörheti. Legtöbben az egyik zárókupakot átfúrták, s alkalmanként ott dugták be a hőmérőt a sörét közé. Ez nyilván hőveszteséget okoz, amit azonban a kiértékelésnél figyelembe lehet venni. A mérés alatt (a forgatás közben és a hőmérő behelyezése során) a sörét egy kicsit lehűl. Ivády Balázs megmérte, hogy az előzetesen felmelegített ,,rendszer'' 10 percenként kb. 1,5 C-kal hűl le, és a kiértékelésnél ezt is figyelembe vette. Ilymódon sikerült a leginkább zavaró szisztematikus hibát kiküszöbölnie, vagy legalábbis csökkentenie.
Voltak akik kaloriméterrel próbálták meg a hőmérséklet mérését pontosabbá tenni. A kicsit felmelegedett (ismert tömegű) sörétet ismert tömegű vízbe dobták, és a víz hőmérsékletváltozásából következtettek a sörét hőfokára. Ezzel az eljárással az a baj, hogy az eredetileg sem túl nagy hőmérsékletváltozást tovább csökkenti, még nehezebben mérhetővé teszi.
A mérési adatokat (egy h hosszú cső n átfordítása után megmért ΔT hőmérsékletváltozást) a gondos versenyzők áttekinthető táblázatba foglalták. Voltak, akik sok mérési sorozat adatait figyelve észrevették, hogy ΔT közelítőleg arányos n-nel, ha az átfordítások száma nem túl nagy, de ha többszázszor forgatták meg a hengert, az egyenes arányosságtól eltérést tapasztaltak. (Ez feltehetően a hőveszteségekre fogható.)
A kiértékelés elve a következő: n átfordítás során az m tömegű sörét helyzeti energiáját nmgh-val növeljük, s ha ez mind a sörét melegítésére fordítódik, akkor a c fajhőjű anyag belső energiájának cmΔT változásával egyezik meg. Innen a keresett fajhő: c=ngh/ΔT. Látható, hogy a sörét tömege kiesik, ennek ellenére érdemes megmérni és a mérési jegyzőkönyvben rögzíteni, mert belőle is lehet következtetni a hőveszteségekre. (Senki nem vizsgálta, hogy miként függ a felmelegedés mértéke a sörét tömegétől, pedig abból az elvezetett hő mennyiségére lehetett volna következtetni.)
A mérés eredménye mellett nagyon fontos a mérési hiba nagyságrendjének számszerű megadása is. (Nem fogadható el hibabecslésnek a ,,mérés meglehetősen pontatlan'' kijelentés!) Jelen esetben a hőmérséklet mérésének pontossága kb. 0,5 fok, bár sokan tized-, vagy századfokokat is megadtak, nem részletezve, hogy milyen módszerrel jutottak ilyen pontos adatokhoz. A távolság mérésénél 1/2 cm-es hibát véthetünk. (Ha nem vesszük figyelembe a sörétréteg vastagságát, akkor még nagyobb a hiba.) A legnagyobb hibatényező a hőveszteség, ez szabja meg az egész mérés pontosságát. Sajnos ezt a szisztematikus hibát még sokszori ismétléssel és az adatok kiátlagolásával sem lehet csökkenteni, csak gondos elemzéssel vehetjük figyelembe a hatását. Mindezek együttes hatására a mért fajhő inkább csak nagyságrendi becslésnek, tájékozódásnak tekinthető, az ,,irodalmi értéktől'' akár 50%-kal is eltérhet. Ez a nagy pontatlanság a módszer jellegéből adódik. Természetesen léteznek eljárások a fajhő sokkal pontosabb meghatározására is.


1A pontversenyben résztvevők biztatására előre hoztuk a szeptemberi számunkban kitűzött mérési feladat megoldását. A 178‐180. mérési feladatok megoldását később közöljük. (‐ A szerk.)