. € 1 . 3 2 .. . . } . . . 2 3 . L ' » a : ' 9 . . . \ . i w “ 2 . . . . . . . l - l ’ I e . n 0 . ? a ! l i t . . . 1 9 . » . . . 7 . . \ c i V b r ! : u . 3 v m v a . n I l y . x . r . y . 1 . . ; 3 1 . v a L n } d . . 3 . 3 . . ” . . : . 1 1 . . . . “ I i 1 n 9 ...u)«.. 2 . u r 3 n . . . 1 . . . .. . . w 1 “ t . : « ; . 1 i . . . a n ) ( ! - ” n 3 . 1 3 . 1 4 . . . ! . . 4 3 M ” . yr. . . . t h . 5 1 1 % } M 4 « a n . . W W . “ a , h { 1 .4 . 5 N I . 9 3 . ; a . . . » - . v 3 a n .a n ~ . 3 a . . 1 . . . . 6 % .. w . “ m a m fi a m w u n w w ‘ 1 % . . . m é $ M 3 M w . u . e u m w . 2..., . . n . , a . « n 2 % . . . L } . . 1 $ 5 1 . 4 1 . . . i .w “ W . 3 ~ W W . » ’ i ’ » . T h i s i s t o c e r t i f y t h a t t h e t h e s i s e n t i t l e d T E A C H I N G H E A T T R A N S F E R A N D H E A T E X C H A N G E p r e s e n t e d b y B R I A N M E L V I N E V E N S O N h a s b e e n a c c e p t e d t o w a r d s f u l fi l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r t h e M S d e g r e e I n t e r d e p a r t m e n t a l P h y s i c a l S c i e n c e M a j o r P r o f e s s o r 3 S i g n a t u r e [ 7 7 % c ‘ 2 1 6 Z / D a t e M S U i s a n A f fi r m a t i v e A c t i o n / E q u a l O p p o r t u n i t y i n s t i t u t i o n L I E R A R Y I M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y P L A C E I N R E T U R N B O X t o r e m o v e t h i s c h e c k o u t f r o m y o u r r e c o r d . T O A V O I D F I N E S r e t u r n o n o r b e f o r e d a t e d u e . M A Y B E R E C A L L E D w i t h e a r l i e r d u e d a t e i f r e q u e s t e d . D A T E D U E D A T E D U E D A T E D U E 2 / 0 5 c z / c T n c m m o o u e m a - m s T E A C H I N G H E A T T R A N S F E R A N D H E A T E X C H A N G E V O L U M E I B y B r i a n M e l v i n E v e n s o n A T H E S I S S u b m i t t e d t o M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y i n p a r t i a l f u l f i l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r t h e d e g r e e o f M A S T E R O F S C I E N C E D i v i s i o n o f S c i e n c e a n d M a t h e m a t i c s E d u c a t i o n 2 0 0 4 A B S T R A C T T E A C H I N G H E A T T R A N S F E R A N D H E A T E X C H A N G E B y B r i a n M e l v i n E v e n s o n W h e n h e l p i n g s e c o n d a r y s t u d e n t s l e a r n ( s t u d y ) t h e p h e n o m e n a o f h e a t t r a n s f e r a n d h e a t e x c h a n g e t h e r e a r e a m y r i a d o f i n v e s t i g a t i o n s s t u d e n t s c a n e x p e r i e n c e t o h e l p t h e m g a i n m a s t e r y o f t h e m a t e r i a l . T h e r e s e a r c h s u m m e r o f 2 0 0 2 a l l o w e d t h e r e fi n e m e n t o f t w e n t y l a b o r a t o r y i n v e s t i g a t i o n s s o m e o f w h i c h w e r e t e s t e d i n t h e c l a s s r o o m i n 2 0 0 2 - 2 0 0 3 . T h e s u m m e r o f 2 0 0 3 f a c i l i t a t e d t h e d e v e l o p m e n t o f t h i r t y - e i g h t s h o r t a c t i v i t i e s a n d s i x a d d i t i o n a l l a b o r a t o r y i n v e s t i g a t i o n s . T h e g o a l o f t h i s p r o j e c t w a s t o u s e a c o n s t r u c t i v i s t a p p r o a c h t o g u i d e t e a c h i n g a n d l e a r n i n g a b o u t c o n c e p t s i n h e a t t r a n s f e r . T h i s p h i l o s o p h y o f I e a m i n g b u i l d s o n s t u d e n t s ’ p r i o r k n o w l e d g e b y i n v o l v i n g t h e m i n d i v i d u a l l y a n d c o l l e c t i v e l y i n a v a r i e t y o f a c t i v i t i e s a n d l a b o r a t o r y i n v e s t i g a t i o n s t h a t w i l l c h a n g e o r v e r i f y t h e i r o r i g i n a l p e r c e p t i o n s . W i l l t h i s c o n s t r u c t i v i s t a p p r o a c h h e l p p r o m o t e l e a r n i n g a n d e n a b l e i n s t r u c t o r s t o k n o w i f n e w k n o w l e d g e h a s b e e n a c q u i r e d ? T e a c h e r p e r c e p t i o n o f a c h a n g e d I e a m i n g e n v i r o n m e n t a n d t h e h a r d d a t a f r o m p r e a n d p o s t t e s t a n a l y s i s s p e a k s t o t h e v a l u e o f t h i s m e t h o d f o r t e a c h i n g h e a t t r a n s f e r a n d h e a t e x c h a n g e . D E D I C A T I O N T h i s t h e s i s i s d e d i c a t e d t o m y w i f e , M a r s h a . T h a n k y o u f o r a l l y o u r d e v o t i o n a n d h a r d w o r k . i i i A C K N O W L E D G E M E N T S A t t h e e n d o f t h i s f o u r - y e a r e x p e r i e n c e I w i s h t o t h a n k D r . M e r l e H e i d e m a n n a n d D r . K e n N a d l e r f o r t h e i r h e l p a n d g u i d a n c e i n t h e p r e p a r a t i o n o f t h i s d o c u m e n t . A d d i t i o n a l l y I w o u l d l i k e t o t h a n k M a r g a r e t l d i n g , B e c k y M u r t h r u m , a n d L i n d a W o l c o t t , f o r t h e i r i n v a l u a b l e a s s i s t a n c e a n d p a t i e n c e o v e r t h e p a s t f o u r y e a r s . T o t h e s t u d e n t s o f H u d s o n A r e a H i g h S c h o o l P h y s i c s 2 0 0 3 - 2 0 0 4 y o u r d e d i c a t i o n t o t h i s p r o j e c t w a s i n v a l u a b l e a n d m u c h a p p r e c i a t e d . I w o u l d a l s o l i k e t o t h a n k m y f e l l o w s t u d e n t s . E a c h o f y o u m a d e t h i s j o u r n e y m o r e p r o d u c t i v e t h a n I c o u l d e v e r h a v e i m a g i n e d . Y o u r d e d i c a t i o n t o o u r p r o f e s s i o n a n d y o u r s t u d e n t s w i l l a l w a y s b e a n i n s p i r a t i o n . I w o u l d a l s o l i k e t o t h a n k m y c h i l d r e n a n d t h e i r s p o u s e s . Y o u r s u p p o r t t h r o u g h t h i s p r o c e s s c o n t i n u e d t o m o t i v a t e m e w h e n a l l I r e a l l y w a n t e d t o d o w a s g o fi s h i n g . i v T A B L E O F C O N T E N T S L I S T O F C H A R T S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v i i i I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 I M P L E M E N T A T I O N - I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 C h a p t e r 1 . . . H e a t , H e a t T r a n s f e r , a n d T e m p e r a t u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 C h a p t e r 2 . . . H e a t T r a n s f e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 C h a p t e r 3 . . . T h e C a l o r i e a n d S i m p l e C a l o r i m e t r y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 C h a p t e r 4 . . . M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 C h a p t e r 5 . . . S p e c i fi c H e a t a n d T e m p e r a t u r e C a l o r i m e t r y . . . . . . . . . . . . 3 1 C h a p t e r 6 . P h a s e C h a n g e s , H e a t o f F u s i o n , H e a t o f V a p o r i z a t i o n 3 3 C h a p t e r 7 . . . E x p a n s i o n , H e a t o f C r y s t a l l i z a t i o n , C o m b u s t i o n . . . . . . 3 6 R E S U L T S A N D E V A L U A T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 D I S C U S S I O N A N D C O N C L U S I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 9 A P P E N D I C E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3 A p p e n d i x A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 4 P r e a n d p o s t t e s t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 5 S t u d e n t s u r v e y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 7 T e s t s t a t i s t i c s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 0 S t u d e n t p r e a n d p o s t t e s t s c o r e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3 A p p e n d i x B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 1 B a c k g r o u n d o n h e a t , t h e r m a l e n e r g y a n d t e m p e r a t u r e . . . . . 1 0 2 C o n d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 6 C o n d u c t i o n H o m e w o r k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 8 R a d i a t i o n H o m e w o r k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 2 C a l o r i m e t r y H o m e w o r k P r o b l e m s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 8 A p p e n d i x C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 3 A c t i v i t y 1 — T h e r m o m e t e r s — F e e l i n g T e m p e r a t u r e s . . . . . . . . . 1 2 4 A c t i v i t y 2 - E s t i m a t i o n o f t e m p e r a t u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 5 A c t i v i t y 3 — H i s t o r i c a l D i a l o g u e — T e m p e r a t u r e a n d H e a t . . . 1 2 9 A c t i v i t y 4 — T e s t i n g a T h e r m o m e t e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 2 A c t i v i t y 5 — P r o b e a F l a m e w i t h a S m a l l T h e r m o c o u p l e a n d A m p m e t e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 3 A c t i v i t y 6 — T r a n s f e r o f e x t o H e a t E n e r g y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 4 A c t i v i t y 7 - P r o c e s s o f C o n d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 5 A c t i v i t y 8 — W a t e r i s a P o o r C o n d u c t o r o f H e a t . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 6 A c t i v i t y 9 — A t o m s o f S u b s t a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 7 A c t i v i t y 1 0 — C o n d u c t i o n o f H e a t b y M e t a l s ( D a v y M i n e r ’ s L a m p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 9 A c t i v i t y 1 1 — C o p p e r C o i l S n u f f e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 1 A c t i v i t y 1 2 — C o n d u c t i o n - R e d u c e H e a t L o s s w i t h I n s u l a t i o n M a t e r i a l s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 2 A c t i v i t y 1 3 - C o n v e c t i o n C u r r e n t s ( B l a c k P e p p e r / C h a r c o a l ) . . . 1 4 3 A c t i v i t y 1 4 - C o n v e c t i o n i n H o t a n d C o l d W a t e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 4 A c t i v i t y 1 5 - — C o n v e c t i o n C u r r e n t f r o m a n I n k B o t t l e . . . . . . . 1 4 5 A c t i v i t y 1 6 - C o n v e c t i o n C u r r e n t s i n A i r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 6 A c t i v i t y 1 7 - C o n v e c t i o n C u r r e n t s i n a T e s t T u b e . . . . . . . . . . . . 1 4 7 A c t i v i t y 1 8 — C o n v e c t i o n C u r r e n t s i n A i r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 8 A c t i v i t y 1 9 — T r a n s f e r o f H e a t b y R a d i a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 9 A c t i v i t y 2 0 - F e e l R a d i a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 2 A c t i v i t y 2 1 — H e a t T r a n s f e r b y R a d i a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 3 A c t i v i t y 2 2 — D i f f e r e n t K i n d s o f S u r f a c e s A f f e c t R a d i a t i o n . . . . 1 5 4 A c t i v i t y 2 3 — F o c u s R a d i a n t H e a t W a v e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 5 A c t i v i t y 2 4 - R e fl e c t R a d i a n t H e a t W a v e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 6 A c t i v i t y 2 5 — W e b R e s e a r c h — E x t r a C r e d i t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 7 A c t i v i t y 2 6 - C h e c k R - V a l u e s o n W e b — E x t r a C r e d i t . . . . . . 1 5 8 A c t i v i t y 2 7 - S o l a r E n e r g y T r a p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 9 A p p e n d i x D — L a b I n v e s t i g a t i o n — S t u d e n t E d i t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 0 L a b 1 - H e a t E x c h a n g e : H o t B r i c k P l a c e d i n C o o l W a t e r . . . . 1 6 1 L a b 2 — H e a t L o s s ( M e a s u r i n g R a t e o f C o o l i n g ) . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 7 L a b 3 — H e a t L o s s ( M e a s u r i n g R a t e o f C o o l i n g — S e c o n d ) . . . 1 6 9 L a b 4 — I n t r o d u c t i o n t o H e a t M e a s u r e m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 2 L a b 5 — C a l o r i e ( A W o r k i n g D e fi n i t i o n ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 5 L a b 6 — H o w t o C h e c k u p o n H e a t M e a s u r e m e n t . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 1 L a b 7 - M i x i n g H o t a n d C o l d W a t e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 5 L a b 8 - M i x i n g H o t a n d C o l d W a t e r l I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 8 L a b 9 - M i x i n g H o t a n d C o l d W a t e r I I I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 1 L a b 1 0 - C a l o r i m e t e r C o n s t a n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 3 L a b 1 1 — M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 8 L a b 1 2 - M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t ( S e c o n d T e c h n i q u e ) . 2 0 3 L a b 1 3 - — S p e c i fi c H e a t o f a M e t a l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 5 L a b 1 4 - S p e c i fi c H e a t o f a M e t a l ( I I ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 9 L a b 1 5 — T e m p e r a t u r e o f a H o t B o d y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 4 L a b 1 6 - P h a s e C h a n g e s ( F r e e z i n g a n d M e l t i n g ) . . . . . . . . . . . . . 2 1 8 L a b 1 7 — H e a t o f F u s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 2 L a b 1 8 - B o i l i n g P o i n t o f a L i q u i d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 7 L a b 1 9 — H e a t o f V a p o r i z a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 1 L a b 2 0 - M o l a r H e a t o f V a p o r i z a t i o n o f L i q u i d N i t r o g e n . . . . 2 3 6 L a b 2 1 - L i n e a r E x p a n s i o n o f S o l i d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 3 L a b 2 2 - H e a t o f C r y s t a l l i z a t i o n o f W a x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 8 L a b 2 3 — E n e r g y C o n t e n t o f F o o d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 1 v i L a b 2 4 - H e a t o f C o m b u s t i o n o f C a n d l e W a x . . . . . . . . . . . . . . . . L a b 2 5 - C o m p a r i s o n o f t h e E n e r g y C o n t e n t o f F u e l s . . . . A p p e n d i x E — L a b I n v e s t i g a t i o n — T e a c h e r E d i t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . L a b 1 - - H e a t E x c h a n g e : H o t B r i c k P l a c e d i n C o o l W a t e r . . . L a b 2 — H e a t L o s s ( M e a s u r i n g R a t e o f C o o l i n g ) . . . . . . . . . . . . . . L a b 3 - H e a t L o s s ( M e a s u r i n g R a t e o f C o o l i n g - S e c o n d ) . . . L a b 4 — I n t r o d u c t i o n t o H e a t M e a s u r e m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L a b 5 — C a l o r i e ( A W o r k i n g D e fi n i t i o n ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L a b 6 — H o w t o C h e c k u p o n H e a t M e a s u r e m e n t . . . . . . . . . . L a b 7 — M i x i n g H o t a n d C o l d W a t e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L a b 8 — M i x i n g H o t a n d C o l d W a t e r I I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L a b 9 - M i x i n g H o t a n d C o l d W a t e r I I I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L a b 1 0 - C a l o r i m e t e r C o n s t a n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L a b 1 1 - M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 4 2 5 8 2 6 3 2 6 4 2 7 1 2 7 7 2 8 2 2 8 5 2 9 1 2 9 6 3 0 0 3 0 4 3 0 7 3 1 1 L a b 1 2 - M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t ( S e c o n d T e c h n i q u e ) 3 1 6 L a b 1 3 — S p e c i fi c H e a t o f a M e t a l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L a b 1 4 - S p e c i fi c H e a t o f a M e t a l ( I I ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L a b 1 5 - T e m p e r a t u r e o f a H o t B o d y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L a b 1 6 - P h a s e C h a n g e s ( F r e e z i n g a n d M e l t i n g ) . . . . . . . . . . . . L a b 1 7 — H e a t o f F u s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L a b 1 8 — B o i l i n g P o i n t o f a L i q u i d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L a b 1 9 - H e a t o f V a p o r i z a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B I B L I O G R A P H Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v i i 3 2 6 3 3 0 3 3 5 3 3 9 3 4 4 3 5 0 3 5 4 3 6 0 C h a r t 1 C h a r t 2 C h a r t 3 C h a r t 4 C h a r t 5 C h a r t 6 C h a r t 7 C h a r t 8 C h a r t 9 C h a r t 1 0 C h a r t 1 1 C h a r t 1 2 C h a r t 1 3 C h a r t 1 4 C h a r t 1 5 C h a r t 1 6 C h a r t 1 7 C h a r t 1 8 C h a r t 1 9 L i s t o f C h a r t s H e a t T r a n s f e r a n d T e m p e r a t u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C o n d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C o n v e c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . R a d i a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C a l o r i e a n d S i m p l e C a l o r i m e t r y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S p e c i fi c H e a t a n d T e m p e r a t u r e C a l o r i m e t r y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P h a s e C h a n g e s , H e a t o f F u s i o n , H e a t o f V a p o r i z a t i o n . . . . . . . . . E x p a n s i o n , H e a t o f C r y s t a l l i z a t i o n a n d C o m b u s t i o n . . . . . . . . . . . . . Q u e s t i o n s - C o n t r o l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . T e s t S t a t i s t i c s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Q u e s t i o n s - C h a p t e r 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Q u e s t i o n s - C h a p t e r 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Q u e s t i o n s - C h a p t e r 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Q u e s t i o n s - C h a p t e r 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Q u e s t i o n s - C h a p t e r 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Q u e s t i o n s - C h a p t e r 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Q u e s t i o n s - C h a p t e r 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D i f f e r e n c e - P r e v s P o s t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v i i i 1 3 1 7 2 0 2 2 2 5 2 8 3 1 3 3 3 6 4 2 4 4 4 6 4 7 4 9 5 0 5 2 5 3 5 5 5 7 I N T R O D U C T I O N T h i s p r o j e c t a d d r e s s e s t h e u s e o f c o n s t r u c t i v i s t p r i n c i p l e s t o h e l p s t u d e n t s s t u d y t h e t o p i c s o f h e a t e x c h a n g e a n d h e a t t r a n s f e r . S t u d e n t s w e r e p l a c e d i n a r e s e a r c h e n v i r o n m e n t w h e r e t h e y s e q u e n t i a l l y i n v e s t i g a t e d l a b o r a t o r y m a t e r i a l d i r e c t l y r e l a t e d t o h e a t t r a n s f e r a n d h e a t e x c h a n g e . T h i s a p p r o a c h a l l o w e d a d i r e c t e x p o s u r e t o p h e n o m e n a a l l o w i n g o b s e r v a t i o n a n d m e a s u r e m e n t o f d e s i r e d v a r i a b l e s . W i l l t h e i r i n v o l v e m e n t i n t h i s a c t i v i t y a n d l a b - o r i e n t e d a p p r o a c h h a v e a d i r e c t i m p a c t o n t h e i r a b i l i t y t o l e a r n t h e m a t e r i a l ? H u d s o n A r e a S c h o o l s s e r v e a r u r a l , b l u e - c o l l a r c o m m u n i t y o f a p p r o x i m a t e l y 2 0 0 0 p e o p l e . O f . t h e 3 5 0 s t u d e n t s t h a t a t t e n d H u d s o n H i g h S c h o o l , 5 0 - 6 0 % n o r m a l l y g o o n t o c o l l e g e . T h e 1 8 m e m b e r s o f t h e 2 0 0 3 — 2 0 0 4 P h y s i c s c l a s s , w h i c h s e r v e d a s t h e s t u d y g r o u p , a l l e x p e c t t o a t t e n d c o l l e g e . S t u d e n t s a r e e x p o s e d t o t h e p r i n c i p l e s o f H e a t T r a n s f e r a n d H e a t E x c h a n g e i n C h e m i s t r y I , P h y s i c s a n d A P . C h e m i s t r y . T h e a b s t r a c t n a t u r e o f t h e s e p r i n c i p l e s h a s c a u s e d b o t h q u a l i t a t i v e a n d q u a n t i t a t i v e p r o b l e m s f o r s t u d e n t s . O v e r t h e p a s t 1 0 t o 1 5 y e a r s t e a c h e r d e v e l o p e d l a b o r a t o r y i n v e s t i g a t i o n s w e r e u s e d t o e n a b l e s t u d e n t s t o q u a l i t a t i v e l y e x p e r i e n c e h e a t p h e n o m e n a t o m a k e t h e q u a n t i t a t i v e p r o c e s s m o r e a p p a r e n t . T h e i n t e r d i s c i p l i n a r y s e m i n a r , s u m m e r o f 2 0 0 2 a l l o w e d t i m e t o r e fi n e t h e s e i n v e s t i g a t i o n s , a r r a n g e t h e m i n a l o g i c a l s e q u e n c e a n d t r y s o m e o f t h e m o u t u s i n g t h e C h e m i s t r y c l a s s o f 2 0 0 2 - 2 0 0 3 . T h e s e s t u d e n t s e x p e r i e n c e d s e v e n l a b s ( c a l o r i m e t r y a n d p h a s e c h a n g e ) p r e s e n t e d i n a t r a d i t i o n a l o b j e c t i v i s t , b e h a v i o r i s t f o r m a t ( t e a c h e r c e n t e r e d , t e a c h e r d r i v e n ) . D u r i n g t h e r e s e a r c h s u m m e r o f 2 0 0 3 t h i s w o r k w a s e x p a n d e d t o i n c l u d e a p o s s i b l e 3 8 s h o r t a c t i v i t i e s a n d s i x a d d i t i o n a l l a b o r a t o r y i n v e s t i g a t i o n s . T h e g o a l o f t h i s p r o j e c t i n v o l v e d p r e s e n t a t i o n o f m a t e r i a l u s i n g c o n s t r u c t i v i s t p r i n c i p l e s i n s t e a d o f a t e a c h e r - c e n t e r e d o b j e c t i v i s t / b e h a v i o r i s t f o r m a t . T h e a c t i v i t i e s a n d l a b s w o u l d b e a p p r o a c h e d i n a m a n n e r t h a t w o u l d a c c e s s a s t u d e n t ’ s p r i o r k n o w l e d g e . L a b o r a t o r y i n v e s t i g a t i o n s w o u l d b e i n t r o d u c e d a n d t h e s t u d e n t s w o u l d t h e n c o m p l e t e t h e l a b o r a t o r y a c t i v i t i e s a n d i n v e s t i g a t i o n s , w o r k i n g t o g e t h e r i n c o o p e r a t i v e s m a l l g r o u p s , t o c o n s t r u c t n e w k n o w l e d g e . T h i s n e w k n o w l e d g e s h o u l d h e l p t h e m m a k e s e n s e o f w h a t t h e y e x p e r i e n c e d , a l l o w i n g t h e m t o fi t t h e n e w i n f o r m a t i o n t o t h e i r p r i o r k n o w l e d g e b a s e . F o r s t u d e n t s t o f u l l y a p p r e c i a t e t h e c o n c e p t s o f h e a t t r a n s f e r a n d h e a t e x c h a n g e t e a c h e r s n e e d t o i n v o l v e t h e m i n a m e a n i n g f u l p r o c e s s t h a t w i l l p r o m o t e s u c c e s s f u l e x p e r i e n c e s . R o b l y e r , e t . a l . , ( 1 9 9 7 ) d i s c u s s B . F . S k i n n e r ’ s b e h a v i o r a l l e a r n i n g t h e o r y . “ S k i n n e r w a s c o n c e r n e d w i t h o b s e r v a b l e i n d i c a t i o n s I e a m i n g h a d o c c u r r e d a n d w h a t t h o s e o b s e r v a t i o n s c o u l d i m p l y f o r t e a c h i n g . S k i n n e r a n d o t h e r s c o n c e n t r a t e d o n o b s e r v a b l e c a u s e a n d e f f e c t r e l a t i o n s h i p s ” . T h e t e a c h e r ’ s j o b i s t o “ . . . m o d i f y t h e b e h a v i o r o f s t u d e n t s b y s e t t i n g u p s i t u a t i o n s t o r e i n f o r c e s t u d e n t s w h e n t h e y e x h i b i t d e s i r e d r e s p o n s e s . L e a r n i n g w a s v i e w e d a s a s e q u e n c e o f s t i m u l u s a n d r e s p o n s e a c t i o n s i n t h e l e a r n e r . T e a c h e r s c a n l i n k t o g e t h e r r e s p o n s e s i n v o l v i n g l o w e r l e v e l s k i l l s a n d c r e a t e a I e a m i n g c h a i n t o t e a c h h i g h e r - l e v e l s k i l l s . T e a c h e r s c a n d e t e r m i n e t h e s k i l l s n e e d e d t o l e a d t o d e s i r e d b e h a v i o r a n d m a k e c e r t a i n t h e y a r e l e a m e d i n a s t e p - b y - s t e p m a n n e r . ” R o s e n s h i n e , B ( 1 9 8 6 ) e m p h a s i z e s a b e h a v i o r i s t t e c h n i q u e c a l l e d E x p l i c i t T e a c h i n g . “ P r e s e n t m a t e r i a l i n s m a l l s t e p s , p a u s e t o c h e c k f o r s t u d e n t u n d e r s t a n d i n g a n d e l i c i t a c t i v e p a r t i c i p a t i o n f r o m a l l s t u d e n t s . T h i s m e t h o d s e q u e n c e s s i x i m p o r t a n t s t e p s i n c l u d i n g d a i l y r e v i e w , p r e s e n t a t i o n o f n e w m a t e r i a l , g u i d e d p r a c t i c e , c o r r e c t i o n s a n d f e e d b a c k , i n d e p e n d e n t p r a c t i c e a n d w e e k l y a n d m o n t h l y r e v i e w s . ” N a t i o n a t R i s k ( 1 9 8 3 ) p o i n t e d o u t t h a t t h e e d u c a t i o n a l c o m m u n i t y w a s n o t a d d r e s s i n g h o w f a s t t h e w o r l d w a s c h a n g i n g a n d t h e f a c t s c h o o l s n e e d e d t o b e t t e r p r e p a r e s t u d e n t s f o r t h i s n e w e n v i r o n m e n t o f c h a n g e . C o g n i t i o n a n d T e c h n o l o g y G r o u p , ( 1 9 9 4 ) s t a t e d , “ S c h o o l s m u s t g r a d u a t e s t u d e n t s w h o a r e p r e p a r e d t o b e l i f e l o n g I e a m e r s . T h i s i n v o l v e s a p e d a g o g i c a l s h i f t f r o m t r a n s m i t t i n g a b o d y o f e x p e c t e d k n o w l e d g e t h a t i s l a r g e l y m e m o r i z e d t o o n e t h a t i s l a r g e l y p r o c e s s o r i e n t e d . ” C o n s t r u c t i v i s t t h e o r y a t t e m p t s t o p r o v i d e t h e a v e n u e “ t h a t c a n h e l p a c h i e v e t h i s e n d . W i l s o n , ( 1 9 9 6 ) e x p l a i n s a c o n s t r u c t i v i s t s e t t i n g a s “ a p l a c e w h e r e l e a r n e r s m a y w o r k t o g e t h e r a n d s u p p o r t e a c h o t h e r a s t h e y u s e a v a r i e t y o f t o o l s a n d i n f o r m a t i o n a l r e s o u r c e s i n t h e i r g u i d e d p u r s u i t o f l e a r n i n g g o a l s a n d p r o b l e m s o l v i n g a c t i v i t i e s ” . H i s t o r i c a l l y , G i a m b a t t i s t a V r c o ( 1 8 t h c e n t u r y ) f e l t h u m a n s c o u l d o n l y c l e a r l y u n d e r s t a n d w h a t t h e y m e n t a l l y c o n s t r u c t . T h i s i s t h e m e n t a l c o n s t r u c t i o n t h a t o c c u r s i n t h e m i n d w h e n I e a m i n g o c c u r s . S t u d e n t s w i l l p r o g r e s s t h r o u g h t h e i r o w n n a t u r a l c u r i o s i t y a s i n d i v i d u a l e x p e r i e n c e a l l o w s t h e m t o i n t e r p r e t t h e i r r e a l i t y . K n o w l e d g e i s c o n n e c t e d t o t h e i d e a t h a t e v e r y o n e c o n s t r u c t s t h e i r p e r s p e c t i v e o f t h e w o r l d b y u s i n g t h e i r i n d i v i d u a l e x p e r i e n c e s . T o m a k e s e n s e o f e x p e r i e n c e s s t u d e n t s c r e a t e t h e i r o w n r u l e s ( m o d e l s ) a n d t h e n m a y n e e d t o c h a n g e t h e m w h e n n e w e x p e r i e n c e s f l y i n t h e f a c e o f a c c e p t e d t r u t h . v o n G l a s e r s f e l d , ( 1 9 9 5 , 1 9 9 6 ) d e fi n e d r a d i c a l c o n s t r u c t i v i s m a s a w a y t e a c h e r s p l a y t h e r o l e o f a “ m i d w i f e i n t h e b i r t h o f u n d e r s t a n d i n g ” a s o p p o s e d t o b e i n g “ m e c h a n i c s o f k n o w l e d g e t r a n s f e r " . T o a p p r e c i a t e a n d i m p l e m e n t a c o n s t r u c t i v i s t p h i l o s o p h y i n a c l a s s r o o m , t e a c h e r s n e e d t o c h a n g e t h e i r a t t i t u d e s w i t h r e g a r d t o t h e w a y s t u d e n t s l e a r n . E r n e s t ( 1 9 9 5 ) a s k e d , “ W h a t i s k n o w l e d g e , t r u t h a n d r e a l i t y a n d h o w d o s t u d e n t s a r r i v e a t k n o w i n g w h a t t h e y k n o w ? K n o w l e d g e , i t s n a t u r e a n d h o w w e c o m e t o k n o w a r e e s s e n t i a l c o n s i d e r a t i o n s f o r c o n s t r u c t i v i s t s . ” W e b s t e r ’ s d i c t i o n a r y ( 1 9 9 2 ) d e fi n e s e p i s t e m o l o g y a s , “ t h e s t u d y o f t h e n a t u r e o f k n o w l e d g e , i t s o r i g i n s , f o u n d a t i o n s , l i m i t s a n d v a l i d i t y ” . H i s t o r i c a l l y J o h n D e w e y , J e a n P i a g e t , L e v S . V y g o t s k y a n d J e r o m e S . B r u n e r d e v e l o p e d s o m e o f t h e i n i t i a l i d e a s a n d t h i n k i n g t h a t c o u l d b e a p p l i e d t o t h e c l a s s r o o m . J o h n D e w e y , D e m o c r a c y a n d E d u c a t i o n , ( 1 9 1 6 ) e q u a t e d e d u c a t i o n w i t h a c t i o n , “ . . . k n o w l e d g e a n d i d e a s e m e r g e d o n l y f r o m a s i t u a t i o n i n w h i c h I e a m e r s h a d t o d r a w t h e m o u t o f e x p e r i e n c e s t h a t h a d m e a n i n g a n d i m p o r t a n c e t o t h e m . T h e s e s i t u a t i o n s n e e d e d a s o c i a l c l a s s r o o m c o n t e x t , w h e r e s t u d e n t s j o i n e d , w o r k e d w i t h m a t e r i a l s , f o r m i n g a c o m m u n i t y o f l e a r n e r s w h o b u i l t t h e i r k n o w l e d g e t o g e t h e r " . J o h n D e w e y , E x p e r i e n c e a n d E d u c a t i o n ( 1 9 3 8 ) - a l s o s h a r e d t h e b e l i e f t h a t “ . . . a l l g e n u i n e e d u c a t i o n c o m e s a b o u t t h o u g h e x p e r i e n c e d o e s n o t m e a n t h a t a l l e x p e r i e n c e s g e n u i n e l y o f e q u a l l y e d u c a t i v e . E x p e r i e n c e a n d e d u c a t i o n c a n n o t b e d i r e c t l y e q u a t e d w i t h o n e a n o t h e r . F o r s o m e e x p e r i e n c e s a r e m i s — e d u c a t i v e . A n y e x p e r i e n c e t h a t i s m i s - e d u c a t i v e h a s t h e e f f e c t o f a r r e s t i n g a n d o r d i s t o r t i n g t h e g r o w t h o f f u r t h e r e x p e r i e n c e ” . J e a n P i a g e t ’ s v i e w s a d d r e s s e d t h e p s y c h o l o g i c a l d e v e l o p m e n t o f s t u d e n t s . T e a c h e r s n e e d e d t o u n d e r s t a n d t h e s e q u e n c e s i n t h e d e v e l o p m e n t s o f a c h i l d ’ s m i n d . F u n d a m e n t a l t o t h i s p r o c e s s i s t h e p r o c e s s o f d i s c o v e r y . P i a g e t - i n T o U n d e r s t a n d i s t o I n v e n t , ( 1 9 7 3 ) s h a r e s t h i s i n s i g h t , “ T o u n d e r s t a n d i s t o d i s c o v e r , o r r e c o n s t r u c t b y r e d i s c o v e r y , a n d s u c h c o n d i t i o n s m u s t b e c o m p i l e d s o i n t h e f u t u r e i n d i v i d u a l s a r e t o b e f o r m e d w h o a r e c a p a b l e o f p r o d u c t i o n a n d c r e a t i v i t y a n d n o t s i m p l e r e p e t i t i o n . ” C h i l d r e n m a y a c c e p t m i s c o n c e p t i o n s t h e y l a t e r n e e d t o r e c o n s t r u c t a s t h e y r e d i s c o v e r r e l a t i o n s h i p s i n c l a s s r o o m a c t i v i t i e s . A c t i v e i n v o l v e m e n t w i l l b u i l d u n d e r s t a n d i n g t h r o u g h s t e p - b y - s t e p d i s c o v e r y . L e v S . V y g o t s k y , T h e V y g o t s k y R e a d e r , ( 1 9 9 4 ) b e l i e v e s , “ . . . c h i l d r e n l e a r n s c i e n t i fi c c o n c e p t s o u t o f a “ t e n s i o n ” b e t w e e n t h e i r e v e r y d a y n o t i o n s a n d a d u l t c o n c e p t s . P r e s e n t e d w i t h a n a d u l t c o n c e p t f r o m t h e a d u l t w o r l d , t h e c h i l d w i l l o n l y m e m o r i z e w h a t t h e a d u l t s a y s a b o u t t h e i d e a . T o m a k e t h e c o n c e p t h i s / h e r p r o p e r t y t h e c h i l d m u s t l i n k t h a t c o n c e p t t o t h e i d e a a s fi r s t p r e s e n t e d t o h i m / h e r . T h i s , h o w e v e r i s n o t s t r a i g h t - t o w a r d b e c a u s e p r i o r c o n c e p t i o n s a n d i n t r o d u c e d s c i e n t i fi c c o n c e p t s a r e i n t e r w o v e n a n d i n fl u e n c e o n e a n o t h e r a s t h e c h i l d w o r k s o u t h i s / h e r o w n i d e a s f r o m t h e g e n e r a l i z a t i o n s h e / s h e a l r e a d y h a d a n d t h o s e i n t r o d u c e d t o h i m / h e r ” . J e r o m e S . B r u n e r T h e P r o g r e s s o f E d u c a t i o n , ( 1 9 6 0 ) s t a t e s t h a t “ A p h y s i c i s t h a s c e r t a i n a t t i t u d e s a b o u t t h e u l t i m a t e o r d e r l i n e s s o f n a t u r e . . . A y o u n g p h y s i c i s t n e e d s s o m e w o r k i n g v e r s i o n o f t h e s e a t t i t u d e s i f h e i s t o o r g a n i z e h i s I e a m i n g i n s u c h a w a y a s t o m a k e w h a t h e l e a r n s u s e f u l a n d m e a n i n g f u l i n h i s t h i n k i n g . ” H e g o e s o n t o e m p h a s i z e t h a t m e r e p r e s e n t a t i o n d o e s n o t a c h i e v e t h i s e n d a n d m u c h r e s e a r c h o n I e a m i n g n e e d s t o b e d o n e . B r u n e r c o n c l u d e s “ b u t i t w o u l d s e e m t h a t a n i m p o r t a n t i n g r e d i e n t i s a s e n s e o f e x c i t e m e n t a b o u t d i s c o v e r y - d i s c o v e r y o f r e g u l a r i t i e s ( p a t t e r n s ) o f p r e v i o u s l y u n r e c o g n i z e d r e l a t i o n s h i p s a n d s i m i l a r i t i e s b e t w e e n i d e a s w i t h a r e s u l t i n g s e n s e o f s e l f - c o n fi d e n c e i n o n e ’ s a b i l i t i e s ” . T h e p r o j e c t d e s c r i b e d h e r e s t r o v e t o s t r u c t u r e m a t e r i a l u s e d i n t e a c h i n g h e a t t r a n s f e r i n a w a y t h a t t h e e x c i t e m e n t o f d i s c o v e r y c o u l d b e p e r s o n a l f o r t h e s t u d e n t . T h e a c t i v i t i e s a n d l a b o r a t o r y i n v e s t i g a t i o n s n e e d e d a l e a r n i n g e n v i r o n m e n t t h a t w o u l d p r o m o t e c o l l a b o r a t i v e I e a m i n g a n d e n h a n c e c r i t i c a l t h i n k i n g . W i l s o n i n C a s e S t u d i e s f o r I n s t r u c t i o n a l D e s i g n , ( 1 9 9 6 ) . s h a r e d i n “ a c o n s t r u c t i v i s t - I e a m i n g e n v i r o n m e n t t h e r e i s a p l a c e w h e r e I e a m e r s m a y w o r k t o g e t h e r a n d s u p p o r t o n e a n o t h e r . T h e r e i s n e e d f o r a v a r i e t y o f t o o l s a n d i n f o r m a t i o n a l r e s o u r c e s t o a l l o w p u r s u i t o f I e a m i n g g o a l s a n d r e l a t e d p r o b l e m s o l v i n g a c t i v i t i e s . ” I n G e r g e n ’ s ( 1 9 9 5 ) v i e w , “ t e a c h e r s a r e c o o r d i n a t o r s , f a c i l i t a t o r s , r e s o u r c e a d v i s o r s , t u t o r s o r c o a c h e s ” . I n t h i s p r o j e c t , c l a s s r o o m p h i l o s o p h y w a s c h a n g e d t o s e e i f s t u d e n t s c o u l d b e e n g a g e d i n m u l t i p l e a c t i v i t i e s i n p u r s u i t o f m u l t i p l e I e a m i n g g o a l s . T h e t e a c h e r n e e d s t o b e c o a c h , c h e e r l e a d e r , f a c i l i t a t o r a n d g o - f e r . J o h n s o n a n d J o h n s o n ( 1 9 9 6 ) p o i n t o u t t h a t “ A c t i v e e x c h a n g e o f i d e a s w i t h i n s m a l l g r o u p s i n c r e a s e d I e a m i n g a n d p r o m o t e c r i t i c a l t h i n k i n g . ” T o t t e n , e t . a l . , ( 1 9 9 1 ) c o n c u r . “ T h e r e i s a l s o e v i d e n c e t h a t c o o p e r a t i v e g r o u p s a c h i e v e a t h i g h e r l e v e l s o f t h o u g h t a n d r e t a i n i n f o r m a t i o n l o n g e r t h a n s t u d e n t s w h o w o r k q u i e t l y a s i n d i v i d u a l s . T h e s h a r e d l e a r n i n g g i v e s s t u d e n t s a n o p p o r t u n i t y t o e n g a g e { E i g f g g s ’ s i o n , t a k e r e s p o n s i b i l i t y f o r t h e i r o w n I e a m i n g a n d b e c o m e c r i t i c a l S l a v e n ( 1 9 8 9 ) e m p h a s i z e d “ i n e f f e c t i v e c o l l a b o r a t i v e I e a m i n g t h e r e m u s t b e g r o u p g o a l s a n d i n d i v i d u a l a c c o u n t a b i l i t y " . W e b b ( 1 9 8 5 ) s h a r e d , “ i t i s t h e g r o u p ’ s t a s k t o e n s u r e e v e r y m e m b e r h a s l e a r n e d s o m e t h i n g a n d i t i s i n t h e i n t e r e s t o f g r o u p m e m b e r s t o s p e n d » t i m e e x p l a i n i n g c o n c e p t s t o g r o u p m a t e s . ” V y g o t s k y ( 1 9 7 8 ) c o r r o b o r a t e s t h i s i d e a . “ S t u d e n t s a r e a b l e t o p e r f o r m a t h i g h e r i n t e l l e c t u a l l e v e l s w h e n a s k e d t o w o r k i n c o l l a b o r a t i v e s i t u a t i o n s v e r s u s i n d i v i d u a l . ” B r u n e r ( 1 9 8 5 ) a r t i c u l a t e s t h a t , “ c o o p e r a t i v e I e a m i n g i m p r o v e s p r o b l e m - s o l v i n g s t r a t e g i e s b e c a u s e s t u d e n t s a r e c o n f r o n t e d w i t h d i f f e r e n t i n t e r p r e t a t i o n s o f a g i v e n s i t u a t i o n . A p e e r s u p p o r t s y s t e m m a k e s i t p o s s i b l e f o r t h e I e a m e r s t o a c c e p t e x t e r n a l k n o w l e d g e a n d c r i t i c a l t h i n k i n g s k i l l s a n d c o n v e r t t h e m t o t o o l s f o r i n t e l l e c t u a l f u n c t i o n i n g . ” A s s t u d e n t s p r o g r e s s e d f r o m s i m p l e t o m o r e c o m p l e x a c t i v i t i e s t h e y n e e d m o r e g u i d a n c e w i t h i n t h e c o n s t m c t i v i s t m a n d a t e . C l a s s r o o m d e s i g n m u s t a d d r e s s t h i s i s s u e , M c C l i n t o c k ( 1 9 7 1 ) f e l t “ w h e n s t u d e n t s c o n s t r u c t n e w k n o w l e d g e t h e y a r e “ s t u d y i n g ” a n d t h i s t e r m c a p t u r e s w h a t i s h a p p e n i n g b e t t e r t h a t t h e t e r m I e a m i n g . ” B l a c k a n d M c C l i n t o c k ( 1 9 9 5 ) c o n s i d e r e d t h e d e s i g n o f “ s t u d e n t s u p p o r t e n v i r o n m e n t s ( S S E ) v e r s u s i n s t r u c t i o n a l s y s t e m s . C r e a t i n g t h e s e s t u d e n t s u p p o r t e n v i r o n m e n t s a l l o w t e a c h e r s t o c r e a t e a p l a c e f o r s t u d y i n a w o r l d o f i n s t r u c t i o n . “ S S E ’ s s h o u l d f o s t e r t h e c o n s t r u c t i o n o f i n t e r p r e t a t i o n b a s e d o n o b s e r v a t i o n s a n d b a c k g r o u n d r e s e a r c h i n f o r m a t i o n . ” T o h e l p s t u d e n t s d e a l w i t h m o r e c o m p l e x i d e a s C o l l i n s , e t . a l . , ( 1 9 8 9 ) i n t r o d u c e t h e i d e a o f “ . . . c o g n i t i v e a p p r e n t i c e s h i p , a s a m e t h o d o f t e a c h i n g p r o c e s s e s t h a t e x p e r t s u s e t o h a n d l e c o m p l e x t a s k s . T h i s i s I e a m i n g t h r o u g h g u i d e d e x p e r i e n c e b a s e d o n c o g n i t i v e s k i l l s ( w h a t s t u d e n t s b e l i e f a b o u t a s u b j e c t t h a t a f f e c t s t h e i r r e s p o n s e s ) . S t u d e n t s o b s e r v e t h e p r o c e s s b y w h i c h a n e x p e r t t h i n k s a n d p r a c t i c e s n e w s k i l l s w h i c h t e a c h e s t h e m t o I e a m o n t h e i r o w n m o r e c a r e f u l l y " . T h e y g o o n t o e x p l a i n , “ . . . t h i s m e t h o d i n v o l v e s m o d e l i n g , c o a c h i n g , a n d a r t i c u l a t i o n w h e r e s t u d e n t s n e e d t o s h a r e t h e i r k n o w l e d g e a n d r e a s o n i n g , r e fl e c t i o n w h e r e s t u d e n t s c o m p a r e t h e i r p r o b l e m s o l v i n g w i t h e x p e r t s ( % e r r o r , % d i f f e r e n c e ) a n d e x p l o r a t i o n ( p u s h s t u d e n t s i n t o a m o d e o f s o l v i n g p r o b l e m s o n t h e i r o w n ) . S t u d e n t s n e e d t o s e e t h e p r o b l e m , f o r m t e c h n i q u e s a n d p r o v i d e t h e i r o w n c r i t i c a l e x p l a n a t i o n ” . C o g n i t i v e a p p r e n t i c e s h i p a l s o a d d r e s s e s a c o n s t r u c t i v i s t c o n c e p t c a l l e d s c a f f o l d i n g . T h e I e a m e r n e e d s t o b e g u i d e d f r o m t h e i r p r i o r k n o w l e d g e s t a t e t o w h a t t h e y n e e d t o k n o w . S c a f f o l d i n g u s e s t e a c h i n g d i r e c t i o n t o h e l p s t u d e n t s e x p e r i e n c e a c t i v i t i e s t h a t w o u l d n o r m a l l y b e b e y o n d t h e i r a b i l i t y . V y g o t s k y ( 1 9 7 8 ) e m p h a s i z e d t h a t , “ s t u d e n t p r o b l e m s o l v i n g s k i l l s f a l l i n t o t h r e e c a t e g o r i e s ; s k i l l s w h i c h t h e s t u d e n t c a n n o t p e r f o r m , s k i l l s t h e s t u d e n t m a y b e a b l e t o p e r f o r m a n d s k i l l s t h e s t u d e n t c a n p e r f o r m w i t h h e l p ” . T e a c h e r s n e e d t o p r o v i d e t h e n e c e s s a r y a s s i s t a n c e ( s c a f f o l d i n g ) t o a l l o w s t u d e n t s t o w o r k a t t h e i r h i g h e s t l e v e l . T o s u m m a r i z e , i n a c o n s t r u c t i v i s t e n v i r o n m e n t t e a c h e r s c r e a t e s i t u a t i o n s w h e r e t h e y h e l p s t u d e n t s a c q u i r e s k i l l s a n d c o n s t r u c t n e w k n o w l e d g e . I n t h i s e n v i r o n m e n t t e a c h e r s n e e d t o e n c o u r a g e s t u d e n t s , d r a w t h e m o u t , b e a v a i l a b l e , a n d c o n v e r s e w i t h t h e m a s t h e y p r o b e f o r u n d e r s t a n d i n g . A s s t u d e n t s t a k e o w n e r s h i p o f t h e i r I e a m i n g , d i r e c t e x p e r i e n c e s w i l l g e n e r a t e q u e s t i o n s t h a t w i l l d e t e r m i n e a c o u r s e o f a c t i o n a s s t u d e n t s f a s h i o n a n d d e v e l o p t h e i r o w n t h o u g h t s . T h e i r i d e a s m a y a t fi r s t b e c o n f u s e d a n d t h e y n e e d t o f e e l f r e e t o s h a r e , w h e t h e r r i g h t o r w r o n g . T e a c h e r s n e e d t o r e m a i n fl e x i b l e a n d o b j e c t i v e w h i l e t h e y p a y a t t e n t i o n t o s t u d e n t r e s p o n s e s a n d v a l u e s t u d e n t p o i n t s o f v i e w . T h i s i s a n e w a p p r o a c h t o I e a m i n g w h e r e s t u d e n t s s e e k k n o w l e d g e v e r s u s r e c e i v i n g f a c t s a n d i d e a s . D i a l o g u e w i t h s t u d e n t s w i l l o p e n n e w p a t h w a y s o f i n q u i r y a n d t e a c h e r s w i l l n e e d t o a c c e p t t h e i r n e w r o l e a s p a r t o f t h i s p r o c e s s . T h i s c o n s t r u c t i v i s t t e c h n i q u e w i l l r e q u i r e m o r e f r o m s t u d e n t s a n d t e a c h e r s . I t s p r o m i s e c e n t e r s o n s t u d e n t i n v o l v e m e n t i n a p r o c e s s t h a t w i l l p r o d u c e a n e x p a n d e d k n o w l e d g e b a s e a s a r e s u l t o f s t u d e n t a c t i v e p a r t i c i p a t i o n . I M P L E M E N T A T I O N T h i s p r o j e c t b e g a n w i t h t h e d i s t r i b u t i o n a n d c o l l e c t i o n o f c o n s e n t f o r m s s i g n e d b y t h e p a r e n t s w i t h t h e c l a s s r o o m w o r k b e g i n n i n g J a n u a r y 5 ‘ " , 2 0 0 4 . S t u d e n t s b e g a n t h i s u n i t w i t h a p r e t e s t c o n s i s t i n g o f fi f t y m u l t i p l e c h o i c e a n d 3 0 s h o r t a n s w e r q u e s t i o n s . ( A p p e n d i x A ) w h i c h w a s c o m p l e t e d o n t h e 6 t h o f J a n u a r y , 2 0 0 4 . T h e p r o j e c t , c o m p l e t e d i n a 1 0 - 1 2 w e e k t i m e f r a m e , a d d r e s s e d p h e n o m e n a i n v o l v e d i n h e a t t r a n s f e r a n d h e a t e x c h a n g e . S e q u e n t i a l l y , s t u d e n t s b e g a n w i t h i n v e s t i g a t i o n s o f c o n d u c t i o n , c o n v e c t i o n a n d r a d i a t i o n . T h e y t h e n i n v e s t i g a t e d h o w t o d e fi n e h e a t i n t e r m s o f c a l o r i e s a n d t h e n e v a l u a t e d s i m p l e h e a t e x c h a n g e w h e r e v a r i o u s a m o u n t s o f h o t a n d c o l d w a t e r w e r e m i x e d t o g e t h e r . T h i s s i m p l e c a l o r i m e t r y s h o w e d t h e n e e d t o c o n s i d e r t h e h e a t a b s o r p t i o n o f t h e c a l o r i m e t e r ( S t y r o f o a m c u p ) , w h i c h w a s d e t e r m i n e d n e x t . S t u d e n t s d e t e r m i n e d t h e m e c h a n i c a l e q u i v a l e n t o f h e a t t o e s t a b l i s h r a t i o n a l e f o r e q u a t i n g c a l o r i e s a n d j o u l e s . T h i s w a s f o l l o w e d b y m o r e i n v o l v e d c a l o r i m e t r y t h a t d e t e r m i n e d t h e s p e c i fi c h e a t o f a v a r i e t y o f m e t a l s a n d a l s o t h e t e m p e r a t u r e o f r e d - h o t s t e e l ( i r o n ) . T h e n e x t c h a p t e r a d d r e s s e d p h a s e c h a n g e s a n d t h e h e a t s o f f u s i o n a n d v a p o r i z a t i o n . T h e p r o j e c t fi n i s h e d b y i n v e s t i g a t i n g t h e h e a t o f c r y s t a l l i z a t i o n o f l i q u i d w a x , t h e h e a t o f c o m b u s t i o n o f w a x , a l c o h o l f u e l a n d f o o d ( p e a n u t s ) a n d t h e t h e r m a l e x p a n s i o n o f s o l i d s . T h r o u g h o u t t h e p r o j e c t s t u d e n t s d e m o n s t r a t e d I e a m i n g b y w r i t i n g l a b r e p o r t s , c o m p l e t i n g p r o b l e m s a s s o c i a t e d w i t h t h e l a b o r a t o r y i n v e s t i g a t i o n s , t a k i n g s h o r t q u i z z e s t o d e m o n s t r a t e p r o b l e m s o l v i n g s k i l l s , t h e y a l s o c o m p l e t e d a 1 0 s u r v e y t o h e l p e v a l u a t e t h e v a l u e o f t h i s u n i t f r o m t h e s t u d e n t ’ s p e r s p e c t i v e . D u r i n g l a b a c t i v i t i e s s t u d e n t s w e r e i n v o l v e d i n a c o o p e r a t i v e I e a m i n g e n v i r o n m e n t w h e r e t h e y h e l p e d o n e a n o t h e r c o l l e c t a n d p r o c e s s d a t a . S t u d e n t s w e r e a l s o i n f o r m a l l y q u e s t i o n e d d u r i n g c l a s s t o g a u g e t h e i r r e s p o n s e t o t h e a c t i v i t i e s a n d l a b s t h a t w e r e e x p e r i e n c e d . A w e e k l y l o g w a s u s e d t o r e fl e c t o n t h e s e p e r c e p t i o n s . A d d i t i o n a l l y a p h o t o / m o v i e r e c o r d o f s o m e o f t h e d a i l y w o r k w a s u s e d t o c h r o n i c l e s t u d e n t e x p e r i e n c e s . S t u d e n t s w e r e a s k e d t o w r i t e r e s p o n s e s u s i n g a c u r r i c u l u m - w i d e a p p r o a c h u s e d i n a l l d i s c i p l i n e s . H u d s o n H i g h S c h o o l a d o p t e d t h e J o h n J . C o l l i n s “ D e v e l o p i n g W r i t i n g a n d T h i n k i n g S k i l l s A c r o s s t h e C u r r i c u l u m : A P r a c t i c a l P r o g r a m f o r S c h o o l s t o D e v e l o p C o n s i s t e n c y i n W r i t i n g A c r o s s t h e C u r r i c u l u m ” . I n ( A p p e n d i x C ) , T y p e 1 a n d t y p e 2 w r i t i n g s t y l e s w e r e e x p l a i n e d . T y p e 1 e n c o u r a g e d s t u d e n t s t o g e t t h e i r i d e a s o n p a p e r . T h i s i s a m e a n s f o r s t u d e n t s t o g e n e r a t e i d e a s , r e c o l l e c t t h o u g h t s , g a t h e r d a t a , e x p l o r e n e w i d e a s o r a s k q u e s t i o n s i n t h e i r t h i n k i n g a n d w r i t i n g . T h e p r o c e s s i s i n d i v i d u a l , q u i c k , g i v e s s t u d e n t s t i m e t o t h i n k , a n d t e a c h e r s i n s i g h t i n t o a s t u d e n t ’ s k n o w l e d g e . T y p e 1 w r i t i n g c a n r e p l a c e c l a s s d i s c u s s i o n a n d c a n b e u s e d t o a c c e s s p r i o r k n o w l e d g e a t t h e b e g i n n i n g o f a u n i t . T y p e 2 w r i t i n g s h o w s t h a t t h e s t u d e n t k n o w s s o m e t h i n g a b o u t t h e t o p i c o r h a s t h o u g h t a b o u t t h e t o p i c . I t i s b e s t u s e d a s a q u i z a n d w o u l d b e t h e c o r r e c t a n s w e r t o a t e a c h e r ’ s p r o m p t . A p r o m p t n e e d s t o b e c l e a r a n d h a v e a d e fi n i t e a n s w e r . S t u d e n t s w i l l m a k e t h e i r o w n m e a n i n g b y t r a n s l a t i n g c o n c e p t s i n t o t h e i r o w n w o r d s . T y p e 2 r e s p o n s e s a r e g o o d f o r p r o m p t s t h a t r e q u i r e l i m i t e d , s p e c i fi c 1 1 a n d p r e d i c t a b l e r e s p o n s e s . P r o m p t s w o u l d i n c l u d e t h e t a s k s ; l i s t , d e fi n e o r e x p l a i n t o g e n e r a t e s i m p l e , q u i c k w r i t t e n w o r k t h a t g e n e r a t e s a c o r r e c t r e s p o n s e . T h e s e c a n b e g o o d w a k e - u p c a l l s f o r s t u d e n t s . T h e f o l l o w i n g i s a s u m m a r y o f t h e a c t i v i t i e s a n d l a b i n v e s t i g a t i o n s i m p l e m e n t e d i n e a c h o f t h e c h a p t e r s o f t h i s u n i t . 1 2 C H A P T E R 1 ( H e a t , H e a t T r a n s f e r a n d T e m p e r a t u r e ) C h a p t e r O n e b e g a n w i t h s o m e h i s t o r i c a l b a c k g r o u n d c o n c e r n i n g h e a t , t h e r m a l e n e r g y a n d t e m p e r a t u r e ( A p p e n d i x B ) . T h i s m a t e r i a l w a s t h e n r e i n f o r c e d w i t h f o u r a c t i v i t i e s a n d t h r e e l a b o r a t o r y i n v e s t i g a t i o n s t o e x p l o r e h e a t , h e a t t r a n s f e r a n d t e m p e r a t u r e . S t u d e n t s w e r e p r o v i d e d w i t h a c t i v i t y s h e e t s ( A p p e n d i x C ) , d i v i d e d i n t o g r o u p s o f t h r e e t o fi v e s t u d e n t s a n d i n s t r u c t e d t o h e l p o n e a n o t h e r t o c o m p l e t e t h e a c t i v i t i e s i n t w o d a y s . C h a r t 1 p r o v i d e s a s u m m a r y o f t h e a c t i v i t i e s a n d l a b s . _ _ H - _ _ _ . _ . _ _ _ _ _ _ _ w C h a r t : - . _ _ _ _ _ - m m - - . C h a p t e r 1 - H e a t T r a n s f e r a n d T e m p _ e _ _ r a t u _ r e _ _ _ A c t i v i t y / L a b fl _ . _ _ _ . . _ _ _ _ _ I d e a s , _ ” T L o c a t i o n B a c k g r o u n d o n h e a t , t h e r m a l e n e r g y 1 m g n m fi y r : L _ _ _ z - L . _ L i s t e r i c a L p e fi p e fi g _ $ 9 9 3 2 4 8 9 . . P h y s i c a l s e n s i n g A c t i v i t y _ _ 1 - - F e e l i n g t e m p e p a g £ e _ _ _ { t e m p e r a t u r e A p p e n d i x m C A b i l i t y t o m a t c h a s i t u a t i o n A c fi w y 2 - E s t i m a t i o n o f t e m p e p a t u r e _ w i t h a _ t e m p e r : a _ t u r L _ _ fi fi p p ‘ e j d i l L D i s c u s s i o n o f h e a t a s a A c t i v i y 3 - H i s t o r i c a l D i a l o g r e J fl u i d A p p e n d i x C M e a s u r i n g d e v i c e s h a v e A c t i v i t y 4 - T G S E D Q Q E G T E Q U E W F . 9 9 8 & 6 a n e r r o r _ 5 9 9 2 9 0 l e L a b 1 - H e a t e x c h a n g e _ _ _ * P h y s i c a l l y s e n s i fl h e a t _ A p p e n d i x D M e a s u r i n g r a t e o f h e a t l o s s L a b 2 - t i c - 3 2 0 9 . 6 3 - _ _ z I O m e f e r e m m a t e r i a l s “ _ _ A g p e m g - F fl M e a s u r i n g r a t e o f c o o l i n g L a b 3 - H e a t l o s s l l , u s i n g a g o o d c o n d u c t o r A p p e n d i x D S t u d e n t s fi r s t u s e d p r e p a r e d t u b s o f h o t , w a r m a n d i c e w a t e r t o p h y s i c a l l y s e n s e t e m p e r a t u r e . F o l l o w i n g a s e q u e n c e o f s t e p s s t u d e n t s f o u n d t h e i r h a n d s 1 3 g a v e v e r y d i f f e r e n t s e n s a t i o n s w h e n p l a c e d b a c k i n t h e s a m e t u b o f w a r m w a t e r . I n t h e s e c o n d a c t i v i t y s t u d e n t s w e r e g i v e n f o u r t e e n t e m p e r a t u r e s i t u a t i o n s ( o n c a r d s ) a n d f o u r t e e n t e m p e r a t u r e s ( a l s o o n c a r d s ) . F o l l o w i n g d i r e c t i o n s s t u d e n t s w e r e a b l e t o m a t c h u p t h e s i t u a t i o n c a r d s w i t h c o r r e s p o n d i n g t e m p e r a t u r e s . T h i s w a s a g o o d c o o p e r a t i v e I e a m i n g e x e r c i s e . G r o u p m e m b e r s r e m i n d e d o r r e t a u g h t o n e a n o t h e r t o c o n v e r t C e l s i u s t e m p e r a t u r e t o F a h r e n h e i t . T h e m a j o r i t y p l a c e d s i t u a t i o n s i n t h e c o r r e c t o r d e r w i t h n o m o r e t h a n t w o t o t h r e e e r r o r s . D u r i n g t h e h o u r t w o m e m b e r s o f t h e P h y s i c s c l a s s v o l u n t e e r e d t o r e a d t h r o u g h a s h o r t p l a y a b o u t A n t o i n e L a v o s i e r a n d h i s w i f e , A n n e M a r i e , a s t h e y d i s c u s s e d h i s i d e a s a b o u t h e a t t r a n s f e r . T h e t w o c o n c e p t s a d d r e s s e d i n t h i s p l a y c o n c e r n e d h e a t fl o w i n g a s a fl u i d ( c a l o r i c fl u i d ) a n d t h e p o s s i b i l i t y t h a t t h i s c a l o r i c fl u i d h a d m a s s . A s e r i e s o f q u e s t i o n s w e r e p r o v i d e d t o h e l p s t u d e n t s a n a l y z e t h e p o s s i b i l i t i e s p r e s e n t e d i n t h e p l a y . S t u d e n t s n e x t u s e d d i g i t a l t h e r m o m e t e r s t o m e a s u r e t h e t e m p e r a t u r e o f b o i l i n g w a t e r a n d i c e w a t e r t o s h o w t h a t t h e r e i s e r r o r i n v o l v e d w i t h a n y m e a s u r i n g t o o l ( e v e n i f i t i s d i g i t a l - : l : . 5 ° C ) . T h e i r l a s t a c t i v i t y i n t h i s s e c t i o n i n v o l v e d a v a r i e t y o f t e m p e r a t u r e c o n v e r s i o n s t o r e f a m i l i a r i z e s t u d e n t s w i t h f o r m u l a s t o i n t e r c h a n g e C e l s i u s , F a h r e n h e i t a n d K e l v i n t e m p e r a t u r e s . S t u d e n t s t h e n c o m p l e t e d t h r e e - l a b o r a t o r y i n v e s t i g a t i o n s , w h i c h i n c l u d e d a h o t b r i c k i n c o o l w a t e r , h e a t l o s s o f d i f f e r e n t m a t e r i a l s a n d h e a t l o s s f r o m a g o o d c o n d u c t o r t o e v a l u a t e t h e e f f e c t o f a d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e t e m p e r a t u r e i n s i d e a n d t e m p e r a t u r e o u t s i d e . T h e s e i n t r o d u c e d t h e c o n c e p t o f h e a t e x c h a n g e a n d t h e h e a t t r a n s f e r p r o c e s s e s o f c o n d u c t i o n , c o n v e c t i o n a n d r a d i a t i o n . 1 4 I n L a b 1 s t u d e n t s w o r k e d i n l a r g e r g r o u p s o f f o u r t o fi v e s t u d e n t s a n d q u a l i t a t i v e l y d e s c r i b e d h o w t h e h o t b r i c k i n t e r a c t e d w i t h t h e c o o l w a t e r . N e x t , t h e y w e r e i n v i t e d t o u s e s m a l l e r b r i c k s a m p l e s , a S t y r o f o a m c u p v e r s u s t h e l a r g e r c o o l e r s a n d m a k e a n y m e a s u r e m e n t s t h e y c o u l d a n d d o a n y c a l c u l a t i n g t h e y d e s i r e d . T h i s w a s d o n e t o e v a l u a t e t h e e x t e n t o f a n y p r i o r k n o w l e d g e t h a t w a s a t t a i n e d i n C h e m i s t r y t h e y e a r b e f o r e . W h e n t h e y fi n i s h e d m e a s u r i n g a n d c a l c u l a t i n g a l l w e r e i n v i t e d t o s h a r e t h e i r m e t h o d s w i t h o n e a n o t h e r . T h i s d i s c u s s i o n o c c u r r e d i n m y a b s e n c e . S t u d e n t s w e r e a b l e t o p i e c e t o g e t h e r e n o u g h p r i o r k n o w l e d g e t o c a l c u l a t e t h e h e a t l o s t b y t h e b r i c k a n d h e a t g a i n e d b y t h e w a t e r . H o w e v e r , t h e l a b r e p o r t s r e fl e c t e d t h a t o n l y o n e - t h i r d o f t h e c l a s s c o u l d r e a s o n a p p r o p r i a t e l y . I n L a b 1 H e a t E x c h a n g e : A h o t b r i c k w a s p l a c e d i n c o o l w a t e r . S t u d e n t s c o u l d p h y s i c a l l y s e n s e t h e b r i c k c o o l i n g a n d t h e w a t e r w a r m i n g . E m p h a s i s w a s p l a c e d o n t h e f a c t t h a t h e a t fl o w s f r o m h o t t o c o l d . T h e n e x t t w o h e a t l o s s e x p e r i m e n t s a l l o w e d s t u d e n t s t o s e e t h a t d i f f e r e n t m a t e r i a l s l o s e e n e r g y a t d i f f e r e n t r a t e s . A d d i t i o n a l l y , t h e y a l s o u n d e r s t o o d t h a t t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e i n s i d e a n d o u t s i d e t e m p e r a t u r e d o e s m a k e a d i f f e r e n c e i n t h e r a t e a t w h i c h h e a t i s l o s t . S t u d e n t s w e r e r e q u i r e d t o g r a p h t h e i r d a t a u s i n g M i c r o s o f t E x c e l . T h e f o u r a c t i v i t i e s a n d t h e t h r e e l a b o r a t o r y e x e r c i s e s p r o v i d e d a g r e a t s t a r t f o r t h e p r o j e c t . S t u d e n t s w o r k e d w e l l i n c o o p e r a t i v e g r o u p s h e l p i n g o n e a n o t h e r w i t h a c t i v i t i e s a n d l a b s . T h e s e i n v e s t i g a t i o n s l a i d t h e g r o u n d w o r k f o r f u t u r e w o r k i n v o l v i n g h e a t , a n d t r a n s f e r a n d t h e c o n c e p t o f t e m p e r a t u r e . B i g i d e a s t h a t w e r e 1 5 a d d r e s s e d i n c l u d e d h e a t a s t h e r m a l e n e r g y t h a t m o v e s f r o m h o t t o c o l d . H e a t i s n o t a fl u i d a n d h a s n o m a s s . T h e r e a r e d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s c a l e s a n d m e t h o d s a v a i l a b l e t o c o n v e r t f r o m o n e t o a n o t h e r . S t u d e n t s a l s o w e r e a b l e t o o b s e r v e t h a t d i f f e r e n t m a t e r i a l s t r a n s f e r h e a t a t d i f f e r e n t r a t e s a n d t h a t t h e d i f f e r e n c e i n t e m p e r a t u r e h a s a n e f f e c t o n t h e r a t e o f t r a n s f e r . 1 6 C H A P T E R 2 ( H e a t T r a n s f e r ) I n C h a p t e r 2 s t u d e n t s e x a m i n e d h e a t t r a n s f e r , e x p l a i n i n g t h e p r o c e s s e s o f c o n d u c t i o n , c o n v e c t i o n a n d r a d i a t i o n . T h e a c t i v i t i e s w e r e f o r t h e m o s t p a r t q u a l i t a t i v e w i t h a s m a l l a m o u n t o f g r a p h i n g . E a c h a c t i v i t y w a s i n t e n d e d t o a d d r e s s p h e n o m e n a c o n n e c t e d t o o n e o f t h e s e t h r e e p r o c e s s e s . C h a r t 2 p r o v i d e s a n o v e r v i e w o f t h e fi r s t o f t h e s e p r o c e s s e s , c o n d u c t i o n . L - _ _ _ _ _ 0 0 5 1 1 3 _ , _ 2 C h a p t e r 2 - C o n d u c t i o n A c t i v i t y / L a b I d e a s _ fi L o c a t i o n A c t i v i t y 6 - C o n d u c t i o n b y f r i c t i o n T r a n s f e r o f E . , t o h e a t e n e r g y _ 4 a s w o r k c o n v e r t s t o h e a t A P P G H d i X C A c t i v i t y 7 - U s e o f a m o d e l t o i l l u s t r a t e P r o c e s s o f c o n d u c t i o n ( a n a l g y ) _ _ _ ‘ m p p p d u p t i o n A p p e n d i x C A c t i v i t i e s s h o w w a t e r A c t i v i t y 8 - c o n d u c t s h e a t s l o w l y W a t e r i s a p o o r c o n d u c t o r o f h e a t _ _ + ( _ l : l i fl g h _ s p e p i f g h e a t ) p A p p e n d i x C p D e t e r m i n e t h e r a t e o f A c t i v i t y 9 - c o n d u c t i o n a n d r e l a t e t o A t o m s o f s u b s t a n c e _ _ _ _ _ _ _ f * _ _ _ _ k i n e t i c m o l e c u l a g t h e o r y A p p e n d i x L M e t a l g a u z e o r s c r e e n A c t i v i t y 1 0 - c o n d u c t s h e a t a w a y f r o m C o n d u c t i o n o f h e a t b y m e t a l s t h e fl a m e A p p e n d i x C M e t a l c o n d u c t s e n o u g h h e a t a w a y f r o m fl a m e l o w e r i n g t e m p e r a t u r e A c t i v i t y 1 1 - b e l o w t h e k i n d l i n g C o p p e r c o i l s n u f f e r _ _ f o p t e m p e r a t u r e o f w a x A p p e n d i x C D e t e r m i n e t h e r a t e o f h e a t A c t i v i t y 1 2 - l o s s f r o m c a n s i n s u l a t e d R e d u c e h e a t l o s s w i t h i n s u l a t i o n w i t h d i f f e r e p t r n a t e r i a l s A p p e n d i x C Q u a n t i t a t i v e w o r k t o c o n n e c t a c t i v i t i e s t o C o n d u c t i o n p r o b l e m s p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s A p p e n d i x B 1 7 T o e x a m i n e c o n d u c t i o n b y f r i c t i o n s t u d e n t s u s e d a h a m m e r t o p o u n d a l e n g t h o f c o a t h a n g e r w i r e , s h o w i n g t h a t w o r k c o u l d i n c r e a s e k i n e t i c e n e r g y , a s r e fl e c t e d b y a r i s e i n t e m p e r a t u r e . N e x t , a g l a s s t u b e p a c k e d f u l l o f s m a l l B B s c o n n e c t e d t o a v i b r a t i o n a l d e v i c e w a s u s e d t o d e m o n s t r a t e h e a t t r a n s f e r . S t u d e n t s c o u l d s e e h o w t h e v i b r a t i o n a l d e v i c e ( s i m u l a t i n g a s o u r c e o f h e a t ) s e t u p v i b r a t i o n s i n t h e B B s i n c r e a s i n g t h e i r E k . B e c a u s e s t u d e n t s w o u l d u s e w a t e r i n f u t u r e e x p e r i m e n t s t h e y n e e d e d t o b e a w a r e t h a t w a t e r w a s n o t a g o o d c o n d u c t o r o f h e a t d u e t o i t s h i g h s p e c i fi c h e a t . S t u d e n t s d i d a v a r i e t y o f e x p e r i m e n t s w i t h w a t e r a n d i c e i n a t e s t t u b e t o e x a m i n e h o w w a t e r c o n d u c t s h e a t . A d d i t i o n a l l y , t h e y w e r e s u r p r i s e d t o fi n d t h e y c o u l d b o i l w a t e r i n a p a p e r c u p a n d n o t b u r n t h e c u p . S t u d e n t s t h e n d i d a v a r i e t y o f t r i a l s t o d e t e r m i n e h o w f a s t h e a t w a s c o n d u c t e d t h r o u g h a w i r e o r b a r . S t u d e n t s w e r e p r o v i d e d w i t h d i f f e r e n t w i r e s e a c h w i t h a t h i n c o a t i n g o f w a x . T h e y t h e n h e a t e d t h e w i r e a n d t i m e d t h e m e l t i n g o f t h e w a x ( s t u d e n t s p l a c e d m a r k s i n t h e w a x t o h e l p w i t h t h e t i m i n g ) . A n o t h e r t e c h n i q u e i n v o l v e d p l a c i n g w a x d o t s o n a m e t a l b a r a n d t h e n p l a c i n g t a c k s i n t h e w a x a t r e g u l a r i n t e r v a l s . S t u d e n t s t h e n h e a t e d t h e b a r a n d m e a s u r e d t h e t i m e e a c h t a c k f e l l . T h e y a l s o s i m p l y h e a t e d o n e e n d o f a w i r e a n d h e l d o n t o t h e o t h e r t o s e e h o w l o n g i t t o o k f o r t h e h e a t t o t r a n s v e r s e f r o m o n e e n d t o t h e o t h e r . T h e l a s t t w o a c t i v i t i e s e x a m i n e d h o w c o n d u c t i o n c o u l d b e u s e d t o t r a n s f e r h e a t a w a y f r o m a fl a m e a n d l o w e r t h e fl a m e t e m p e r a t u r e . T h e y c o u l d s e e h o w a fi n e m e s h s c r e e n a b s o r b e d h e a t f r o m t h e fl a m e . N o g a s w o u l d b u r n a b o v e t h e s c r e e n b e c a u s e i t s t e m p e r a t u r e w a s e f f e c t i v e l y l o w e r e d b e l o w i t s k i n d l i n g t e m p e r a t u r e 1 8 ( p r i n c i p l e o f t h e D a v y M i n e r ’ s l a m p ) . T h e y a l s o u s e d a c o p p e r c o i l s n u f f e r t o e x t i n g u i s h a c a n d l e fl a m e . T h i s d e v i c e c o n d u c t s h e a t a w a y f r o m t h e fl a m e f a s t e n o u g h t h a t t h e t e m p e r a t u r e d r o p s b e l o w t h e i g n i t i o n t e m p e r a t u r e o f w a x a n d t h e fl a m e g o e s o u t . T h e s t u d e n t s ” p r i o r k n o w l e d g e f o c u s e d o n t h e n e e d f o r o x y g e n t o s u s t a i n t h e fl a m e . T h e y c o u l d s e e t h e fl a m e s t i l l h a d a c c e s s t o o x y g e n b u t c o u l d n o t s e e h o w c o n d u c t i n g h e a t a w a y l o w e r e d t h e o v e r a l l t e m p e r a t u r e . S t u d e n t s e n j o y e d t h e c o n d u c t i o n a c t i v i t i e s a n d d i d a g o o d j o b w r i t i n g l a b r e p o r t s . T h e y w e r e a m a z e d a t w h a t c o u l d b e ' I e a m e d f r o m s i m p l e a c t i v i t i e s . U s i n g w a x t o d e t e r m i n e c o n d u c t i o n r a t e p r o v i d e d v i s u a l e v i d e n c e a l o n g w i t h t h e B B s u s e d a s a n a n a l o g f o r c o n d u c t i o n . B o i l i n g w a t e r i n a p a p e r c u p c a u s e d c o n c e p t u a l p r o b l e m s . H o w e v e r , m o s t s t u d e n t s e v e n t u a l l y r e a l i z e d t h a t t h e w a t e r a b s o r b e d e n e r g y k e e p i n g t h e o v e r a l l t e m p e r a t u r e b e l o w t h e k i n d l i n g t e m p e r a t u r e o f t h e c u p . T h e c o p p e r c o i l s n u f f e r a l s o c o n d u c t e d h e a t a w a y f r o m t h e fl a m e l o w e r i n g t h e t e m p e r a t u r e b e l o w t h e k i n d l i n g t e m p e r a t u r e o f w a x . H o w e v e r , t h e s t u d e n t s w a n t e d t o h o l d o n t o t h e i d e a t h a t l a c k o f o x y g e n p r e v e n t e d b u r n i n g . C h a r t 2 p r e s e n t s a l l o f t h e a c t i v i t i e s r e l a t i n g t o c o n v e c t i o n i l l u s t r a t i n g h o w h e a t c a n c h a n g e t h e d e n s i t y o f a fl u i d , c a u s i n g i t t o r i s e . 1 9 C h a r t 3 C h a p t e r 2 - C o n v e c t i o n A c t i v i t y / L a b _ _ _ I d e a s “ r _ _ c h a t i o n U s e b l a c k p e p p e r o r A c t i v i t y 1 3 - c h a r c o a l t o t r a c e p r e s e n c e C o n v e c t i o n c u r r e n t s , _ _ _ fl c h o n v e c t i o n m c u r r e n t s A p p e n d i x C U s e f o o d c o l o r i n g t o s e e A c t i v i t y 1 4 - h o w t e m p e r a t u r e a f f e c t s C o n v e c t i o n i n h o t a n d c o l d w a i e r c o n v e c t i o n A p p e n d i x C F i n d m a s s o f e q u a l v o l u m e s o f h o t a n d c o l d w a t e r t o A c t i v i t y 1 5 - p r o v e h o t w a t e r i s l e s s D e n s i t y a n d c o n v e c t i o n c u r r e n t s d e n s e A p p e n d i x C C o l d w a t e r r e p l a c e s t h e h o t A c t i v i t y 1 6 - c o l o r e d w a t e r f o r c i n g t h e C o n v e c t i o n c u r r e n t s f r o m i n k b o t t l e l e s s d e n s e w a t e r t o r i s e . A p p e n d i x C S t u d e n t s c a n s e e l e s s d e n s e w a t e r r i s e a n d A c t i v i t y 1 7 - r e v e r s e s i t u a t i o n t o p r o d u c e C o n v e c t i o n c u r r e n t s i n t e s t t u b e _ n o c o n v e c t i o n A m e n d i x C H o t l e s s d e n s e a i r r i s e s A c t i v i t y 1 8 - f r o m b y a v a r i e t y o f C o n v e c t i o n c u r r e n t s i n a i r a c t i v i t i e s A p p e n d i x D T h e fi r s t a c t i v i t y a l l o w e d s t u d e n t s t o s e t u p c o n v e c t i o n c u r r e n t s i n w a t e r a n d o i l t h a t w e r e t r a w d w i t h p e p p e r o r c h a r c o a l p o w d e r . N e x t , s t u d e n t s p u t f o o d c o l o r i n g i n h o t a n d c o l d w a t e r a n d w a t c h e d t h e r a t e o f c o n v e c t i o n i n b o t h b e a k e r s . T h e t h i r d a c t i v i t y a s k e d s t u d e n t s t o m e a s u r e t h e m a s s o f e q u a l v o l u m e s o f h o t a n d c o l d w a t e r . T h e y w e r e s u r p r i s e d w h e n t h e h o t w a t e r h a d l e s s m a s s t h a n t h e c o l d w a t e r . T h e y t h e n c a l c u l a t e d t h e d e n s i t y o f b o t h s h o w i n g t h a t t h e h o t w a t e r w a s s l i g h t l y l e s s d e n s e t h a n t h e c o l d w a t e r . T h e d i f f e r e n c e i n d e n s i t y 2 0 a l l o w s h o t w a t e r t o r i s e s t a r t i n g a c o n v e c t i o n c u r r e n t . I n t h e n e x t i n v e s t i g a t i o n a p o t a s s i u m p e r m a n g a n a t e c r y s t a l w a s p l a c e d i n a t e s t t u b e , w h i c h t h e n w a s g e n t l y h e a t e d o n t h e b o t t o m t o p r o d u c e c o n v e c t i o n c u r r e n t s . A s e c o n d t u b e w a s p r e p a r e d a n d w a s h e a t e d a t t h e t o p , w h i c h p r o d u c e d n o c o n v e c t i o n . ( T h e l e s s d e n s e w a t e r w a s p r o d u c e d o n t o p t h e r e f o r e n o c u r r e n t w a s p r o d u c e d . ) S t u d e n t s t h e n i n v e s t i g a t e d c o n v e c t i o n i n g a s e s u s i n g a p i n w h e e l , h e a t s n a k e a n d w a t c h e d a d e m o n s t r a t i o n w i t h c a n d l e s a n d s m o k e . S t u d e n t l a b r e p o r t s o n c o n v e c t i o n c a p t u r e d t h e c o n c e p t a d d r e s s e d i n t h e a c t i v i t y . B y u s i n g a v a r i e t y o f t r a c e r s ( p e p p e r , c h a r c o a l , f o o d c o l o r i n g a n d K m n O 4 ) s t u d e n t s c o u l d s e e t h e c o n v e c t i o n p r o c e s s d e v e l o p a s l e s s d e n s e h o t w a t e r w o u l d r i s e a n d d i s p l a c e t h e m o r e d e n s e c o l d w a t e r o r o i l . T h e m a j o r i t y w e r e i n i t i a l l y s u r p r i s e d w h e n t h e y f o u n d h o t w a t e r h a d l e s s m a s s v e r s u s c o l d w a t e r f o r e q u a l v o l u m e s . T h i s a c t i v i t y i l l u s t r a t e d w h y l e s s d e n s e h o t w a t e r r i s e s i n m o r e d e n s e c o l d w a t e r . C h a r t 3 s e q u e n c e s t h e a c t i v i t i e s t h a t w e r e u s e d t o i n v o l v e s t u d e n t s i n t h e i r s t u d y o f r a d i a t i o n . 2 1 _ _ _ “ C h a r t 4 d _ ’ _ _ * _ F + _ _ _ _ _ _ _ _ C p a fi r fl z - R a d i a t i g n _ p _ w _ _ _ _ _ A c t i v i t y / L a _ b _ _ _ _ _ p ” i d e a s . - p L o c a t r o n p U s e o f r a d i o m e t e r t o s h o w A c t i v i t y 1 9 - c o n v e r s i o n o f r a d i a t i o n M f e r o f e n e r g y b y r a d i a t i o n _ _ _ - - _ _ . “ _ t g k i p e t i c p e n e g g y _ _ _ _ _ _ A p g n d i x C F e e l r a d i a t i o n d i r e c t l y a n d A c t i v i t y 2 0 - t h e n t h r o u g h t h i c k n e s s e s fl e e i n g r a d i a t i o n _ _ _ W _ y p f g l a p s s A p p e n d i x C R a d i a t i o n t r a n s f e r s e n e r g y q u i c k l y - c o n d u c t i o n a n d c o n v e c t i o n c a n n o t b e A c t i v i t y 2 1 - i n v o l v e d w i t h t h i s q u i c k H g a t t g a n s f e r b y r a d i a t i o n i i i i i t r a n s f e r A p p e n d i x C A c t i v i t y 2 2 - D e t e r m i n e h o w w h i t e a n d D i f f e r e n t k i n d s o f s u r f a c e s a f f e c t b l a c k c a n a b s o r b a n d r a d i a t e r a d i a t i o n _ e n e r g y A p p e n d i x C S h o w h o w t h e e n e r g y c a n A c t i v i t y 2 3 - b e c o n c e n t r a t e d u s i n g a F o c u s r a d i a n t e n e r g y / _ _ r _ fl # 7 , V l a g n i f y i n g fl g l g s s A p p e n d i x C S t u d e n t s c a n r e d i r e c t A c t i v i t y 2 4 - r a d i a n t e n e r g y w i t h n o l o s s R e fl e c t r a d i a n t h e a t w a v e s p _ p v p f i n t e g s i t y A p p e n d i x C A c t i v i t y 2 5 - " fl P a s s i v e a n d a c t i v e h e a t e d . v y s g r e w a r o h _ L . fi . _ _ z § 9 ! a _ r h 2 m e s A p p e n d i x c A c t i v i t y 2 6 - P r a c t i c a l c o s t o f i n s u l a t i o n C h e c k R - v a l u e s o n w e b _ I _ _ _ w * _ fi t p # p £ e v _ e p n t _ h _ e a t j _ o s s A p p e m p d i x g fl D e s i g n a d e v i c e t h a t w i l l a b s o r b a n d t r a p s o l a r A c t i v i t y 2 7 - e n e r g y a n d h e a t u p t h e S o l a r e n e r g y t r a p _ _ _ - _ _ . _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ z i ' _ ‘ § l § _ ¢ _ _ g f _ d e y i o e . . A p p e n d i x C A p p l i c a t i o n o f S t e f a n - B o l t z m a n n e q u a t i o n t o R a d i a t i o n p r o b l e m s a n a l y z e r a d i a t i o n p r o b l e m s A p p e n d i x B T o s t u d y h e a t t r a n s f e r b y r a d i a t i o n s t u d e n t s o b s e r v e d a r a d i o m e t e r ( l i g h t m i l l ) . S o m e s t u d e n t s r e m e m b e r e d l i g h t w a s a n e l e c t r o m a g n e t i c w a v e t h a t h a d p a r t i c l e p r o p e r t i e s . T h e a c t i v i t y s h o w e d t h a t l i g h t t r a v e l i n g a t 3 x 1 0 ° m l s e c w a s a b l e t o c a n y e n e r g y a n d c a n d o w o r k b y m a k i n g t h e r a d i o m e t e r s p i n . I n t h e n e x t t w o a c t i v i t i e s s t u d e n t s i n t e r a c t e d w i t h r a d i a t i o n f r o m t h e s u n , a n e l e c t r i c h e a t e r 2 2 a n d a l i g h t b u l b . T h e y e x p e r i e n c e d t h e r a d i a t i o n d i r e c t l y a n d t h e n p l a c e d l a y e r s o f g l a s s b e t w e e n t h e m a n d t h e s o u r c e . S t u d e n t s c o u l d f e e l h o w g l a s s d i m i n i s h e d t h e r a d i a t i o n e f f e c t o f t h e s o u r c e . U s i n g t h e l i g h t b u l b t h e y c o u l d e x p e r i e n c e h o w i m m e d i a t e t h e h e a t e f f e c t w a s w h i c h e l i m i n a t e d b y t h e p r o c e s s e s o f c o n d u c t i o n a n d c o n v e c t i o n a s t h e m e c h a n i s m o f h e a t t r a n s f e r . T h e p r o c e s s o f c o n d u c t i o n i s a p o i n t - b y - p o i n t t r a n s f e r o f e n e r g y a n d t a k e s t i m e t o o c c u r . C o n v e c t i o n m o v e d h e a t u p a n d a w a y f r o m t h e s o u r c e . T h i s w a s a l s o r e i n f o r c e d w h e n a g l a s s p l a t e w a s p l a c e d b e t w e e n t h e b u l b a n d h a n d t o b l o c k a i r m o v e m e n t , w h i c h w o u l d p r e v e n t c o n d u c t i o n a n d c o n v e c t i o n . T h e f o u r t h a n d fi f t h a c t i v i t i e s a l l o w e d s t u d e n t s t o u s e a m a g n i f y i n g g l a s s t o f o c u s r a d i a n t e n e r g y a n d c o n c e n t r a t e i t s i n t e n s i t y . T h e s u n ’ s r a y s w e r e f o c u s e d o n w h i t e p a p e r , b l a c k p a p e r a n d t h e s t u d e n t ’ s a r m . T h e y w e r e a b l e t o c a u s e t h e b l a c k p a p e r t o s m o l d e r a n d f e l t s o m e d i s c o m f o r t w h e n t h e l i g h t w a s f o c u s e d o n t h e i r a r m . T h e y r e p e a t e d t h e i n v e s t i g a t i o n b y u s i n g a m i r r o r t o r e d i r e c t t h e s u n ’ s e n e r g y t o a p o i n t a b o v e t h e m i r r o r . W h e n b l a c k p a p e r w a s p l a c e d a t t h a t p o i n t t h e y o b t a i n e d t h e s a m e r e s u l t s . T h i s s h o w e d t h a t t h e r a d i a n t e n e r g y c o u l d b e r e d i r e c t e d w i t h n o l o s s o f e n e r g y . A f t e r t h e a c t i v i t i e s w e r e c o m p l e t e d t h e s t u d e n t s w o r k e d o n p r o b l e m s w h e r e t h e y c a l c u l a t e d q u a n t i t i e s a s s o c i a t e d w i t h c o n d u c t i o n a n d r a d i a t i o n . U s i n g m e a s u r e m e n t s o f a r e a , t e m p e r a t u r e a n d l e n g t h , w h i c h c o u l d b e r e l a t e d t o t h e l a b a c t i v i t i e s , s t u d e n t s w o r k e d i n g r o u p s t o d e t e r m i n e t h e q u a n t i t a t i v e a s p e c t s o f t h e s e t w o p r o c e s s e s . T h i r t y t o f o r t y p r o b l e m s w e r e d i s c u s s e d t o g a i n i n s i g h t i n t o h o w m u c h e n e r g y i s t r a n s f e r r e d d u r i n g t h e p r o c e s s e s o f c o n d u c t i o n a n d r a d i a t i o n 2 3 a n d t h e r a t e a t w h i c h t h e t r a n s f e r o c c u r s ( A p p e n d i x B ) . F o r c o n d u c t i o n t h e e x p r e s s i o n Q / t = k A A T / L k i s t h e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y , A t h e c r o s s - s e c t i o n a l a r e a i n m 2 . A T t h e d i f f e r e n c e i n t e m p e r a t u r e a n d L t h e l e n g t h i n m e t e r s w a s u s e d t o p r o c e s s p r o b l e m d a t a . A r e v i e w s h e e t w a s p r o v i d e d ( A p p e n d i x B ) . S t u d e n t s w o r k e d o n t h e p r o b l e m s t h a t t h e y c o u l d s o l v e i n g r o u p s a n d t h e r e s t w e r e d o n e t o g e t h e r i n c l a s s w i t h t e a c h e r a s s i s t a n c e . S t u d e n t s u s e d t h e S t e f a n - B o l t z m a n n L a w t o e v a l u a t e p r o b l e m s a s s o c i a t e d w i t h e n e r g y t r a n s f e r b y r a d i a t i o n . T h e e x p r e s s i o n Q l t = o A e ( T o ‘ — T s ‘ ) w a s u s e d t o p r o c e s s p r o b l e m s . ( a i s a c o n s t a n t 5 . 6 7 x 1 0 " w l m z - k ‘ , A i s t h e a r e a i n m 2 , e i s c a l l e d t h e e m i s s i v i t y a n d i s a l w a y s b e t w e e n 0 a n d 1 a n d c h a r a c t e r i s t i c o f t h e m a t e r i a l T o a n d T 3 a r e t h e t e m p e r a t u r e s o f t h e o b j e c t a n d s u r r o u n d i n g s i n K e l v i n ) . S t u d e n t s a l s o d i d a n i c e j o b o n t h e i r r a d i a t i o n a c t i v i t i e s . R e p o r t s c o m m u n i c a t e a g o o d u n d e r s t a n d i n g o f t h e p r o c e s s a n d t h e s p e e d a t w h i c h t h e y o c c u r r e d . A c t i v i t i e s u s i n g t h e m a g n i f y i n g g l a s s a n d m i r r o r s w e r e t w o o f t h e s t u d e n t s ’ f a v o r i t e a c t i v i t i e s p r o d u c i n g r e s u l t s t h a t w e r e c o m m u n i c a t e d i n t h e l a b r e p o r t s . T h e i r l a b r e p o r t s r e fl e c t e d r e s e a r c h o n r e f r a c t i o n , f o c a l p o i n t a l o n g w i t h g o o d d i a g r a m s o f e a c h p r o c e s s . W h e n t h e m i r r o r w a s p l a c e d i n t h e s y s t e m s t u d e n t s w e r e a b l e t o d i a g r a m h o w t h e f o c a l p o i n t w a s c h a n g e d , l o c a t e i t s n e w p o s i t i o n . T h e a c t i v i t i e s h e l p e d d e v e l o p a s o l i d f o u n d a t i o n f o r p r o b l e m s ( A p p e n d i x B ) u s i n g t h e S t e f a n - B o l t s m a n n e q u a t i o n . S t u d e n t s w o r k e d w e l l i n g r o u p s t o s o l v e t h e s e e x e r c i s e s a n d w e r e a l s o a b l e t o s o l v e s i m i l a r p r o b l e m s o n a q u i z . 2 4 C H A P T E R 3 ( T h e C a l o r i e a n d S i m p l e C a l o r i m e t r y ) I n C h a p t e r 3 s t u d e n t s a d d r e s s e d t w o g o a l s , 1 ) t o d e fi n e a u n i t f o r h e a t ( t h e c a l o r i e ) a n d d e v e l o p a f o r m u l a t o d e t e r m i n e i t s v a l u e ; 2 ) t o e v a l u a t e s i t u a t i o n s w h e r e h e a t i s e x c h a n g e d t o e n a b l e s t u d e n t s t o s e e h e a t l o s t e q u a l s h e a t g a i n e d . C h a r t 5 p r o v i d e d a s u m m a r y o f t h e l a b s d o n e t h a t i n v e s t i g a t e t h e s e p h e n o m e n a . p _ _ _ C h a r t 5 _ p _ _ C h a p t e r 3 - C a l o r i e a n d S i m p l e C a l o r i m e t i y _ _ _ " _ _ p _ _ _ fi _ _ _ _ A c t i v i t y / L a b _ “ l d e a s P L o c a t i o n L a b 4 - I n t r o d u c t i o n o f e q u a t i o n I n t r o d u c t i o n t o h e a t m e a s u r e m e n t u s e d t p _ c a i c g l a t g h e a t A p p e n d i x D L a b 5 - U s i n g t h e e q u a t i o n t o l b 9 _ ¢ § _ | ° _ n e . $ § . _ w 2 r m 9 _ 1 € fi n l j l q n ) _ _ _ g l g u a t e h e a m a m e d A p p e n d i x 0 S t u d e n t s m i x e q u a l v o l u m e s L a b 6 - o f w a r m a n d c o o l w a t e r H o w t o c h e c k u p o n h e a t t o d e t e r m i n e h e a t m e a s u r e m e n t _ . _ _ _ - % _ - _ _ _ . _ _ _ _ § 3 ‘ E D § D , 9 9 9 A p p e n d i x D M i x e q u a l v o l u m e s o f v e r y L a b 7 - h o t a n d v e r y c o l d w a t e r t o M i x i n g h o t w a t e r a n d c o l d w a t e r d e t e r m i n e h e a t e x c h a n g e d A p p e n d i x D L a b 8 - M i x u n e q u a l v o l u m e s o f M i x i n g h o t w a t e r a n d c o l d w a t e r l l . , . _ _ _ L D _ 2 1 _ a p d 9 2 ! . d . _ ! ' ! _ 3 ! § [ _ _ _ _ _ _ _ » _ ¢ A p @ d i x D M i x u n e q u a l v o l u m e s o f L a b 9 - w a t e r a t t h e s a m e M i x i n g h o t w a t e r a n d c o l d w a t e r t e m p e r a t u r e A p p _ e n d i x D D e t e r m i n e e n e r g y n e e d e d t o c h a n g e t h e t e m p e r a t u r e L a b 1 0 - o f t h e c a l o r i m e t e r c u p C a l o r i m e t e r c o n s t a n t 1 d e g r e e C A p p e n d i x D S t u d e n t s fi r s t u s e d v a r y i n g a m o u n t s o f w a t e r i n L a b i n v e s t i g a t i o n 5 t o d e t e r m i n e h e a t g a i n e d . N e x t t h e y m i x e d v a r y i n g a m o u n t s o f h o t a n d c o l d w a t e r t o g e t h e r i n S t y r o f o a m c u p s t o s h o w t h a t t h e h e a t l o s t b y t h e w a r m e d w a t e r w a s 2 5 e q u a l t o t h e h e a t g a i n e d b y t h e c o o l e r w a t e r ( L a b s 6 t h r o u g h 9 ) . T h e y a l s o m i x e d v a r y i n g a m o u n t s o f w a t e r a t t h e s a m e t e m p e r a t u r e t o s h o w t h a t h e a t a n d t e m p e r a t u r e a r e n o t t h e s a m e t h i n g ( L a b s 4 a n d 9 ) . I n L a b 5 h o t p l a t e s w e r e p l a c e d o n l o w s e t t i n g s a n d a d j u s t e d f o r 3 0 m i n u t e s s o t h e i r h e a t p r o d u c t i o n w a s c o n s t a n t . U s i n g t h e s a m e b e a k e r , 5 t r i a l s w e r e c o m p l e t e d u s i n g p r o g r e s s i v e l y m o r e w a t e r i n t h a t b e a k e r i n e a c h t r i a l . T h e b e a k e r w a s t h e n h e a t e d i n t h e s a m e s p o t o n t h e h o t p l a t e f o r 2 m i n u t e s . E a c h a m o u n t o f w a t e r s h o u l d a b s o r b c l o s e t o t h e s a m e a m o u n t o f h e a t e n e r g y . T h r e e t o f o u r o f t h e fi v e t r i a l s p r o d u c e d f a i r l y g o o d r e s u l t s . W h e n t h e h o t a n d c o l d w a t e r s a m p l e s w e r e m i x e d t o g e t h e r s t u d e n t s w e r e r e q u i r e d t o p r e d i c t t h e fi n a l t e m p e r a t u r e b e f o r e t h e w a t e r w a s m i x e d ( L a b 6 - 8 ) . S t u d e n t p r e d i c t i o n s a g r e e d w i t h t h e m e a s u r e d e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e w i t h i n a t l e a s t 1 . 0 ° C . S t u d e n t s a l s o n o t i c e d t h a t t h e h e a t l o s t w a s n o t e x a c t l y e q u a l t o t h e h e a t g a i n e d a n d fi n a l l y r e a l i z e d t h a t t h e c u p , a l t h o u g h a g o o d i n s u l a t o r , a l s o g a i n e d a n d l o s t s m a l l a m o u n t s o f h e a t . L a b 1 0 s h o w e d h o w m u c h h e a t t h e c a l o r i m e t e r g a i n e d o r l o s t f o r e v e r y “ C . T h i s v a l u e w a s c a l l e d t h e c a l o r i m e t e r c o n s t a n t a n d a n a v e r a g e c l a s s v a l u e w a s u s e d i n t h e c a l c u l a t i o n s f o r ' t h e r e s t o f t h e c a l o r i m e t r y e x p e r i m e n t s . T h e s t u d e n t s c o n t i n u e d t o d o w e l l i n t h e l a b o r a t o r y . T e a c h e r l o g r e fl e c t s t h a t t h e s t u d e n t s n e e d e d l e s s d i r e c t i o n a n d w e r e t a k i n g m o r e r e s p o n s i b i l i t y f o r t h e i r o w n I e a m i n g , a s o b s e r v e d b y t h e i n s t r u c t o r . T h e i r i n i t i a l w o r k o n L a b 4 a n d 5 w a s a p r a c t i c a l i n t r o d u c t i o n t o t h e c a l c u l a t i o n o f t h e h e a t i n v o l v e d i n h e a t t r a n s f e r . H o m e w o r k b a s e d o n t h e s e l a b s w a s a l s o m u c h e a s i e r d u e t o t h e l a b e x p e r i e n c e . U s i n g m a t h s k i l l s a s s o c i a t e d w i t h t h e l a b e x p e r i m e n t s r e c e n t l y 2 6 g a i n e d t h e y e a s i l y c a l c u l a t e d t h e h e a t l o s t a n d g a i n e d i n L a b s 6 , 7 , 8 a n d 9 a n d w e r e a b l e t o w o r k a t t h e i r o w n p a c e . 2 7 C h a p t e r 4 ( M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t ) T o e s t a b l i s h q u a l i t a t i v e a n d q u a n t i t a t i v e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n w o r k a n d h e a t ( J o u l e s a n d c a l o r i e s ) , s t u d e n t s w e r e s h o w n t w o d e m o n s t r a t i o n s ( C h a r t 6 ) . C h a r t 6 C h a p t e r 4 - M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t A c t i v ' g y l L a b I d e a s L o c a t i o n L a b 1 1 - M e c h a n i c a l e q u i v a l e n t o f C o n v e r s i o n o f f r i c t i o n a l h e a t ( S a r g e n t W e l s h D e v i c e ) w o r k t o h e a t A p p e n d i x C C o n v e r s i o n o f g r a v i t a t i o n a l L a b 1 2 - M e c h a n i c a l e q u i v a l e n t o f p o t e n t i a l e n e r g y t o h e a t ( c a r d b o a r d t u b e ) f r i c t i o n a l h e a t A p p e n d i x C T h e s e t w o d e m o n s t r a t i o n s s h o w e d h o w w o r k ( f o r c e x d i s t a n c e ) w a s c o n v e r t e d t o f r i c t i o n a l h e a t , c a u s i n g a c h a n g e i n c a l o r i m e t e r t e m p e r a t u r e i n t h e fi r s t c a s e a n d a c h a n g e i n t h e t e m p e r a t u r e o f l e a d B B s i n t h e s e c o n d c a s e . D a t a c o l l e c t e d p e r f o r m i n g t h e s e d e m o n s t r a t i o n s v e r i fi e d t h e m e c h a n i c a l e q u i v a l e n t o f h e a t w a s e q u a l t o 1 c a l o r i e = 4 . 1 8 J o u l e s . T h e t w o i n v e s t i g a t i o n s n e e d e d t o b e c o m p l e t e d a s d e m o n s t r a t i o n s d u e t o c o s t f a c t o r s . W h e n u s i n g e a c h a p p a r a t u s o n e c a n f e e l t h e e x e r t i o n o f a f o r c e o v e r a d i s t a n c e . I n L a b 1 1 t h e 5 k g m a s s ( 4 9 N ) w a s l i f t e d o f f t h e fl o o r u s i n g a n y l o n c o r d a n d h a n d c r a n k . T h e n y l o n c o r d w a s w r a p p e d a r o u n d a c o p p e r c a l o r i m e t e r fi l l e d w i t h w a t e r . A s f o r c e w a s a p p l i e d t o l i f t t h e w e i g h t t h e n y l o n c o r d b e g a n t o s l i p g e n e r a t i n g f r i c t i o n a l h e a t r a i s i n g t h e t e m p e r a t u r e o f b o t h t h e c a l o r i m e t e r a n d t h e w a t e r i n s i d e . B y m e a s u r i n g t h e c i r c u m f e r e n c e o f t h e 2 8 c a l o r i m e t e r a n d c o u n t i n g t h e n u m b e r o f r o t a t i o n s s t u d e n t s c o u l d c a l c u l a t e t h e h e i g h t t h e w e i g h t w o u l d h a v e b e e n r a i s e d a n d t h e r e f o r e t h e w o r k d o n e i n t h e p r o c e s s . T h e f o r c e a p p l i e d w a s j u s t e q u a l t o t h e w e i g h t l i f t e d . S t u d e n t s n e e d e d t o s e e h o w t h e w o r k d o n e ( f o r c e x d i s t a n c e ) w a s e q u i v a l e n t t o t h e f r i c t i o n a l h e a t p r o d u c e d . I n L a b 1 2 s t u d e n t s m e a s u r e d o u t 1 k g o f l e a d s h o t ( l e a d B B s ) . T h e s e w e r e p l a c e d i n a 1 . 2 0 m l o n g c a r d b o a r d t u b e . T h e t u b e w a s t h e n i n v e r t e d 1 0 0 t i m e s t o s i m u l a t e l i f t i n g t h e l e a d s a m p l e t o a h e i g h t o f 1 2 0 m e t e r s . W h e n t h e s h o t h i t t h e b o t t o m t h e w o r k d o n e t o l i f t t h e s h o t w a s c o n v e r t e d t o f r i c t i o n a l h e a t . S t u d e n t s m e a s u r e d t h e t e m p e r a t u r e o f t h e l e a d b e f o r e a n d a l t e r t h e f a l l a n d u s e d t h e k n o w n m a s s a n d s p e c i fi c h e a t t o c a l c u l a t e t h e h e a t g a i n e d . T h e h e a t g a i n e d w a s e q u i v a l e n t t o t h e w o r k d o n e t o i n c r e m e n t a l l y r a i s e t h e s h o t 1 2 0 m e t e r s ( i n t e r m s o f J o u l e s ) . T h e s e v a l u e s a g a i n a l l o w e d t h e c a l c u l a t i o n o f t h e m e c h a n i c a l e q u i v a l e n t o f h e a t ( 1 c a l o r i e = 4 . 1 8 6 J o u l e s ) . T h e s e t w o d e m o n s t r a t i o n s i n v o l v e d s t u d e n t v o l u n t e e r s t o a s s i s t i n t h e d e m o n s t r a t i o n . D a t a g e n e r a t e d i n L a b 1 1 w a s c o l l e c t e d a n d p r o c e s s e d b y t h e g r o u p . S t u d e n t s w e r e a b l e t o d e t e r m i n e t h e v a l u e o f t h e e q u a l i t y ( 1 c a l o r i e = 4 . 1 8 J ) w i t h n o a s s i s t a n c e . L a b 1 2 i n v o l v e d m o r e p h y s i c a l p a r t i c i p a t i o n ( i n v e r t i n g t h e r o d 1 0 0 t i m e s ) . T w o s t u d e n t s d i d t h e p h y s i c a l w o r k t o l i f t t h e l e a d 1 2 0 m e t e r s . D a t a w a s n o t a s c o n c l u s i v e a s L a b 1 1 g i v i n g 1 c a l o r i e = 6 . 4 3 J o u l e s . S t u d e n t s w e r e i n v i t e d t o u s e t h e c o r r e c t v a l u e a n d w o r k b a c k w a r d s t o a n a l y z e p o s s i b l e s o u r c e s o f e r r o r . T h i s a p p r o a c h t o o k t i m e a n d p a t i e n c e o n t h e p a r t o f g r o u p m e m b e r s a s t h e y a r g u e d p o s s i b l e p r o b l e m s a n d s o l u t i o n s . T h e y fi n a l l y a g r e e d n o 2 9 m i s t a k e w a s m a d e c a l c u l a t i n g w o r k , m e a s u r i n g t h e m a s s o f t h e l e a d o r l o o k i n g u p l e a d ’ s s p e c i fi c h e a t . T h e o n l y p o s s i b l e s o u r c e o f e r r o r w a s A T , w h i c h s h o u l d h a v e b e e n l a r g e r t h a n w a s m e a s u r e d . 3 0 C h a p t e r 5 ( S p e c i fi c H e a t a n d T e m p e r a t u r e C a l o r i m e t r y ) I n L a b s 1 3 a n d 1 4 s t u d e n t s u s e d m l o r i m e t r y t o d e t e r m i n e t h e s p e c i fi c h e a t o f a v a r i e t y o f m e t a l s . l n L a b 1 5 c a l o r i m e t r y w a s u s e d t o d e t e r m i n e t h e t e m p e r a t u r e o f a r e d - h o t p i e c e o f s t e e l . C h a r t 7 g i v e s a b r i e f i n t r o d u c t i o n t o e a c h o f t h e s e i n v e s t i g a t i o n s . C h a r t 7 C h a p t e r 5 - S p e c i fi c H e a t a n d T e m p e r a t u r e C a l o r i m e t r y A c t i v i t y / L a b I d e a s L o c a t i o n D e t e r m i n e t h e s p e c i fi c L a b 1 3 - h e a t o f k n o w n a n d u n k n o w n S p e c i fi c h e a t o f a m e t a l w u l a r m e t a l s A p p e n d i x D C a r e f u l l y m e a s u r e s p e c i fi c L a b 1 4 - h e a t o f 5 k n o w n s o l i d S p e c i fi c h e a t o f a m e t a l I I m e t a l s A p p e n d i x D L a b 1 5 - D e t e r m i n e t e m p e r a t u r e T e m p e r a t u r e o f a h o t b o d y o f a r e d h o t p r i c e o f m e t a l A p p e n d i x D T h e a s s u m p t i o n o f L a b 1 3 u s i n g t h e fi r s t l a w o f t h e r m o d y n a m i c s ( c o n s e r v a t i o n o f e n e r g y ) w a s t h a t h e a t l o s t b y g r a n u l a r m e t a l ( A l , C u , P b o r F e ) e q u a l e d t h e h e a t g a i n e d b y t h e w a t e r a n d c a l o r i m e t e r c u p . S t u d e n t s e q u a t e d h e a t l o s t w i t h h e a t g a i n e d a n d s o l v e d t h e e q u a t i o n f o r t h e s p e c i fi c h e a t o f t h e m e t a l . T h e m a j o r i t y o f t h e v a l u e s w e r e w i t h i n 1 0 % o f t h e a c c e p t e d v a l u e . S t u d e n t s w e r e a l s o c h a l l e n g e d t o u s e t h e k n o w n s p e c i fi c h e a t f o r t h e m e t a l a n d s o l v e f o r t h e e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e b e f o r e t h e m i x i n g o c c u r r e d . I f t h e p r e d i c t e d T e q w a s c l o s e t o t h e e x p e r i m e n t v a l u e t h e y c o u l d b e a s s u r e d t h e i r e x p e r i m e n t a l 3 1 s p e c i fi c h e a t w a s a l s o a g o o d v a l u e . A t l e a s t o n e s t u d e n t p e r g r o u p c o u l d d o t h e s e c a l c u l a t i o n s a n d w a s a b l e t o h e l p t h e o t h e r s s o l v e f o r t h e p r e d i c t e d T e q . L a b 1 4 u s e d t h e s a m e b a s i c t e c h n i q u e b u t t h e s a m p l e s w e r e s o l i d , n o t g r a n u l a r . S t u d e n t s h e a t e d t h e s a m p l e s ( C u , P b , A l , T i n a n d s t e e l ) i n a b e a k e r o f b o i l i n g w a t e r w i t h t h e a s s u m p t i o n t h a t t h e m e t a l t e m p e r a t u r e w a s e q u a l t o t h e t e m p e r a t u r e o f t h e b o i l i n g w a t e r . T h e s e h o t s a m p l e s w e r e t h e n q u i c k l y p l a c e d i n p r e p a r e d c a l o r i m e t e r s a n d T o q w a s d e t e r m i n e d . T h e p r o c e d u r e p r o d u c e d r e a s o n a b l y g o o d v a l u e s f o r t h e s p e c i fi c h e a t s ( m o s t w i t h i n 1 0 % ) . L a b 1 5 w a s d o n e t o d e t e r m i n e t h e i n i t i a l t e m p e r a t u r e o f a r e d - h o t p i e c e o f m e t a l ( t e m p e r a t u r e o f a h o t b o d y ) u s i n g a n a l u m i n u m c a l o r i m e t e r c o n t a i n i n g 2 0 0 9 o f 3 - 5 ' C w a t e r w a s p r e p a r e d i n a d v a n c e . S t u d e n t s w e r e t o s o l v e f o r t h e A T o f t h e m e t a l , w h i c h w a s a d d e d t o T . q t o d e t e r m i n e i t s i n i t i a l t e m p e r a t u r e . S t u d e n t s t h e n c o n v e r t e d t h i s t e m p e r a t u r e t o ' F b e c a u s e s t u d e n t s s t i l l r e l a t e t o F a h r e n h e i t v e r s u s C e l s i u s . A f t e r t h e l a b s w e r e c o m p l e t e s t u d e n t s c o m p l e t e d a s s o c i a t e d p r o b l e m s t h a t m i r r o r e d t h e l a b p r o c e s s e s ( A p p e n d i x B ) . T h e y w e r e a b l e t o t r e a t t h e p r o b l e m s l i k e a l a b , w h i c h a l l o w e d t h e m t o p r o c e s s t h e i n f o r m a t i o n i n a t i m e l y m a n n e r . S t u d e n t s w e r e a s k e d t o m a k e a d a t a c h a r t f o r e a c h p r o b l e m a n d t h e n d r a w a t e m p e r a t u r e v e r s u s t i m e g r a p h t h a t c o n c e p t u a l l y r e l a t e d h o w h e a t w a s g a i n e d o r l o s t i n t h a t s i t u a t i o n . T h e q u a n t i t a t i v e s t e p c o u l d b e p l a c e d o n t h e g r a p h t o i l l u s t r a t e e a c h h e a t l o s s a n d h e a t g a i n . Q u i z z e s b a s e d o n t h i s h o m e w o r k a l s o s h o w e d r e a s o n a b l y g o o d c o m m a n d o f t h i s t o p i c . A l l s t u d e n t s s c o r e d a b o v e 5 8 % w i t h 1 1 s t u d e n t s a b o v e 8 1 % . 3 2 C h a p t e r 6 ( P h a s e C h a n g e s , H e a t o f F u s i o n , H e a t o f V a p o r i z a t i o n ) C h a r t 8 i n t r o d u c e s L a b s 1 6 , 1 7 , 1 8 , 1 9 , a n d 2 0 t h a t a d d r e s s w h a t h a p p e n s t o h e a t a n d t e m p e r a t u r e d u r i n g a p h a s e c h a n g e . C h a r t 8 C h a p t e r 6 - P h a s e C h a n g e s , H e a t o f F u s i o n a n d H e a t o f V a p o r i z a t i g i _ p g . . A Q E ' Y ' D ' Q b W “ _ _ - , - z h _ _ | w d € § § _ m _ m w 2 9 9 9 1 0 9 . . E x p e r i m e n t 1 6 - T o a n a l y z e t e m p e r a t u r e P h a s e c h a n g e s ( f r e e z i n g a n d c h a n g e s a s w a t e r f r e e z e s £ 9 3 1 0 9 _ _ _ _ _ _ _ _ _ 3 0 9 . 9 9 1 ? A p p e n d i x 0 E x p e r i m e n t 1 7 - r E — n — e r g y a s s o c i a t e d w i t h H e a t o f f u s i o n p _ _ p p p p p _ r p g l g n g o f : i c e p p A p p e n g Q _ D e t e r m i n e t h e b o i l i n g E x p e r i m e n t 1 8 - p o i n t o f f o u r u n k n o w n . B _ 9 i | j n 9 B o t s w a n a - - . 2 a z . - _ _ , l i g . t l _ i d s _ . . _ . . _ _ A e r n d i x D E x p e r i m e n t 1 9 - E n e r g y a s s o c i a t e d w i t h 1 1 9 9 1 . 9 1 x a e o r i z a fi o n _ _ _ . _ _ m - : v a m r g a fl o n g f 1 a t e r A p p e n d i fi l . E x p e r i m e n t 2 0 - E n e r g y a s s o c i a t e d w i t h M o l a r h e a t o f v a p o r i z a t i o n o f v a p o r i z a t i o n o f l i q u i d ‘ l i g u i d n i t r g g e n n i t r o g e n A p p e n d i x D S t u d e n t s m a d e q u a l i t a t i v e a n d q u a n t i t a t i v e o b s e r v a t i o n s o f t h e f r e e z i n g o f w a t e r a n d t h e m e l t i n g o f i c e . T e m p e r a t u r e v e r s u s t i m e d a t a w e r e c o l l e c t e d a n d g r a p h e d f o r b o t h p r o c e s s e s r e s u l t i n g i n a p l a t e a u o n t h e g r a p h a t 0 ° C s h o w i n g t h e f r e e z i n g p o i n t o f w a t e r . T h e h e a t o f f u s i o n w a s i n v e s t i g a t e d i n L a b 1 7 . S t u d e n t s d e t e r m i n e d t h e e n e r g y n e e d e d t o m e l t 1 . 0 g r a m s o f i c e a t 0 ° C u s i n g a p r e p a r e d c a l o r i m e t e r s t a r t i n g a t 4 0 ° C . S t u d e n t s c o u l d e a s i l y c a l c u l a t e t h e e n e r g y l o s t f r o m t h e h o t w a t e r a n d r e l a t e t h a t t o t h e g r a m s o f i c e t h a t m e l t e d . U s i n g h e a t l o s t = h e a t 3 3 g a i n e d , t h e c a l o r i e s n e e d e d t o m e l t 1 . 0 0 g r a m s o f i c e w a s d e t e r m i n e d . T h i s v a l u e i s c a l l e d t h e h e a t o f f u s i o n a n d e q u a l s 7 9 . 7 m l l g . L a b 1 8 f o c u s e d o n s t u d e n t s m e a s u r i n g t h e b o i l i n g p o i n t o f w a t e r , s a l t w a t e r , e t h a n o l a n d m e t h a n o l . T h e a l c o h o l s w e r e h e a t e d i n a w a t e r b a t h a n d n o t b y a d i r e c t fl a m e . W h e n s t u d e n t s g r a p h e d t h e r e s u l t s a p l a t e a u a p p e a r e d o n t h e g r a p h w h e n t h e l i q u i d b o i l e d a w a y . T h e e x e r c i s e s h o w e d b o i l i n g p o i n t w a s a c h a r a c t e r i s t i c p r o p e r t y o f a l i q u i d a n d t h a t t h e a d d i t i o n o f a s o l u t e t o w a t e r w i l l e l e v a t e i t s b o i l i n g p o i n t ( s a l t w a t e r ) . I n L a b s 1 9 a n d 2 0 s t u d e n t s m e a s u r e d t h e e n e r g y i n v o l v e d i n a l i q u i d - g a s p h a s e c h a n g e u s i n g t w o d i f f e r e n t t e c h n i q u e s . I n L a b 1 9 s t u d e n t s m e a s u r e d t h e h e a t o f v a p o r i z a t i o n o f w a t e r b y c o n d e n s i n g s t e a m ( a t 9 9 ° C ) t o r e c o v e r t h e s t o r e d p o t e n t i a l e n e r g y t h a t w a s u s e d t o o r i g i n a l l y e v a p o r a t e t h e w a t e r . B y d e t e r m i n i n g o f t h e a m o u n t o f s t e a m t h a t c o n d e n s e d a n d t h e h e a t g a i n e d b y t h e w a t e r a n d c a l o r i m e t e r s t u d e n t s c o u l d c a l c u l a t e t h e e n e r g y l i b e r a t e d w h e n o n e g r a m o f s t e a m c o n d e n s e d . T h i s v a l u e w a s e q u a l t o t h e e n e r g y n e e d e d t o e v a p o r a t e t h a t s a m e g r a m o f s t e a m . S t u d e n t s d i d o n e o r t w o t r i a l s d e p e n d i n g o n t i m e a v a i l a b l e a n d w e r e g e n e r a l l y w i t h i n 5 % o f t h e c o r r e c t a n s w e r ( 5 4 0 c a l / g r a m ) . I n L a b 2 0 s t u d e n t s d i r e c t l y m e a s u r e d t h e h e a t o f v a p o r i z a t i o n o f l i q u i d n i t r o g e n . W i t h S h e l d o n K n o e s p e l ’ s ( C h e m i s t r y D e p a r t m e n t , M . S . U ) h e l p I w a s a b l e t o s e c u r e 1 0 L o f l i q u i d n i t r o g e n t h a t a l l o w e d t h e s t u d e n t s t o c o m p l e t e 3 — 5 t r i a l s . I n t h e t r i a l 6 0 - 8 0 g r a m s o f l i q u i d n i t r o g e n w a s a d d e d t o 7 0 ° C w a t e r i n a l a r g e r - n e s t e d c a l o r i m e t e r . T h e h e a t f r o m t h e h o t w a t e r w a s u s e d t o e v a p o r a t e t h e l i q u i d n i t r o g e n . S t u d e n t s d e t e r m i n e d t h e h e a t o f v a p o r i z a t i o n i n t e r m s o f J / m o l e . 3 4 A g a i n t h e i r a n s w e r s a g r e e d w i t h t h e a c c e p t e d v a l u e w i t h i n 5 - 1 0 % . T h i s w a s t h e m o s t p o p u l a r l a b a s s t u d e n t s f e l t l i k e r e a l s c i e n t i s t s a s t h e n i t r o g e n i n d u c e d f o g s p r e a d o v e r t h e i r l a b s i t e s . 3 5 C h a p t e r 7 ( E x p a n s i o n , H e a t o f C r y s t a l l i z a t i o n a n d C o m b u s t i o n ) T h e fi n a l l a b o r a t o r y i n v e s t i g a t i o n s ( C h a r t 9 ) e x p l o r e d i n t h i s p r o j e c t b e g a n w i t h t h e t h e r m a l e x p a n s i o n o f s o l i d s . S t u d e n t s t h e n c o m p l e t e d l a b o r a t o r y e x e r c i s e s t h a t a d d r e s s e d t h e h e a t o f c r y s t a l l i z a t i o n o f w a x , e n e r g y c o n t e n t o f f o o d , h e a t o f c o m b u s t i o n o f w a x a n d t h e e n e r g y c o n t e n t o f f u e l s . C h a r t 9 - _ _ _ C h a p t e r 7 - E x p a n s i o n , H e a t o f C r y s t a l l i z a t i o n a n d C o m b u s t i o n A c t i v i t y / L a b I d e a s L o c a t i o n L a b o r a t o r y 2 1 - M e a s u r e t h e c o e f fi c i e n t o f L i n e a r e x p a n s i o n o f s o l i d s _ _ i i _ n _ e p a r _ e x p a n _ s _ i _ p g A p p e n d i x D D e t e r m i n e h e a t r e l e a s e d L a b o r a t o r y 2 2 - w h e n w a x c h a n g e d f r o m H e a t o f c r y s t a l l i z a t i o n o f w a x W p p l i q u i d _ t o s o l i d A p p e n d i x D M e a s u r e h e a t p r o d u c e d L a b o r a t o r y 2 3 - w h e n 1 . 0 g r a m o f f o o d E n e g g y c o n t e n t o f f o o d s _ _ _ _ p b u r n e d A p p e n d i x D H e a t p r o d u c e d f r o m L a b o r a t o r y 2 4 - b u r n i n g 1 . 0 g r a m o f c a n d l e H e a t h c o m b u s t i o n o f c a n d l e w a x w a x A p p e n d i x D T a b o r a t o r y 2 5 - C o m p a r i s o n o f e n e r g y c o n t e n t o f H e a t r e l e a s e d w h e n 1 . 0 f u e l s g r a m s o f f u e l i s b u r n e d A p p e n d i x D S t u d e n t s u s e d t h r e e l a b o r a t o r y t e c h n i q u e s t o e v a l u a t e t h e e x p a n s i o n o f s o l i d s . T h e fi r s t t w o u s e d m i c r o m e t e r d e v i c e s t o m e a s u r e a r o d ’ s c h a n g e i n l e n g t h . S t u d e n t s u s e d t h i s c h a n g e i n l e n g t h t o c a l c u l a t e t h e c o e f f i c i e n t o f l i n e a r e x p a n s i o n u s i n g A L = a - L - A T ( 0 = c o e f fi c i e n t o f l i n e a r e x p a n s i o n , L = l e n g t h , A T i s t h e c h a n g e i n t e m p e r a t u r e ) . C o p p e r , a l u m i n u m a n d i r o n w e r e u s e d i n t w o 3 6 d i f f e r e n t d e v i c e s y i e l d i n g v a l u e s w i t h i n 5 % o f t h e k n o w n v a l u e f o r a ( c o e f fi c i e n t o f l i n e a r e x p a n s i o n ) . S t u d e n t s t h e n u s e d t h e l n t r o d u c t o m P h y s i c a l S c i e n c e ( I P S ) t e c h n i q u e t o m e a s u r e e x p a n s i o n . S t e a m w a s p a s s e d t h r o u g h h o l l o w r o d s t h a t w e r e c l a m p e d t o t h e l e f t e n d o f t h e b a s e o f a p e g b o a r d . T h e r i g h t e n d o f t h e r o d w a s p u l l e d d o w n t i g h t l y o n a T - p i n t h a t w a s t a p e d t o a 3 6 0 ° d i a l . T h e p i n w a s o n a b e d o f s a n d p a p e r , w h i c h c a u s e d i t t o r o l l a n d n o t s l i p a s i t e x p a n d e d w h e n t h e r o d w a s h e a t e d . S t e a m p a s s e d t h r o u g h t h e r o d c a u s i n g i t t o e x p a n d t o t h e r i g h t . A s t h e r o d e x p a n d e d t h e p i n r o l l e d o n t h e s a n d p a p e r a n d t h e a t t a c h e d d i a l a m p l i fi e d t h i s s m a l l c h a n g e i n l e n g t h a l l o w i n g i t t o b e m e a s u r e d . S t u d e n t s u s e d a m i c r o m e t e r t o d e t e r m i n e p i n d i a m e t e r a n d c a l c u l a t e d i t s c i r c u m f e r e n c e . T h e d i a l r e a d i n g i n d i c a t e d t h e p e r c e n t o f o n e f u l l r o t a t i o n . T h i s v a l u e m u l t i p l i e d b y t h e c i r c u m f e r e n c e g a v e t h e c h a n g e i n t h e r o d ’ s l e n g t h . T h i s v a l u e w a s t h e n u s e d t o c a l c u l a t e a , t h e c o e f fi c i e n t o f l i n e a r e x p a n s i o n . T h i s p r o v i d e d s u r p r i s i n g l y g o o d v a l u e s f o r a ( c o e f fi c i e n t o f l i n e a r e x p a n s i o n ) . T h e fi n a l f o u r l a b s w e r e d e v e l o p e d a s a d d i t i o n a l p o s s i b i l i t i e s t o c h a l l e n g e s t u d e n t s ’ a b i l i t y t o d e s i g n a p r o c e s s t h a t a d d r e s s e s a p a r t i c u l a r p r o b l e m . S t u d e n t s w e r e a s k e d q u e s t i o n s a n d w e r e p r o v i d e d t h e m a t e r i a l s n e e d e d t o c o m p l e t e n e c e s s a r y d a t a m e a s u r e m e n t s f o r e a c h i n v e s t i g a t i o n . F o r e x a m p l e : W h e n 1 . 0 g r a m o f l i q u i d w a x c h a n g e s i n t o a s o l i d , h o w m u c h h e a t i s r e l e a s e d i n t h e p h a s e c h a n g e ? H o w m u c h e n e r g y i s r e l e a s e d w h e n 1 g r a m o f f o o d , w a x o r f u e l i s b u r n e d ? T h e c l a s s w a s b r o k e n i n t o f o u r g r o u p s t o s e e i f a n y m e a n i n g f u l t e c h n i q u e s c o u l d b e d e s i g n e d . O n e m e m b e r o f e a c h g r o u p s h a r e d i n f o r m a t i o n o n 3 7 t h e o v e r h e a d . T h i s r e s u l t e d i n a m e t h o d t h a t w a s u s e d b y e a c h g r o u p t o t r y t o a c h i e v e a v a l u e t h a t w a s a c c e p t a b l e . L a b s w e r e h a n d e d o u t a f t e r t h e y t r i e d t h e i r o w n t e c h n i q u e w i t h t h e e n d r e s u l t t h a t t h e i r b r a i n s t o r m e d t e c h n i q u e w a s t h e s a m e a s t h e l a b r e p o r t p r o c e s s . T h i s w a s a g r e a t s e l f - e s t e e m b o o s t e r . 3 8 R e s u l t s a n d E v a l u a t i o n E v a l u a t i o n o f a c t i v i t i e s a n d l a b o r a t o r y i n v e s t i g a t i o n s s h o u l d m e a s u r e a n d i d e n t i f y s t u d e n t i m p r o v e m e n t t h a t r e s u l t e d f r o m t h e i r p a r t i c i p a t i o n i n t h e h e a t t r a n s f e r a n d h e a t e x c h a n g e u n i t . T h e d a t a t h a t w a s c o l l e c t e d t o h e l p d e t e r m i n e s t u d e n t i m p r o v e m e n t i n c l u d e d w r i t t e n l a b r e p o r t s o r s h o r t s u m m a r i e s , d a i l y o b s e r v a t i o n o f s t u d e n t i n v o l v e m e n t , h o m e w o r k p r o b l e m s p e c i fi c t o t h e l a b e x e r c i s e s a n d s h o r t q u i z z e s s p e c i fi c t o b o t h h o m e w o r k a n d l a b s . A d d i t i o n a l l y , s t u d e n t s w e r e g i v e n a p r e a n d p o s t t e s t ( A p p e n d i x A ) t h a t i n c l u d e d 5 0 m u l t i p l e c h o i c e a n d 3 0 s h o r t a n s w e r / e s s a y q u e s t i o n s . A s t u d e n t s u r v e y ( A p p e n d i x A ) w a s a l s o c o n d u c t e d p r o v i d i n g t h e i r v i e w o f t h e p r o j e c t ’ s v a l u e . T h e m a j o r i t y o f t h e s t u d e n t s d i d a v e r a g e t o a b o v e a v e r a g e ( 7 0 % t o 9 5 % ) w o r k i n t h e p r e p a r a t i o n o f l a b r e p o r t s a n d a c t i v i t y s u m m a r i e s . T h e g r a d i n g p r o c e d u r e w a s b a s e d o n : t h e p r o p e r e n t e r i n g a n d l a b e l i n g o f d a t a a l o n g w i t h a n y r e l e v a n t q u a l i t a t i v e o b s e r v a t i o n s ; c o m p l e t e a n d l a b e l e d c a l c u l a t i o n c h a r t s a l o n g w i t h a d i s c u s s i o n o f e r r o r ; a s a m p l e c a l c u l a t i o n s h o w i n g a l l t h e i r w o r k a s p r o o f o f t h e i r a b i l i t y t o p r o c e s s t h e d a t a a n d fi n a l l y a s u m m a r y / c o n c l u s i o n t h a t e i t h e r a d d r e s s e d t h e p u r p o s e o r a n s w e r e d a s e r i e s o f s p e c i fi c q u e s t i o n s . S t u d e n t d a t a , o b s e r v a t i o n s , c a l c u l a t i o n c h a r t a n d s a m p l e c a l c u l a t i o n s w a s 7 5 % o f t h e i r g r a d e o n t h i s w o r k w i t h t h e l a s t 2 5 % b a s e d o n s u m m a r y / c o n c l u s i o n . W i t h r e s p e c t t o d a i l y o b s e r v a t i o n s i t w a s o b v i o u s b y t h e i r a c t i o n s t h e y e n j o y e d t h e e x e r c i s e s a n d w o r k i n g i n s m a l l g r o u p s t o c o m p l e t e t h e a c t i v i t i e s / l a b s . R e s u l t s o f t h e s t u d e n t s u r v e y ( A p p e n d i x A ) w e r e i n f o r m a t i v e w i t h r e s p e c t t o t h e i r 3 0 p e r c e p t i o n s o f t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e h e a t u n i t . T h e m a j o r i t y o f t h e s t u d e n t s a g r e e d o r s t r o n g l y a g r e e d w i t h t h e f o l l o w i n g i n q u i r y s t a t e m e n t s . - 1 0 0 % f e l t t h e a c t i v i t i e s a n d l a b s m a d e t h e p h e n o m e n a e a s i e r t o u n d e r s t a n d . - 1 0 0 % a l s o f e l t d o i n g t h e l a b s h e l p e d t h e m w i t h a s s o c i a t e d p r o b l e m s s o l v i n g i n a d d i t i o n t o b e i n g i n t e r e s t i n g a n d f u n . - 7 5 % f e l t t h e l a b s w e r e w e l l o r g a n i z e d w h i l e 9 2 % s a i d t h e y w e r e r e a s o n a b l y e a s y t o f o l l o w . A c o m p l e t e s u m m a r y o f t h e s u r v e y i s p r o v i d e d i n A p p e n d i x A . S t u d e n t s a l s o c o m m e n t e d ( A p p e n d i x A ) o n w h a t c o u l d b e d o n e t o i m p r o v e t h e u n i t . S o m e o f t h e r e s p o n s e s w e r e d u p l i c a t e s a n d s t u d e n t s a g r e e d o n e i g h t c o n s t r u c t i v e i d e a s f o r i m p r o v e m e n t . S t u d e n t s w a n t e d m o r e b a c k g r o u n d i n f o r m a t i o n a l o n g w i t h m o r e p r e p t i m e a n d d i a g r a m s o n t h e l a b s h e e t s b e f o r e t h e e x p e r i m e n t w a s s t a r t e d . M o s t w a n t e d a d d i t i o n a l t i m e t o c o m p l e t e a d d i t i o n a l t r i a l s ( u s u a l l y w h e n d a t a p r o d u c e d a n s w e r s w i t h a h i g h p e r c e n t e r r o r ) . O n e s t u d e n t w a n t e d t o u s e t h e l a b r e p o r t a s a g u i d e t o w r i t e u p h i s o r h e r o w n v e r s i o n . T h r e e s t u d e n t s f e l t t h e r e w a s t o o m u c h r e p e t i t i o n ( c a l o r i m e t r y ) . M o s t w a n t e d t o s l o w d o w n a n d d i s c u s s t h e a c t i v i t i e s i n m o r e d e p t h . T h i s i n v o l v e d m o r e n o t e s o n t h e e x p e r i m e n t s a f t e r t h e y w e r e c o m p l e t e d . S t u d e n t s a l s o f e l t t h e r e s h o u l d b e m o r e e v a l u a t i o n o v e r t h e m a t e r i a l b e t w e e n l a b s ( q u i z z e s a n d s h o r t t e s t s ) . S t u d e n t s ’ c o m m e n t s a l s o a d d r e s s e d w h a t w a s h a p p e n i n g i n t h e c l a s s r o o m . S t u d e n t s c o m m e n t e d t h a t t h e i r c l a s s m a t e s s e e m e d t o b e h a v i n g f u n w o r k i n g i n c o o p e r a t i v e s i t u a t i o n s . T h e y e n j o y e d t h e e x p e r i m e n t s , f e l t t h e l a b 4 0 s e q u e n c e w a s g o o d a n d t h e h a n d s o n a p p r o a c h h e l p e d t h e m g r a s p t h e c o n c e p t s . T h e i r a b i l i t y t o i n t e r a c t a n d s e e w h a t w a s h a p p e n i n g m a d e t h e w o r k m o r e e n j o y a b l e . S t u d e n t s a l s o e n j o y e d t h e v a r i e t y o f l a b s a n d f e l t t h e r e w a s a l w a y s s o m e t h i n g n e w . M a n y f e l t t h e s u m m a r y / c o n c l u s i o n h e l p e d i m p r o v e t h e i r w r i t i n g w h i l e o t h e r s w e r e l a z y i n p r e p a r i n g t h e r e p o r t s . O n e s t u d e n t t i r e d o f m e a s u r i n g t h e e x p a n s i o n o f a r o d a n d f e l t a n e w t e c h n i q u e s h o u l d b e d e v e l o p e d t o i l l u s t r a t e l i n e a r e x p a n s i o n . O v e r a l l 5 0 % o f t h e c l a s s g a v e t h e u n i t a n A w h i l e 5 0 % g r a d e d i t a B . H o m e w o r k s p e c i fi c t o t h e l a b s i s s h o w n i n A p p e n d i x B . T h e s e p r o b l e m s w e r e c o m p l e t e d i n g r o u p s a n d a n y t h e y c o u l d n o t r e s o l v e w e r e d i s c u s s e d i n c l a s s . P r o b l e m s s i m i l a r t o t h e h o m e w o r k a n d l a b c a l c u l a t i o n s w e r e g i v e n a s s h o r t q u i z z e s t o e v a l u a t e s t u d e n t p r o g r e s s . ( A p p e n d i x B ) T h e p r e t e s t a n d p o s t t e s t a n a l y s i s c o n t a i n e d e i g h t q u e s t i o n s t h a t w e r e i n c l u d e d a s a c o n t r o l g r o u p . T h e s e q u e s t i o n s a d d r e s s e d t o p i c s t h a t w e r e n o t d i s c u s s e d i n c l a s s o r t h e l a b o r a t o r y . T h e r e w e r e e i g h t e e n s t u d e n t s ( n = 1 8 ) i n v o l v e d i n t h e t e s t i n g a n d a t - t e s t w a s u s e d t o a n a l y z e d a t a . S t u d e n t s s c o r e d 5 2 . 1 % o n t h e p r e t e s t c o n t r o l q u e s t i o n s a n d 5 8 . 6 % o n t h e s a m e q u e s t i o n s i n t h e p o s t t e s t . A b a r g r a p h s h o w s t h e s c o r e s f o r t h e s e q u e s t i o n s i n c r e a s e d a n d d e c r e a s e d i n a r a n d o m f a s h i o n ( s e e C h a r t 1 0 ) . 4 1 s t n e d u t S l a t o T f o t c e r l r o o r C t n t o n 0 C e 1 - c r t s e r n P a o i t h t l C s u s e R e u Q t s e T t s o P s v t s e T e r P % 0 0 1 ~ . . % % % 0 0 0 3 2 1 4 2 p a l - 1 0 3 % 0 % « Q u e s t i o n N u m b e r s 5 2 ( fi g s ; ] % R i g h t I P o s t t e s t ‘ % R i g h t fl I U s i n g T - t e s t a n a l y s i s t h e P - v a l u e f o r t h e s e q u e s t i o n s w a s 0 . 7 2 2 , w h i c h i n d i c a t e s n o s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e s c o r e s o n t h e s e t e s t s . T h i s a l s o s u g g e s t s t h a t t h e I e a m i n g e x p e r i e n c e s i n t h i s p r o j e c t h a d n o e f f e c t o n t h e i r a b i l i t y t o a n s w e r t h e s e q u e s t i o n s . W h e n t h e o t h e r s e v e n t y - t w o p r e / p o s t t e s t q u e s t i o n s w e r e a n a l y z e d t h e T - t e s t p r o d u c e d P - v a l u e s < 0 . 0 0 0 , i n d i c a t i n g t h a t t h e r e i s a s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e t w o t e s t s c o r e s . T h e q u e s t i o n s o n t h e p r e / p o s t t e s t w e r e t h e n s o r t e d s o t h e y c o u l d b e a l i g n e d w i t h o n e o f t h e s e v e n c h a p t e r s a d d r e s s e d i n t h i s p r o j e c t . B a r g r a p h s a l s o w e r e p r e p a r e d t o i l l u s t r a t e i n d i v i d u a l s t u d e n t i m p r o v e m e n t i n e a c h c h a p t e r w h i l e a s e c o n d s e t o f g r a p h s f o c u s e d o n c l a s s i m p r o v e m e n t w i t h r e s p e c t t o e a c h i n d i v i d u a l q u e s t i o n . F o r e a c h c h a p t e r p r e / p o s t t e s t p e r c e n t a g e s w e r e c a l c u l a t e d f o r e a c h c h a p t e r q u e s t i o n s a m p l e . A d d i t i o n a l l y a T - t e s t P - v a l u e w a s c a l c u l a t e d t o i n d i c a t e a n y s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e t w o t e s t s . C h a r t 1 1 g i v e s a s u m m a r y o f t h e % g a i n , P - v a l u e f o r e a c h c h a p t e r . T h e i n d i v i d u a l q u e s t i o n s e t s w i l l r e v e a l i n f o r m a t i o n o n t o p i c s t h a t m a y n o t h a v e b e e n a d d r e s s e d i n e n o u g h d e t a i l a s w e l l a s m a t e r i a l t h a t w a s c o v e r e d w e l l a n d w a s r e fl e c t e d i n l a r g e s t u d e n t g a i n . T h e r e w a s a l a r g e i m p r o v e m e n t i n q u e s t i o n 3 ( 1 1 % t o 5 6 % ) , w h i c h m a y h a v e b e e n d u e t o t h e d i s c u s s i o n o f t h e s p e e d o f l i g h t w h e n r a d i a t i o n w a s i n t r o d u c e d . 4 3 0 8 0 8 e u 2 l 2 a 7 V . - 0 P 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 . . . . 0 0 0 0 < < < < % % % % % % % 2 5 0 9 0 7 8 . . . . . . . 1 3 7 1 2 4 9 2 2 2 3 2 2 1 n i a G % s c i t s i t a t S t s % % % % % % % t s o P 6 4 9 4 9 0 7 . . . . . . . 7 5 2 5 8 4 6 5 7 7 7 5 6 6 e T - 1 1 t r a h C % % % % % % e 1 4 3 4 4 0 r P . . . . . . 2 9 6 8 1 2 5 5 3 4 4 4 r e l o t r p t a n h C o C t s e T l a t o T 4 4 5 . 5 % 8 0 . 6 % < 0 . 0 0 0 8 0 5 9 . 8 % 8 0 8 0 < 0 . 0 0 0 8 0 3 5 . 2 % 3 9 . 8 % < 0 . 0 0 0 8 0 3 8 . 9 % < 0 . 0 0 0 8 0 4 2 . 2 % 8 0 I n C h a p t e r 1 ( C h a r t 1 2 ) t h e q u e s t i o n s a d d r e s s e d t e m p e r a t u r e , k i n e t i c e n e r g y , i n t e r n a l e n e r g y , t e m p e r a t u r e s c a l e s , e n e r g y fl o w , t e m p e r a t u r e c o n v e r s i o n , a n d c o m p a r i s o n o f F a h r e n h e i t a n d C e l s i u s , a b s o l u t e z e r o a n d r e f e r e n c e p o i n t s o n t e m p e r a t u r e s c a l e s . Q u e s t i o n 1 0 s h o w e d t h a t s t u d e n t s c o u l d n a m e t e m p e r a t u r e s c a l e s b e f o r e a n d a f t e r i n s t r u c t i o n . Q u e s t i o n s 1 2 , 1 4 , 2 0 a n d 6 8 s h o w e d s t u d e n t s c o u l d r e l a t e t e m p e r a t u r e t o k i n e t i c e n e r g y a n d c o u l d c o n v e r t t e m p e r a t u r e a n d r e l a t e u n i t s . b e t w e e n t h e f r e e z i n g a n d m e l t i n g r e f e r e n c e p o i n t s o n a C e l s i u s a n d F a h r e n h e i t t h e r m o m e t e r . Q u e s t i o n 1 1 a d d r e s s e d e n e r g y fl o w s f r o m h o t t o c o l d w h i l e Q u e s t i o n 1 9 a d d r e s s e d t h e f a c t t h a t a f t e r - 4 0 ° C t h e C e l s i u s t e m p e r a t u r e i s l a r g e r t h a n t h e F a h r e n h e i t v a l u e ( 1 7 % t o 3 3 % ) . O v e r a l l t h e r e w a s a 2 1 . 2 % g a i n i n t h e i r a b i l i t y t o r e l a t e t o t h i s i n t r o d u c t o r y m a t e r i a l . I n C h a p t e r 2 ( C h a r t 1 3 ) s t u d e n t s i n v e s t i g a t e d t h e p r o c e s s e s o f c o n d u c t i o n , c o n v e c t i o n a n d r a d i a t i o n . S t u d e n t s s h o w e d i m p r o v e m e n t i n r e c o g n i z i n g i d e a s r e l a t e d t o c o n d u c t i o n , c o n v e c t i o n a n d r a d i a t i o n . Q u e s t i o n s 5 7 a n d 6 0 w e r e a d d r e s s e d i n t h e l a b o r a t o r y a n d s h o u l d h a v e s h o w n g r e a t e r s t u d e n t i m p r o v e m e n t . Q u e s t i o n 7 4 r e f e r r e d t o a n i n s u l a t i o n l a b t h a t w a s n o t c o m p l e t e d w h i l e q u e s t i o n 7 6 a l s o r e f e r r e d t o a n e x e r c i s e t h a t w a s n o t a d d r e s s e d ( s t u d e n t s m a y h a v e c o n f u s e d r e fl e c t i o n o f l i g h t w i t h t h e p r o c e s s o f r a d i a t i o n ) . Q u e s t i o n 7 7 w a s c o v e r e d i n L a b i n v e s t i g a t i o n 3 . S t u d e n t s c o u l d s e e t h e g r e a t e r t h e t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e t h e f a s t e r h e a t w a s l o s t . T h e y g r a p h e d d a t a t o s h o w t h i s p o i n t a n d o b v i o u s l y t h e o b s e r v a t i o n d i d n o t c a n y o v e r . 4 5 t t s l h e “ g i R t 9 ‘ t 5 s 2 / 0 o / _ ° P ° _ I , i I L s r e b m u N n o i t s e u Q s t n e d u t S l a t o T f o t c e r r o C 1 r e t e p t a n 2 r h e 1 u C c t a r t - r e s e P r a n p o m i e t T s t h l C u s e e R u Q t s e T t s o P s v t s e T e r P 4 6 1 0 3 1 1 0 3 % 1 2 0 % 1 0 0 % 8 0 % ~ — 6 0 % . 2 ’ E 1 . 4 0 % « H ? 2 0 % _ . _ i ‘ 0 % 1 4 { o a s e s i I I l l l I ‘ j w p t t s t t s h p e ’ g g t e i i t t R R e s r o _ P % % _ P . 1 E I . _ _ — I I I I z 7 ’ s t n e d u t S l a t o T f o t c e r r o C 2 r e t r p t e a n f h e s C c n a r - r e T s P n t o a i e t l u t s e u H s e R Q t s e T t s o P s v t s e T e r P , . - - , . % % % % % % % 0 0 0 0 0 0 9 8 6 5 1 0 0 1 4 7 1 0 3 1 1 0 0 % 7 0 % 4 4 0 % 3 0 % . 2 0 % 4 C h a r t 1 3 6 2 6 9 7 3 Q u e s t i o n N u m b e r s I n C h a p t e r 3 ( C h a r t 1 4 ) s h o w s t h e r e w a s o v e r a l l i m p r o v e m e n t r e c o g n i z i n g a n d u s i n g t h e c a l o r i e a s a h e a t u n i t a n d u n d e r s t a n d i n g t h e m e a n i n g o f s p e c i fi c h e a t a n d p r o c e s s i n g c a l o r i m e t r y p r o b l e m s . Q u e s t i o n s 8 a n d 2 1 s h o w e d i m p r o v e m e n t i n r e c o g n i z i n g t h e r m a l e q u i l i b r i u m a n d e n e r g y . Q u e s t i o n s 2 2 , 6 4 , 6 7 a n d 7 0 s h o w s m a l l i m p r o v e m e n t s u n d e r s t a n d i n g s p e c i fi c h e a t w h i l e q u e s t i o n 3 5 s h o w e d a l a r g e g a i n i n s t u d e n t s ” a b i l i t y t o s o l v e a b a s i c c a l o r i m e t r y p r o b l e m . Q u e s t i o n s 8 , 3 5 a n d 6 7 w e r e a l l a d d r e s s e d w i t h a c t i v i t i e s a n d l a b s , w h i c h m a y a c c o u n t f o r t h e l a r g e i n c r e a s e i n p o s t t e s t s c o r e s . C h a p t e r 4 ( C h a r t 1 5 ) w a s c o n c e r n e d w i t h t h e m e c h a n i c a l e q u i v a l e n t o f h e a t . L a b s w e r e d e s i g n e d t o e n a b l e t h e s t u d e n t s t o e s t a b l i s h a r e l a t i o n s h i p b e t w e e n w o r k d o n e a n d h e a t e n e r g y p r o d u c e d a s a r e s u l t o f t h a t w o r k . S t u d e n t s g e n e r a t e d e v i d e n c e t h a t 1 c a l o r i e e q u a l e d 4 . 1 8 J o u l e s . W i t h t h e e x c e p t i o n o f q u e s t i o n 2 9 t h e r e w a s e x c e l l e n t i m p r o v e m e n t f r o m p r e t o p o s t t e s t p e r f o r m a n c e . I n q u e s t i o n 2 9 m o s t s t u d e n t s p i c k e d f o i l A w h i c h m e a n t t h a t t h e y t r e a t e d 1 0 0 k c a l l i k e 1 0 0 c a l o r i e s . Q u e s t i o n s 4 2 a n d 4 3 a g a i n s h o w e d b i g j u m p s i n p r o c e s s i n g c a l o r i m e t r y p r o b l e m s . Q u e s t i o n 1 5 , 3 4 a n d 5 5 p o i n t e d t o i m p r o v e d q u a l i t a t i v e ( 5 5 ) a n d q u a n t i t a t i v e ( 1 5 a n d 3 4 ) a b i l i t i e s w i t h r e s p e c t t o w o r k a n d h e a t . 4 8 I I I T t t s t t h h e s t g g e i i t p t R R e s p r o P % P % D I 4 I ‘ , s t n e d u t S l a t o T f o t c e r r o C 3 r e t p t a n h e C t c - a r e e s P H n o i t s e u t l u s e R Q t s e T t s o P s v t s e T e r P - 4 4 / , - E - ‘ 4 » 4 4 . 4 4 4 . r . - - - , - . - m ~ % . - . - % % % % % 0 0 0 0 0 0 9 8 7 3 2 4 9 p e n c e % C h a r t 1 4 1 0 0 % 6 0 % . L 5 0 % . 4 0 % - 1 0 % - Q u e s t i o n N u m b e r s ‘ ‘ I t t t s h h e g g t i i R R t s o % % P I s r e b m u N n o i t s e u Q ~ % % 0 0 2 0 1 1 5 0 Q u e s t i o n s - C h a p t e r 4 M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t P r e T e s t v s P o s t T e s t R e s u l t P e r c e n t C o r r e c t o f T o t a l S t u d e n t s C h a r t 1 5 ” fl I fi ’ r e t e ; ] I I - i i j 2 0 % 0 % ! C h a p t e r 5 ( C h a r t 1 6 ) i n v e s t i g a t i o n s u s e d c a l o r i m e t r y t e c h n i q u e s t o s o l v e f o r s p e c i fi c h e a t , e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e s a n d t h e c h a n g e i n t e m p e r a t u r e ( A T ) . R e s p o n s e s t o q u e s t i o n s 9 a n d 2 4 s h o w e d a fi r m u n d e r s t a n d i n g o f t h e r m a l e q u i l i b r i u m . Q u e s t i o n 1 6 w a s h a r d e r b e c a u s e t h e c a l o r i m e t e r h a d t h e s a m e s p e c i fi c h e a t a s t h e w a t e r . Q u e s t i o n 1 7 a d d r e s s e d e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e i n a s t r a i g h t - f o r w a r d m a n n e r . S t u d e n t s ’ i m p r o v e m e n t o n q u e s t i o n 4 8 w a s l a r g e b e c a u s e t h e y n e e d e d t o g l e a n i n f o r m a t i o n f r o m a p h a s e c h a n g e g r a p h t o c a l c u l a t e t h e s p e c i fi c h e a t . R e s p o n s e s t o q u e s t i o n 2 3 s h o w e d s t u d e n t s k n o w w a t e r h a s a h i g h s p e c i fi c h e a t c o m p a r e d t o o t h e r m a t e r i a l s . C h a p t e r 6 ( C h a r t 1 7 ) f o c u s e s o n p h a s e c h a n g e s , h e a t o f f u s i o n a n d h e a t o f v a p o r i z a t i o n . A g l a n c e a t t h e fi g u r e s h o w s l a r g e r g a i n s i n t h e m u l t i p l e c h o i c e s e c t i o n ( w i t h t h e e x c e p t i o n o f q u e s t i o n s 4 4 a n d 4 9 ) c o m p a r e d t o t h e m o d e s t g a i n s i n t h e s h o r t a n s w e r s e c t i o n w i t h t h e e x c e p t i o n o f q u e s t i o n 5 9 . L o w s c o r e s o n q u e s t i o n 4 4 s u g g e s t t h a t t h e d e fi n i t i o n o f t h e h e a t o f f u s i o n w a s n o t fi r m l y i n p l a c e . Q u e s t i o n 4 9 a l s o a d d r e s s e d t h e d e fi n i t i o n i n t e r m s o f a n i n c r e a s e i n E , a t 0 ° C . T h i s k n o w l e d g e w a s a l s o n o t i n p l a c e . C o r r e c t r e s p o n s e s t o q u e s t i o n 5 9 m e a n t t h a t t h e s t u d e n t s u n d e r s t o o d t h a t i n t e r n a l e n e r g y w a s t h e s u m o f a l l t h e e n e r g y . T h e r e i s o v e r a l l e v i d e n c e o f g r o w t h i n u n d e r s t a n d i n g t h e s e p h e n o m e n a . 5 ] s t n e d u t S l a t o T f o t c e 5 r r e t r o C p y t a r 6 n h 1 t e C e c m r t - i e s n o r P r o a l h t a l C i C u t s s e e R u Q t s e T t s o P . s v t s e T e r P - ; 4 4 ~ - . % 0 0 1 < % 0 4 5 2 1 9 3 1 - 1 0 0 % 1 2 0 % 8 0 % « 4 . k - 4 - I C I P r e t e s t - . . . . 4 “ I % R i g h t ‘ ‘ l P o s t t e s t ‘ 4 4 % 4 R i g h t 6 0 % - m . F . 2 0 % - 0 % Q u e s t i o n N u m b e r s t t s a h e t g t h m i t g s R g i o i % P n e I E I I w . _ , _ 3 1 _ " _ z “ _ 0 8 9 7 8 7 2 7 6 6 5 s t n e d u t S l 6 a t o T f o n t o c i 6 t a r z e i t r e r r o C p t o a n p 7 h e a 1 C c V - , r t n r e s P o a n i o s t h i C u l F u t s s f e e o R u Q t t a s e e H T t s o P s v t s e T e r P ' 5 5 ; . “ " ' 5 - * ' — ' “ ' . _ _ - . . L 9 5 8 5 6 5 4 5 0 s r e b 5 m u 9 N n 4 o i 6 t s e u Q 4 5 4 4 4 0 4 9 3 8 I 3 ; 1 7 3 6 3 7 2 6 2 5 , g g R 2 e T « ' % % % 0 0 1 0 0 5 4 5 3 1 0 9 1 1 0 0 % 9 0 % - - _ W - — — - _ _ _ _ _ _ - ~ 5 - a A e e ~ + - A ~ a — — — - — ~ — — e - v — - 8 0 % . J 6 0 % » . . ' : 4 . . . c m . . . N w h i m - 1 ‘ . 5 : 1 1 . . 4 L L ‘ 1 : , I - . . . . 3 . 1 9 “ “ i - i e t s m w m a s m s m e m s w m m m . f . g - l ‘ l ' E - V ~ ‘ I V . 1 o w l w . i s r l ‘ fl r 3 . “ 3 ‘ 1 1 ! ‘ 5 , ' 3 3 : ‘ F 2 1 * . “ ’ 1 “ 3 3 3 5 5 9 . 1 3 1 " ; ” 3 & 1 ? 1 3 1 * " 5 5 : 3 1 . ? i ‘ L _ , r “ 1 . 3 1 ; . ‘ o ' - ' . ( ‘ 1 2 - ( ” E L I n . A 1 0 % . i m a t i i w i t a m z m w . | . 1 : g n u - - , j t a - N W u 1 2 . w r y - f r " \ r ‘ h , “ 2 1 : 3 : m i x - 1 . ; . c fi w i fi e “ " ‘ I , f ‘ T ‘ I z i fi ‘ i g l ' 3 3 1 6 7 . 1 ( “ V fi ' fl a fi fl f fl . w e ; l e a v e s a m t a m v z fi i m m ' a x s s m m t c s fl m w w m t v s w i f m s m n m - i w a i v i o z v s m i . . . h . . . “ — 1 1 1 : q - " 1 “ " . 1 " : “ . < . ' 2 7 J : I j " : > * ‘ Z i t a - 5 . " . 5 1 9 ‘ 0 % : T h e q u e s t i o n s r e l a t e d t o C h a p t e r 7 ( C h a r t 1 8 ) r e fl e c t e d g a i n i n k n o w l e d g e w i t h r e s p e c t t o e x p a n s i o n . Q u e s t i o n s 3 2 , 3 3 , a n d 4 1 s h o w e d i m p r o v e m e n t i n t h e s t u d e n t s ’ a b i l i t y t o s o l v e e x p a n s i o n p r o b l e m s a n d r e l a t e t h i s i n f o r m a t i o n t o t h e c o e f fi c i e n t o f l i n e a r e x p a n s i o n . R e p o n s e s t o q u e s t i o n 6 3 s h o w e d a n i m p r o v e m e n t i n u n d e r s t a n d i n g t h e r o l e o f e x p a n s i o n i n f r e e z e / t h a w o r f r o s t h e a v i n g s i t u a t i o n s . Q u e s t i o n 7 1 u s e d t h e t e r m b i m e t a l l i c s t r i p , w h i c h w a s i n a d v e r t e n t l y n o t u s e d i n d i s c u s s i o n o r d e m o n s t r a t e d i n c l a s s . 5 4 ‘ j t t s h e “ g t E i t R s E o F P % : A I I r l l s r e b m u N n o i t s e u Q ~ 0 1 ~ % % % % 0 0 0 7 1 0 0 2 1 5 5 3 0 0 1 - 1 0 0 9 6 Q u e s t i o n s - C h a p t e r 7 E x p a n s i o n P r e T e s t v s P o s t T e s t R e s u l t P e r c e n t C o r r e c t o f T o t a l S t u d e n t s C h a r t 1 8 9 0 % 8 0 % 6 0 % 4 5 0 % < 4 0 % < 3 0 % 0 0 % < A s s e s s m e n t o f C h a p t e r 1 s h o w e d t h e b e s t p r i o r k n o w l e d g e a n d h i g h e s t p o s t t e s t s c o r e s ( 5 9 . 4 % t o 8 0 . 6 % . C h a p t e r 5 r e fl e c t e d t h e l o w e s t p r i o r k n o w l e d g e a n d g r e a t e s t g a i n ( 3 9 . 8 % ) . T h i s k n o w l e d g e i s r e l a t e d t o l a b s 1 3 , 1 4 a n d 1 5 d e a l i n g w i t h t h e m o s t i n v o l v e d c a l o r i m e t r y . C h a p t e r s 2 a n d 6 i l l u s t r a t e d l i t t l e p r i o r k n o w i e d g e a n d t h e l e a s t g a i n o f a l l t h e c h a p t e r s . A s s e s s m e n t o f C h a p t e r 2 , d e a l i n g w i t h h e a t t r a n s f e r , p r o c e s s o f c o n d u c t i o n , c o n v e c t i o n a n d r a d i a t i o n s h o w e d i m p r o v e m e n t . S c o r e s s h o w e v i d e n c e o f i m p r o v e m e n t f o r e a c h s t u d e n t i n a l a r g e m a j o r i t y o f t h e w o r k c o m p l e t e d . A n a l y s i s o f d a t a f o r e a c h s t u d e n t i s s h o w n o n t h e b a r g r a p h i n A p p e n d i x A . T h e s e c h a r t s p r o v i d e i n d i v i d u a l s t u d e n t d a t a s e q u e n t i a l l y f o r t h e c o n t r o l q u e s t i o n s a n d t h e q u e s t i o n s f o r e a c h c h a p t e r . T h e o v e r a l l p r e a n d p o s t t e s t g a i n f o r e a c h s t u d e n t i s s h o w n o n C h a r t 1 9 . T h e c h a r t s h o w s e i g h t s t u d e n t s p r o d u c e d m o d e s t g a i n s o f 8 % t o 1 8 % w h e n c o m p a r i n g p r e a n d p o s t t e s t r e s u l t s . T e n s t u d e n t s s h o w e d g a i n s f r o m 2 0 % t o 3 8 % . R e s u l t s o f s t u d e n t t e s t i n g p r o d u c e d P - v a l u e s v e r i fi e d t h a t b a s e d o n T - t e s t v a l u e s i m p r o v e m e n t w a s r e l a t e d t o t h e a m o u n t o f e f f o r t t h e s t u d e n t e x h i b i t e d i n c o m p l e t i n g t h e p r o j e c t ( A p p e n d i x A ) . T h e s t u d e n t s s h o w e d t h e f o l l o w i n g p a t t e r n s . S t u d e n t 1 2 4 5 b r o u g h t i n t h e m o s t p r i o r k n o w l e d g e a n d w a s a b l e t o g e n e r a t e a 2 5 % g a i n . O n t h e o t h e r h a n d s t u d e n t 1 3 2 7 s h o w e d v e r y l i t t l e p r e a n d p o s t t e s t g a i n a s a r e s u l t o f t h e p r o j e c t . A l o o k a t t h e g r a d e b o o k s h o w e d m o s t o f t h e w o r k g r a d e d w a s l a t e a n d i n c o m p l e t e . S t u d e n t 1 3 5 0 b r o u g h t i n a f a i r a m o u n t o f p r i o r k n o w l e d g e t o t h e h e a t u n i t a n d m a d e a 3 8 % g a i n a s a r e s u l t o f t h e p r o j e c t . I n d i v i d u a l s t u d e n t d a t a i s a v a i l a b l e i n A p p e n d i x A . 5 6 . . . i . . , 1 2 0 1 3 0 l 5 1 I . . _ . , 5 3 7 1 5 4 1 2 6 5 1 3 5 4 2 1 3 4 5 1 7 . . 2 . 3 1 4 . 0 . # 2 t 1 n e d 1 u . . 1 t 1 S 3 8 ; . 4 4 3 2 0 3 7 6 i ” 5 . n 6 fi " 5 4 . ' g 4 3 2 7 0 V . 6 . 5 ; . ' , . ’ l . 5 ; . " . 3 , " : ‘ 1 . 1 _ _ _ . : . i 1 ; , ~ l . l i 2 4 3 2 4 0 ! 5 I 3 1 ; “ 1 1 . 2 ‘ 9 6 0 1 _ _ _ ; 9 - ; r ! v : " , i : , ‘ l r i 5 _ - ' 1 _ n : , : , , J “ : . { , 3 " H : i _ i _ _ _ 3 ‘ ‘ 1 . l l E { 0 0 O / 0 0 e 9 c 1 n t s o e P t r r e a f h f C i D s v e r P _ , ; 1 3 E ‘ , . i l . ; I , ‘ I : . , r r . : H f — — — - — — _ _ w — r . J % 0 o o / 5 3 2 0 / 0 0 4 5 7 a o u a i a g i p t u a m a d | l 3 5 % 2 0 % — < — - - - — i : 1 ; l g } ‘ . " i i ' p 0 l , 1 , . . s _ _ l , 3 . _ o . - _ , l l r . , ‘ f ) , l , ‘ ‘ l ; : n u p . . - . w a m : " " ‘ i n t 1 0 % 1 . ‘ - . — - . . . c a n t - . 3 2 3 : W “ l - - - . - - : ” a n " - £ . g , , . ' = = - . - _ - , - . - ~ - 1 u - Q % a . . . ” - . - a m g n . T - . ‘ * : 5 3 5 2 5 2 ; . 1 . n . . . A ~ - . _ . » - ” a . “ 5 2 . 1 % I I I “ a n — w f u t — e w c s z u . ' - . 1 : 2 - . . t . . . . J ‘ : . _ _ M - ‘ . S t u d e n t d a t a i n A p p e n d i x A s h o w e d t h e m a j o r i t y o f s t u d e n t s s h o w e d m o d e s t ( 1 0 — 2 0 % ) o r s i g n i fi c a n t ( 2 0 - 3 8 % ) g a i n i n t h e i r a b i l i t y t o a n s w e r t h e p o s t t e s t q u e s t i o n s . T h i s g a i n s u g g e s t s e x p o s u r e t o t h e a c t i v i t i e s a n d l a b e x p e r i m e n t s h e l p e d t h e m a c q u i r e m o r e k n o w l e d g e a b o u t h e a t e x c h a n g e a n d h e a t t r a n s f e r . 5 8 D i s c u s s i o n a n d C o n c l u s i o n O b s e r v a t i o n s m a d e o n a d a i l y b a s i s s p o k e t o a c h a n g e d l e a r n i n g e n v i r o n m e n t . T h e a c t i v i t y / l a b a p p r o a c h c r e a t e d s i t u a t i o n s t h a t a l l o w e d s t u d e n t s t o s t u d y i n a m o r e e n j o y a b l e a t m o s p h e r e . I t w a s o b v i o u s s t u d e n t s e n j o y e d t h e l a b s a n d a c t i v i t i e s w h i l e t h e y w o r k e d c o o p e r a t i v e l y i n s m a l l g r o u p s . T h e i r s e l f - w o r t h i m p r o v e d a s t h e y t o o k p r i d e i n a n d o w n e r s h i p o f t h e r e s u l t s o f t h e i r i n v e s t i g a t i o n s . T h e r e l a x e d a t m o s p h e r e p r o d u c e d a c o m m u n i t y o f I e a m e r s w h o p r o g r e s s e d t h r o u g h a l a r g e v o l u m e o f m a t e r i a l t o g e t h e r , h e l p i n g o n e a n o t h e r a l o n g t h e w a y T h e r e i s a g o o d c o r r e l a t i o n b e t w e e n i n d i v i d u a l s t u d e n t p r o g r e s s a s s h o w n b y t h e i r p r e a n d p o s t t e s t a n d c o m p a r e d t o t h e i r l a b o r a t o r y a n d h o m e w o r k g r a d e s . H o w e v e r , e i g h t s t u d e n t s s h o w e d l i m i t e d i m p r o v e m e n t d u r i n g t h i s p r o j e c t ( 8 t o 1 9 % i m p r o v e m e n t ) . S t u d e n t s 7 2 3 4 , 4 5 6 5 , 6 7 3 0 , 3 1 1 1 , 1 2 0 4 , 1 3 2 7 , . 1 5 4 3 a n d 1 0 2 1 ( A p p e n d i x A ) g e n e r a l l y e x h i b i t e d t h e f o l l o w i n g c h a r a c t e r i s t i c s . T h e i r l a b r e p o r t s w e r e a t t i m e s i n c o m p l e t e , u s u a l l y l a c k i n g s a m p l e c a l c u l a t i o n s a n d c o m p l e t e c o n c l u s i o n s . M o s t o f t h e s e s t u d e n t s w e r e n o t g o o d p r o b l e m s o l v e r s ( m a t h p h o b i c ) a n d h a d p r o b l e m s p r o c e s s i n g d a t a f r o m l a b i n v e s t i g a t i o n s a n d f r o m h o m e w o r k p r o b l e m s t h a t r e q u i r e d a s i m i l a r e f f o r t . A d d i t i o n a l l y , s i x o f t h e e i g h t o f t h e s e s t u d e n t s w e r e p a i r e d w i t h o n e a n o t h e r a n d h a d a d d i t i o n a l p r o b l e m s b e c a u s e n e i t h e r o n e w a s p r e p a r i n g f o r t h e l a b s i n a d v a n c e . T h i s p r o d u c e d p r o b l e m s f o l l o w i n g p r o p e r p r o c e d u r e , w h i c h n e c e s s i t a t e d t h e n e e d f o r m o r e t r i a l s , w h i c h r e s u l t e d m a n y t i m e s i n i n c o m p l e t e 5 9 d a t a c o l l e c t i o n a n d l a b r e p o r t s . S t u d e n t 1 0 6 9 p r o d u c e d a m o d e s t g a i n o f 1 5 % a f t e r d o i n g a n e x c e l l e n t j o b i n a l l a s p e c t s o f t h e l a b w o r k . T h i s s t u d e n t ’ s d a t a w a s t h e o n l y a n o m a l y , w h i c h r e fl e c t s h i s / h e r a b i l i t y t o t a k e t e s t s . T h e r e m a i n i n g m e m b e r s o f t h e c l a s s s h o w e d h i g h e r g a i n s ( 2 0 - 3 8 % ) a s a r e s u l t o f t h e i r i n v o l v e m e n t i n t h e p r o j e c t . T h e m a j o r i t y o f t h e s e s t u d e n t s s t a r t e d w i t h h i g h e r l e v e l s o f p r i o r k n o w l e d g e o n t h e m a j o r i t y o f t h e c h a p t e r m a t e r i a l . T h i s m a y h a v e b e e n d u e t o t h e i r e x p o s u r e t o a h e a t s e c t i o n i n C h e m i s t r y c l a s s . D a i l y o b s e r v a t i o n v e r i fi e d t h e s e s t u d e n t s w e r e f a m i l i a r w i t h p r o c e d u r e s p r i o r t o t h e l a b , w h i c h a l l o w e d t h e c o l l e c t i o n o f m e a n i n g f u l d a t a . T h e y c o u l d p r o v i d e d i r e c t i o n t o t h e i r l a b p a r t n e r s a n d o t h e r s i n t h e l a b , p r o c e s s t h e i r d a t a q u i c k l y t o g a u g e e a r l y s u c c e s s a n d w e r e a b l e t o r e l a t e l a b p r o c e s s e s t o s i m i l a r h o m e w o r k p r o b l e m s o l v i n g . T h e i r w i l l i n g n e s s t o p r e p a r e w a s o n e f a c t o r t h a t i m p r o v e d t h e i r p e r f o r m a n c e . A d d i t i o n a l l y , f r o m a s u b j e c t i v e p e r s p e c t i v e , t h e y w e r e a l s o h i g h l y m o t i v a t e d , s u c c e s s f u l s t u d e n t s w i t h h i g h a s p i r a t i o n l e v e l s , t h e y e x p e c t e d t o s u c c e e d a n d w o r k e d h a r d t o m e e t t h e i r p e r s o n a l e x p e c t a t i o n s . T h e y a l s o e x h i b i t e d s e l f - c o n t r o l , d i r e c t i o n a n d f o c u s , w h i c h h e l p e d i n s u r e t h e i r s u c c e s s i n t h i s p r o j e c t . T h e d a t a o n p r e - p o s t t e s t s s p e a k s t o t h e i r o v e r a l l l a r g e r g a i n s i n m a s t e r i n g t h e m a t e r i a l i n e a c h c h a p t e r . T h e g o a l f o r t h i s p r o j e c t a d d r e s s e d g e t t i n g a w a y f r o m a n o b j e c t i v i s t / b e h a v i o r i s t t e a c h e r d i r e c t e d e n v i r o n m e n t a n d d e v e l o p i n g a p l a c e w h e r e s t u d e n t s c o u l d i n t e r a c t w i t h p h e n o m e n a a n d d i r e c t l y e x p e r i e n c e t h e P h y s i c s . A l t h o u g h t h e p r o j e c t w a s o v e r l y a m b i t i o u s i n t e r m s o f a c t i v i t i e s a n d l a b s t h a t w e r e c o m p l e t e d , t h e s t u d e n t s r e s p o n d e d w e l l i n t h e n e w e n v i r o n m e n t . T h e y 6 O p e r f o r m e d w e l l i n s i t u a t i o n s w h e r e t h e y n e e d e d t o c o n s t r u c t t h e i r o w n l e a r n i n g . w o r k e d w e l l t o g e t h e r a c c o m p l i s h i n g a c t i v i t y a n d l a b i n v e s t i g a t i o n s a n d r e p o r t e d t h e i r r e s u l t s i n a t i m e l y m a n n e r . S t u d e n t p r o g r e s s w a s r e fl e c t e d i n d i v i d u a l l y a n d c o l l e c t i v e l y i n t h e h a r d e v i d e n c e p r e s e n t e d i n t h e p r e / p o s t t e s t r e s u l t s . C o n v e r s a t i o n s w i t h s t u d e n t s d u r i n g t h e p r o j e c t i n d i c a t e d m o s t s t u d e n t s f e l t t h e n e w a p p r o a c h g a v e t h e m a n a d v a n t a g e b a s e d o n t h e i r I e a m i n g s t y l e . O v e r a l l t h e p r o j e c t w a s a p o s i t i v e e x p e r i e n c e f o r s t u d e n t a n d t e a c h e r . A l t h o u g h t h e o v e r a l l i m p a c t o f t h e u n i t w a s p o s i t i v e , t h e r e w e r e s o m e n e g a t i v e a s p e c t s . T h e r e w a s t o o m u c h m a t e r i a l ( a c t i v i t i e s a n d l a b r e p o r t s ) a n d n o t e n o u g h t i m e t o d i s c u s s e a c h i n v e s t i g a t i o n i n d e t a i l . A l l t h e w o r k d o n e o n c o n d u c t i o n , c o n v e c t i o n a n d r a d i a t i o n d i d n o t p r o d u c e t h e e x p e c t e d g a i n s . T h e r e s h o u l d h a v e b e e n m o r e d i s c u s s i o n a f t e r t h e a c t i v i t i e s w e r e c o m p l e t e d o n t h e t o p i c s h e a t s o f f u s i o n a n d v a p o r i z a t i o n , w h i c h w e r e d i f fi c u l t w h i c h m a y h a v e b e e n a r e a d i n e s s s i t u a t i o n w i t h i n d i v i d u a l s t u d e n t s . S o m e s t u d e n t s w e r e n o t a b l e t o u n d e r s t a n d t h e a b s t r a c t n a t u r e o f a n i n c r e a s e / d e c r e a s e i n p o t e n t i a l e n e r g y . S o m e i d e a s t h a t s e e m e d t o f a c i l i t a t e t h e p r o j e c t i n c l u d e d p r o v i d i n g t h e s t u d e n t s w i t h 3 - r i n g n o t e b o o k s , a n e n v e l o p e fi l e f o l d e r a n d a l a b n o t e b o o k t o h e l p o r g a n i z e t h e a c t i v i t i e s a n d l a b s . T h e p h o t o / m o v i e r e c o r d o f d a i l y a c t i v i t y w a s a l s o a p o s i t i v e . C h a n g i n g f r o m l a b n o t e b o o k s t o i n d i v i d u a l l a b r e p o r t s a l s o h e l p e d e l i m i n a t e r e p e t i t i o u s w r i t i n g . H a v i n g a t e a c h e r f r e e t o r o a m t h e r o o m a n d h e l p w h e n n e e d e d w a s a g r e a t r e s o u r c e f o r t h e s t u d e n t s . S t u d e n t s w e r e a l s o f r e e t o r e p e a t t r i a l s i f n e e d e d ( a t t i m e s o v e r l u n c h o n t h e i r o w n t i m e ) a n d c o u l d i n v e s t i g a t e , “ w h a t - i f - l - d i d - t h e s e - q u e s t i o n s - i f - m o r e - t i m e - w a s - a v a i l a b l e " . 6 1 T h i s l a r g e v o l u m e o f w o r k o n a s i n g l e t o p i c i s n o t a n o r m a l e v e n t i n a n y c l a s s r o o m . H o w e v e r , t h e t o t a l i m m e r s i o n o f s t u d e n t s i n a n a c t i v e I e a m i n g e n v i r o n m e n t d i d p r o d u c e p e r s p e c t i v e w i t h r e s p e c t t o p l a c e m e n t o f t h i s m a t e r i a l . S o m e o f t h e s h o r t e r a c t i v i t i e s c o u l d b e u s e d i n P h y s i c a l S c i e n c e t o b e t t e r p r e p a r e s t u d e n t s f o r r e l a t e d c o n c e p t s i n C h e m i s t r y a n d P h y s i c s . T h e r e c o u l d a l s o b e a d i v i s i o n o f t h e s e i n v e s t i g a t i o n s b e t w e e n C h e m i s t r y a n d P h y s i c s . C h e m i s t r y w o u l d d o m o r e o f t h e c a l o r i m e t r y a n d p h a s e c h a n g e i n v e s t i g a t i o n s w h i l e P h y s i c s w o u l d a d d r e s s h e a t t r a n s f e r , e x p a n s i o n a n d t h e m e c h a n i c a l e q u i v a l e n t o f h e a t . T h e r e a r e m o r e a c t i v i t i e s t h a t w e r e d e v e l o p e d t h a t c o u l d b e u t i l i z e d f o r d e m o n s t r a t i o n s . T h i s p r o j e c t g e n e r a t e d a l o t o f r e fl e c t i o n o n p a s t t e a c h i n g p r a c t i c e s . A l t h o u g h a l o t o f l a b w o r k i s a l r e a d y p a r t o f m o s t u n i t a c t i v i t i e s , t h e s u c c e s s o f t h i s m a t e r i a l m e a n s e v e n m o r e m a t e r i a l w i l l b e u s e d i n t h e f u t u r e . I t w a s v e r y e v i d e n t t h a t s t u d e n t s I e a m b e t t e r i n a n a c t i v e e n v i r o n m e n t w h e r e t h e y c a n i n t e r a c t w i t h t h e p h e n o m e n a a n d s h a r e t h e i r i d e a s i n c o o p e r a t i v e I e a m i n g s u r r o u n d i n g s . S t r u c t u r i n g t h i s e n v i r o n m e n t i n v o l v e s c o m m i t m e n t t o a n e w p r o c e s s . H o w e v e r , t h e r e w a r d i n t e r m s o f s t u d e n t i m p r o v e m e n t i s w e l l w o r t h t h e e f f o r t . 6 2 A P P E N D I C E S 6 3 A P P E N D I X A 6 4 9 9 9 9 N a m e P r e - t e s t a n d P o s t - t e s t - T e m p e r a t u r e , H e a t E n e r g y a n d H e a t T r a n s f e r D a t e H o u r 1 . W h e n t w o b o d i e s o f e q u a l m a s s c o l l i d e , t h e t o t a l c h a n g e i n m o m e n t u m a . d e p e n d s o n t h e v e l o c i t i e s o f t h e b o d i e s o n i m p a c t b . d e p e n d s o n t h e a n g l e a t w h i c h t h e t w o b o d i e s c o l l i d e . c . i s e q u a l t o z e r o . d . d e p e n d s o n t h e i m p u l s e g i v e n t o e a c h b o d y o n i m p a c t T h e p a t h o f t h e e a r t h a r o u n d t h e s u n i s : a . a c i r c l e b . a n e l l i p s e c . a p a r a b o l a d . a n o p e n c i r c l e I n c e r t a i n r e l a t i v i s t i c e x p e r i m e n t s , i t h a s b e e n s h o w n t h a t a . t h e m a s s o f a n o b j e c t i n c r e a s e s a s i t s v e l o c i t y i n c r e a s e s . b . m a s s a n d w e i g h t a r e e q u i v a l e n t . c . p o t e n t i a l e n e r g y a n d k i n e t i c e n e r g y a r e t h e s a m e . d . h e a t i s n o t a c t u a l l y a f o r m o f e n e r g y . I n a n e l e c t r i c c i r c u i t , w h i c h o f t h e f o l l o w i n g i s a b s o l u t e l y n e c e s s a r y ? a . a f u s e b . a s w i t c h c . a c o m p l e t e p a t h d . a d r y c e l l I f t h e m a g n e t i c d o m a i n s i n a b a r o f i r o n a r e r a n d o m l y o r i e n t e d , t h e i r o n b a r a . w i l l b e s t r o n g l y m a g n e t i z e d . b . w i l l h a v e a v e r y w e a k o r n o n e x i s t e n t fi e l d . c . w i l l b e r e p e l l e d b y a p e r m a n e n t m a g n e t . d . w i l l l i n e u p i n a n o r t h - s o u t h d i r e c t i o n w h e n s u s p e n d e d b y a s t r i n g . A s u b s t a n c e ’ s t e m p e r a t u r e i n c r e a s e s a s a d i r e c t r e s u l t o f e n e r g y b e i n g r e m o v e d f r o m t h e p a r t i c l e s o f t h e s u b s t a n c e . k i n e t i c e n e r g y b e i n g a d d e d t o t h e p a r t i c l e s o f t h e s u b s t a n c e . a c h a n g e i n t h e n u m b e r o f a t o m s a n d m o l e c u l e s i n a s u b s t a n c e . 3 d e c r e a s e i n t h e v o l u m e o f t h e s u b s t a n c e . 6 5 7 . 1 0 . 1 1 . 1 2 . 1 3 . 1 4 . 1 5 . P r e - t e s t a n d P o s t - t e s t - T e m p e r a t u r e , H e a t E n e r g y a n d H e a t T r a n s f e r W h a t h a p p e n s t o t h e i n t e r n a l e n e r g y o f a n i d e a l g a s w h e n i t i s h e a t e d f r o m 0 ° C t o 4 ° C ? a . I t i n c r e a s e s . c . I t r e m a i n s c o n s t a n t . b . I t d e c r e a s e s . d . I t i s i m p o s s i b l e t o d e t e r m i n e . W h i c h o f t h e f o l l o w i n g b e s t d e s c r i b e s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t w o s y s t e m s i n t h e r m a l e q u i l i b r i u m ? a . N o n e t e n e r g y i s e x c h a n g e d . c . T h e m a s s e s a r e e q u a l . b . T h e v o l u m e s a r e e q u a l . d . T h e v e l o c i t y i s z e r o . W h a t i s t h e t e m p e r a t u r e o f a s y s t e m i n t h e r m a l e q u i l i b r i u m w i t h a n o t h e r s y s t e m m a d e u p o f i c e a n d w a t e r a t 1 a t r n o f p r e s s u r e ? a . 0 ° C 0 . 0 K b . 2 7 3 K d . 1 0 0 ° K A l l o f t h e f o l l o w i n g a r e w i d e l y u s e d t e m p e r a t u r e s c a l e s E X C E P T a . K e l v i n c . C e l s i u s b . F a h r e n h e i t d . J o u l e l f e n e r g y i s t r a n s f e r r e d f r o m a t a b l e t o a b l o c k o f i c e m o v i n g a c r o s s t h e t a b l e , w h i c h o f t h e f o l l o w i n g s t a t e m e n t s i s t r u e ? a . T h e t a b l e a n d t h e i c e a r e a t t h e r m a l e q u i l i b r i u m . b . T h e i c e i s c o o l e r t h a n t h e t a b l e . c . T h e i c e i s n o l o n g e r 0 ° C . d . E n e r g y i s b e i n g t r a n s f e r r e d f r o m t h e i c e t o t h e t a b l e . H i g h t e m p e r a t u r e i s r e l a t e d t o a . l o w k i n e t i c e n e r g y . 0 . n o d i f f e r e n c e i n k i n e t i c e n e r g y . b . h i g h k i n e t i c e n e r g y . d . z e r o n e t e n e r g y . T h e u s e o f fi b e r g l a s s i n s u l a t i o n i n t h e o u t e r w a l l s o f a b u i l d i n g i s i n t e n d e d t o m i n i m i z e e n e r g y t r a n s f e r t h r o u g h w h a t p r o c e s s ? a . c o n d u c t i o n c . c o n v e c t i o n b . r a d i a t i o n d . v a p o r i z a t i o n W h i c h o f t h e f o l l o w i n g i s t h e e q u i v a l e n t o f 8 8 ° F ? a . 3 1 ° C c . 5 6 ° C b . 4 9 ° C d . 1 6 0 ° C W h a t i s t h e t e m p e r a t u r e i n c r e a s e o f w a t e r p e r g r a m a t t h e b o t t o m o f a 1 4 5 m w a t e r f a l l i f a l l o f t h e i n i t i a l p o t e n t i a l e n e r g y i s t r a n s f e r r e d a s h e a t t o t h e w a t e r ? ( 9 = 9 . 8 1 m / s 2 a n d c p = 4 . 1 9 J l g - ° C ) . a . 0 . 1 7 0 ° C c . 0 . 6 8 0 ’ C b . 0 . 3 4 0 ’ C d . 1 9 4 ° C 6 6 P r e - t e s t a n d P o s t - t e s t - T e m p e r a t u r e , H e a t E n e r g y a n d H e a t T r a n s f e r 1 6 . A 2 0 0 9 m a s s o f m e t a l w i t h a s p e c i fi c h e a t c a p a c i t y o f 1 . 2 6 J l g - ° C a n d a n i n i t i a l t e m p e r a t u r e o f 9 0 ° C i s p l a c e d i n a 5 0 0 g c a l o r i m e t e r a t a n i n i t i a l t e m p e r a t u r e o f 2 0 ° C w i t h a s p e c i fi c h e a t c a p a c i t y o f 4 . 1 9 J l g - ° C . T h e c a l o r i m e t e r i s fi l l e d w i t h 1 0 0 g o f w a t e r w i t h a n i n i t i a l t e m p e r a t u r e o f 2 0 ° C . W h e n t h e c o m b i n a t i o n o f t h e m e t a l , t h e c a l o r i m e t e r , a n d t h e w a t e r r e a c h e s e q u i l i b r i u m , w h a t i s t h e fi n a l t e m p e r a t u r e ? a . 7 0 ° C 0 . 5 0 ° C b . 6 0 ° C d . 4 0 ° C 1 7 . F i n d t h e fi n a l e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e w h e n 1 0 . 0 g o f m i l k a t 1 0 0 ° C i s a d d e d t o 1 . 6 0 x 1 0 2 g o f c o f f e e a t a t e m p e r a t u r e o f 9 0 0 ° C . A s s u m e t h e s p e c i fi c h e a t s o f c o f f e e a n d m i l k a r e t h e s a m e f o r w a t e r ( c W = 4 . 1 9 J l g - ° C ) a n d d i s r e g a r d t h e h e a t c a p a c i t y o f t h e c o n t a i n e r . a . 8 5 . 3 ’ C c . 7 1 . 4 “ C b . 7 7 . 7 ° C d . 6 6 7 ° C 1 8 . H e a t i s a p h y s i c a l q u a n t i t y m o s t c l o s e l y r e l a t e d t o a . t e m p e r a t u r e . b . f r i c t i o n . c . e n e r g y . d . m o m e n t u m 1 9 . T w o t h e r m o m e t e r s , o n e c a l i b r a t e d i n t h e C e l s i u s s c a l e a n d t h e o t h e r i n t h e F a h r e n h e i t s c a l e , a r e u s e d t o m e a s u r e t h e s a m e t e m p e r a t u r e . T h e n u m e r i c a l r e a d i n g o n t h e F a h r e n h e i t t h e r m o m e t e r a . i s p r o p o r t i o n a l t o t h a t o n t h e C e l s i u s t h e r m o m e t e r . b . i s g r e a t e r t h a n t h a t o n t h e C e l s i u s t h e r m o m e t e r . c . i s l e s s t h a n t h a t o n t h e C e l s i u s t h e r m o m e t e r . d . m a y b e g r e a t e r o r l e s s t h a n t h a t o n t h e C e l s i u s t h e r m o m e t e r . 2 0 . A t e m p e r a t u r e o f 1 0 0 ° F i s a l m o s t e x a c t l y a . 3 8 ° C c . 5 6 ° C b . 1 2 2 ° C d . 2 1 2 ° C 2 1 . T w o b l o c k s o f l e a d , o n e t w i c e a s h e a v y a s t h e o t h e r , a r e b o t h a t 5 0 ° C . T h e r a t i o o f t h e i n t e r n a l e n e r g y c o n t e n t o f t h e h e a v i e r b l o c k t o t h a t o f t h e l i g h t e r b l o c k i s a . ‘ / 2 c . 1 b . 2 d . 4 6 7 P r e - t e s t a n d P o s t - t e s t - T e m p e r a t u r e , H e a t E n e r g y a n d H e a t T r a n s f e r 2 2 . T h e q u a n t i t y o f h e a t r e q u i r e d t o c h a n g e t h e t e m p e r a t u r e o f a u n i t a m o u n t o f a s u b s t a n c e b y 1 ° i s c a l l e d i t s a . s p e c i fi c h e a t c a p a c i t y . b . h e a t o f f u s i o n . c . h e a t o f v a p o r i z a t i o n . d . m e c h a n i c a l e q u i v a l e n t o f h e a t . 2 3 . 0 f t h e f o l l o w i n g s u b s t a n c e s , t h e o n e w h i c h r e q u i r e s t h e g r e a t e s t a m o u n t o f h e a t p e r k g f o r a g i v e n i n c r e a s e i n t e m p e r a t u r e i s a . i c e c . s t e a m b . w a t e r d . c o p p e r 2 4 . B o d y A i s a t a h i g h e r t e m p e r a t u r e t h a n b o d y 8 . W h e n t h e y a r e p l a c e d i n c o n t a c t , h e a t w i l l fl o w f r o m A t o B a . o n l y i f A h a s t h e g r e a t e r i n t e r n a l e n e r g y c o n t e n t . b . o n l y i f b o t h a r e fl u i d s . 0 . o n l y i f A i s o n t o p o f B . d . u n t i l b o t h h a v e t h e s a m e t e m p e r a t u r e . 2 5 . W h e n a v a p o r c o n d e n s e s i n t o a l i q u i d , a . i t a b s o r b s h e a t . b . i t e v o l v e s h e a t . c . i t s t e m p e r a t u r e r i s e s . d . i t s t e m p e r a t u r e d r o p s . 2 6 . T h e h e a t o f v a p o r i z a t i o n o f a s u b s t a n c e i s a . l e s s t h a n i t s h e a t o f f u s i o n . b . e q u a l t o i t s h e a t o f f u s i o n . c . g r e a t e r t h a n i t s h e a t o f f u s i o n . d . a n y o f t h e a b o v e , d e p e n d i n g o n t h e n a t u r e o f t h e s u b s t a n c e . 2 7 . T h e f r e e z i n g p o i n t o f a s u b s t a n c e i s a l w a y s l o w e r t h a n i t s a . m e l t i n g p o i n t . b . b o i l i n g p o i n t . c . h e a t o f f u s i o n . d . h e a t o f v a p o r i z a t i o n . 2 8 . T h e r a t i o b e t w e e n t h e e n e r g y d i s s i p a t e d i n s o m e p r o c e s s a n d t h e h e a t t h a t a p p e a r s a s a r e s u l t i s c a l l e d t h e a . J o u l e . b . k i l o c a l o r i e . c . s p e c i fi c h e a t c a p a c i t y . d . m e c h a n i c a l e q u i v a l e n t o f h e a t . 6 8 ? p 9 9 P r e - t e s t a n d P o s t - t e s t - T e m p e r a t u r e , H e a t E n e r g y a n d H e a t T r a n s f e r 2 9 . A 6 1 - k g w o m a n e a t s a b a n a n a w h o s e e n e r g y c o n t e n t i s 1 0 0 k c a l . I f t h i s e n e r g y w e r e u s e d t o r a i s e h e r f r o m t h e g r o u n d , h e r a p p r o x i m a t e h e i g h t w o u l d b e a . 0 . 7 m c . 7 m b . 7 0 m d . 7 0 0 m 3 0 . I f a t h r e a d e d m e t a l l i d o n a g l a s s j a r i s s t u c k , p r o b a b l y t h e s a f e s t m e t h o d o f u n s c r e w i n g t h e l i d i s t o fi r s t a . p l a c e t h e w h o l e j a r i n b o i l i n g w a t e r . b . p l a c e t h e w h o l e j a r i n t h e f r e e z i n g c o m p a r t m e n t o f a r e f r i g e r a t o r . c . p a c k t h e l i d w i t h a b a g o f i c e . d . p u t o n l y t h e l i d i n h o t w a t e r . 3 1 . I n a d e e p , f r e s h w a t e r p o n d i n w i n t e r w h e n t h e a i r t e m p e r a t u r e i s - 1 0 ° C a . t h e w a t e r a t t h e b o t t o m i s a b o u t 4 ° C . b . t h e i c e o n t h e s u r f a c e i s a t 2 ° C . c . t h e t e m p e r a t u r e o f t h e w a t e r i s t h e s a m e a t a l l l e v e l s u n d e r t h e i c e . d . t h e c o l d e s t w a t e r i s a t t h e b o t t o m . 3 2 . W h i c h m a t e r i a l w o u l d e x p a n d t h e l e a s t w h e n h e a t e d ? a . w , a = 2 4 x 1 0 ‘ 6 / ° c b . x , 0 = 1 7 x 1 0 ‘ l ° C c . Y , a = 1 0 x 1 0 4 7 c d . z , a = 3 x 1 0 5 I ° C 3 3 . A c a s t - i r o n p i p e 3 0 0 m l o n g i s h e a t e d f r o m — 1 0 ° C t o 1 5 0 ° C . W h a t i s t h e c h a n g e i n l e n g t h o f t h e p i p e ? ( 0 = 1 1 x 1 0 9 ° C ) a . 4 . 8 0 m c . 5 2 . 8 m b . 0 . 5 2 8 m d . 5 . 2 8 m 3 4 . A h e a v y c r a t e i s p u s h e d a l o n g a c o n c r e t e fl o o r a d i s t a n c e o f 5 0 . 0 m . I f t h e f o r c e o f f r i c t i o n i s 1 5 . 0 N , t h e h e a t p r o d u c e d i s : a . 1 8 0 c a l c . 0 . 7 9 2 c a l b . 1 . 8 0 c a l d . 3 . 1 2 x 1 0 ' 3 3 5 . H o w m u c h h e a t i s n e e d e d t o r a i s e t h e t e m p e r a t u r e o f a 2 0 0 - g b l o c k o f a l u m i n u m f r o m 2 0 0 ° C t o t h e b o i l i n g p o i n t o f w a t e r ? ( 0 o f a l u m i n u m = 0 . 2 1 0 c a l / g - ° C ) 1 . 6 0 x 1 0 ‘ c a l 3 . 3 6 x 1 0 3 0 a l 7 . 6 2 x 1 0 ‘ c a l 3 . 7 8 x 1 0 3 c a l 6 9 0 . 0 . 9 ) D E O C 3 6 . 3 7 . 3 8 . P r e - t e s t a n d P o s t - t e s t - T e m p e r a t u r e , H e a t E n e r g y a n d H e a t T r a n s f e r I n c o n d u c t i n g a n i n v e s t i g a t i o n o n h o w m u c h h e a t i s a b s o r b e d b y t h e m e l t i n g o f i c e , y o u u s e a c a l o r i m e t e r , b e a k e r s , i c e c u b e s , a t h e r m o m e t e r a n d a l a b o r a t o r y b a l a n c e . W h i c h o f t h e f o l l o w i n g m i g h t b e a s o u r c e o f e r r o r ? a . l c e c u b e s a r e p l a c e d i n t h e c a l o r i m e t e r w i t h d r o p s o f w a t e r o n t h e m . T h e w a r m w a t e r i n t h e c a l o r i m e t e r c u p i s a t 2 5 ° C . T h e i c e c u b e s a r e a t e x a c t l y 0 ° C . T h e w a r m w a t e r a n d i c e c u b e s w e r e s t i r r e d i n t h e c a l o r i m e t e r c u p . W h i c h o f t h e f o l l o w i n g s t a t e m e n t s a b o u t t h e h e a t o f f u s i o n i s c o r r e c t ? a . T h e s y m b o l f o r h e a t o f f u s i o n i s A Q . b . H e a t o f f u s i o n i s t h e a m o u n t o f h e a t a b s o r b e d w h e n a u n i t m a s s o f a s o l i d m e l t s w i t h o u t c h a n g e i n t e m p e r a t u r e . c . H e a t o f f u s i o n i s m e a s u r e d i n N / c m . d . T h e h e a t o f f u s i o n i s t h e c h a n g e i n t e m p e r a t u r e o f a s u b s t a n c e w h e n i t f r e e z e s o r m e l t s . l f 2 . 0 k g o f i c e a r e u s e d t o c h i l l s o m e c a n s o f s o f t d r i n k a n d t h e i c e m e l t s c o m p l e t e l y , h o w m u c h h e a t d o e s t h e i c e a b s o r b ? ( A s s u m e t h a t t h e t e m p e r a t u r e o f t h e i c e w a t e r d o e s n o t c h a n g e . ) a . 1 6 0 c a l b . 1 6 c a l c . 1 6 x 1 0 4 c a l d . 1 6 x 1 0 3 c a l U s e t h e f o l l o w i n g t a b l e t o a n s w e r Q u e s t i o n 3 9 3 9 . 4 0 . L i q u i d H e a t o f v a p o r i z a t i o n ( c a l / g ) 2 0 4 2 6 3 5 4 0 W h i c h l i q u i d i s b e s t t o u s e a s a c o o l a n t i n a u t o m o b i l e e n g i n e s ? a . A c . C b . B d . D W a t e r b o i l s a t l o w e r t e m p e r a t u r e s a t h i g h a l t i t u d e s b e c a u s e a . t h e w a t e r i s i n d y n a m i c e q u i l i b r i u m w i t h t h e a i r . b . w h e n t h e p r e s s u r e o f a i r i s r e d u c e d , t h e m o l e c u l e s o f w a t e r c a n m o r e e a s i l y e s c a p e . c . m o l e c u l e s o f w a t e r r e q u i r e m o r e e n e r g y t o b e c o m e g a s m o l e c u l e s a t r e d u c e d p r e s s u r e . d . t h e s p e e d o f w a t e r m o l e c u l e s i s r e d u c e d . 7 0 ? ? 9 9 P r e - t e s t a n d P o s t - t e s t - T e m p e r a t u r e , H e a t E n e r g y a n d H e a t T r a n s f e r 4 1 . A c o p p e r r o d 1 . 0 m l o n g i n c r e a s e s i n l e n g t h 1 . 7 x 1 0 ' 5 m w h e n h e a t e d 1 . 0 ° C . I f a c o p p e r r o d 1 0 0 . 0 m l o n g a t 2 0 . 0 ° C i s h e a t e d t o 5 0 ° C w h a t w i l l b e t h e i n c r e a s e i n l e n g t h i n c m ? a . 5 . 1 0 c m c . 0 . | 0 5 1 c m b . 5 1 c m d . 5 1 0 c m 4 2 . H o w m a n y c a l o r i e s a r e n e e d e d t o r a i s e t h e t e m p e r a t u r e o f 3 0 0 g o f w a t e r f r o m 1 0 ° C t o 1 0 0 ° C ? a . 3 . 0 x 1 0 5 c a l b . 2 7 c a l c . 2 7 0 c a l d . 2 . 7 x 1 0 ‘ c a l 4 3 . H o w m u c h h e a t i s r e q u i r e d t o r a i s e t h e t e m p e r a t u r e o f a 5 0 — g b a l l o f c a s t - i r o n f r o m 1 0 ° C t o 8 0 ° C ? ( 6 o f c a s t - i r o n = 0 . 1 2 c a l l g - ° C ) a . 3 . 5 x 1 0 3 c a l b . 4 . 2 c a l c . 4 . 2 x 1 0 2 c a l d . 4 . 2 x 1 0 3 c a l 4 4 . T h e h e a t o f f u s i o n f o r w a t e r i s a b o u t 8 0 c a l / g . T h i s s t a t e m e n t i s t h e s a m e a s s a y i n g t h a t a . w h e n i c e m e l t s , i t g a i n s h e a t e n e r g y . b . w h e n i c e r e c e i v e s h e a t e n e r g y , t h e m o l e c u l e s s p e e d u p . c . w h e n i c e m e l t s , i t c h a n g e s t e m p e r a t u r e . d . h e a t i s a b s o r b e d b y m e l t i n g i c e w i t h o u t a t e m p e r a t u r e c h a n g e . 4 5 . H o w m u c h h e a t i s n e e d e d t o m e l t 0 . 5 k g o f c o p p e r ? ( h e a t o f f u s i o n o f c o p p e r = 4 9 c a l / g ) a . 2 . 4 x 1 0 2 c a l b . 2 . 4 x 1 0 4 c a l c . 2 4 c a l d . 2 . 4 x 1 0 3 c a l 4 6 . S w i m m e r s f e e l c o o l w h e n t h e y g e t o u t o f t h e w a t e r , e v e n t h o u g h t h e a i r i s w a r m e r t h a n t h e w a t e r b e c a u s e a l l w a t e r m o l e c u l e s h a v e t h e s a m e s p e e d . t h e f o r c e s a t t r a c t i n g w a t e r m o l e c u l e s t o g e t h e r b e c o m e s t r o n g e r . w a t e r m o l e c u l e s g a i n h e a t i n t h e p r o c e s s o f e v a p o r a t i o n . w a t e r m o l e c u l e s o n l y e v a p o r a t e a t t h e b o i l i n g p o i n t . 7 1 P r e - t e s t a n d P o s t - t e s t - T e m p e r a t u r e , H e a t E n e r g y a n d H e a t T r a n s f e r 4 7 . A n a m a t e u r e x p l o r e r i n t h e A r c t i c r e p o r t e d t h a t t h e t e m p e r a t u r e o f i c e d e e p i n a g l a c i e r w a s - 2 8 0 ° C . Y o u k n o w t h i s s t a t e m e n t i s i n c o r r e c t b e c a u s e a . i c e c a n n o t b e c o l d e r t h a n 0 ° C . b . t h e e x p l o r e r w a s n o t a s c i e n t i s t . c . a b s o l u t e z e r o i s — 2 7 3 ° C . d . t h e r e a r e n o g l a c i e r s i n t h e A r c t i c . 1 1 0 - g s o l i d i s c o m p l e t e l y m e l t e d i n a w e l l - i n s u l a t e d c a l o r i m e t e r , u s i n g a h e a t s o u r c e t h a t d e l i v e r s 1 0 0 c a l / m i n . ( A s s u m e n o h e a t i s t r a n s f e r r e d t o t h e c a l o r i m e t e r . ) U s e t h e h e a t i n g c u r v e o f t h e s u b s t a n c e t o a n s w e r Q u e s t i o n s 4 8 - 5 0 . T h e h e a t i n g c u r v e i s o n a s e p a r a t e p i e c e o f p a p e r . 4 8 . T h e s p e c i fi c h e a t c a p a c i t y o f t h e s o l i d i n c a l l g - C i s a p p r o x i m a t e l y : a . 0 . 5 0 c . 1 . 7 b . 0 . 5 7 d . 1 . 8 4 9 . B e t w e e n 2 . 0 m i n u t e s a n d 6 . 0 m i n u t e s , a . t h e h e a t s o u r c e w a s t u r n e d o f f . b . t h e k i n e t i c e n e r g y o f t h e m o l e c u l e s i n c r e a s e d . c . t h e p o t e n t i a l e n e r g y o f t h e m o l e c u l e s i n c r e a s e d . d . t h e i n t e r n a l e n e r g y o f t h e s u b s t a n c e i s u n c h a n g e d . 5 0 . T h e h e a t o f f u s i o n o f t h e s u b s t a n c e i s : a . 6 . 0 x 1 0 2 c a l / g b . 4 . 0 x 1 0 2 c a l / g c . 4 0 c a l / g d . 2 0 c a l / g . 5 1 - 8 0 a r e s h o r t a n s w e r q u e s t i o n s ( A n s w e r s m a y b e c o m p l e t e d w i t h 2 - 3 s e n t e n c e s ) 5 1 . T h e s p e e d o f a b a l l i n c r e a s e s a s i t r o l l s d o w n a n i n c l i n e a n d d e c r e a s e s a s i t r o l l s u p a n i n c l i n e . W h a t h a p p e n s t o i t s s p e e d o n a s m o o t h , h o r i z o n t a l s u r f a c e ? 5 2 . W h a t d i d N e w t o n d i s c u s s a b o u t g r a v i t y ? 7 2 P r e - t e s t a n d P o s t - t e s t - T e m p e r a t u r e , H e a t E n e r g y a n d H e a t T r a n s f e r 5 3 . W h a t d o e s i t m e a n t o s a y t h e s p e e d o f l i g h t i s c o n s t a n t ? 5 4 . H o w d o e s p e r s p i r a t i o n g i v e t h e b o d y a m e a n s o f c o o l i n g i t s e l f ? 5 5 . A j a r o f w a t e r i s s h a k e n v i g o r o u s l y . W h a t b e c o m e s o f t h e w o r k t h a t i s d o n e ? 5 6 . W h i c h i s m o r e e f f e c t i v e i n c o o l i n g a d r i n k , 1 0 g o f w a t e r a t 0 ° C o r 1 0 g o f i c e a t 0 ° C ? W h y ? 5 7 . W h y w o u l d c o v e r i n g m o s t o f t h e b o d y k e e p a p e r s o n c o o l i n t h e d e s e r t ? 5 8 . W h y d o e s t u r n i n g t h e fl a m e h i g h e r u n d e r a p a n o f b o i l i n g w a t e r n o t r e d u c e t h e t i m e n e e d e d t o c o o k a n e g g i n t h e w a t e r ? 5 9 . W h e n a c e r t a i n q u a n t i t y o f v a p o r c o n d e n s e s i n t o a l i q u i d , w h a t h a p p e n s t o i t s i n t e r n a l e n e r g y c o n t e n t a n d t o i t s t e m p e r a t u r e ? 6 0 . W h a t i s t h e p r i n c i p a l m e a n s o f h e a t t r a n s f e r f r o m a h o t o b j e c t t o a c o l d o b j e c t w h e n t h e y a r e s e p a r a t e d b y : a . a v a c u u m ? b . a s o l i d m e t a l ? c . A g a s w h e n t h e w a r m e r o b j e c t i s b e n e a t h t h e c o o l e r o b j e c t ? 7 3 P r e - t e s t a n d P o s t - t e s t - T e m p e r a t u r e , H e a t E n e r g y a n d H e a t T r a n s f e r 6 1 . W h a t m e t h o d o f h e a t t r a n s f e r i s u s e d t o h e a t t h e u p s t a i r s o f a h o u s e w i t h a f u r n a c e i n t h e b a s e m e n t ? 6 2 . H o w i s h e a t t r a n s f e r f r o m t h e s u n t o t h e e a r t h a c c o m p l i s h e d ? 6 3 . T h e p h a s e c h a n g e f r o m w a t e r t o i c e c a n l e a d t o t h e c r a c k i n g o f r o c k s a n d t h e d e s t r u c t i o n o f h i g h w a y s . E x p l a i n . 6 4 . E t h y l a l c o h o l h a s a b o u t o n e h a l f t h e s p e c i fi c h e a t o f w a t e r . I f e q u a l m a s s e s o f a l c o h o l a n d w a t e r i n s e p a r a t e b e a k e r s a r e s u p p l i e d w i t h t h e s a m e a m o u n t o f h e a t , c o m p a r e t h e t e m p e r a t u r e i n c r e a s e s o f t h e t w o l i q u i d s . 6 5 . I n a d a r i n g l e c t u r e d e m o n s t r a t i o n , a n i n s t r u c t o r d i p s h e r w e t t e d fi n g e r s i n t o m o l t e n l e a d ( 3 2 7 ° C ) a n d w i t h d r a w s t h e m q u i c k l y w i t h o u t g e t t i n g b u r n e d . H o w i s t h i s p o s s i b l e ? 6 6 . W h y c a n y o u g e t a m o r e s e v e r e b u r n f r o m s t e a m a t 1 0 0 ° C t h a n f r o m w a t e r a t 1 0 0 ° C ? 6 7 . I f y o u h o l d w a t e r i n a p a p e r c u p o v e r a fl a m e , y o u c a n b r i n g t h e w a t e r t o a b o i l w i t h o u t b u r n i n g t h e c u p . H o w i s t h i s p o s s i b l e ? 7 4 P r e - t e s t a n d P o s t - t e s t - T e m p e r a t u r e , H e a t E n e r g y a n d H e a t T r a n s f e r 6 8 . H o w m a n y d e g r e e s a r e b e t w e e n t h e m e l t i n g p o i n t o f i c e a n d b o i l i n g p o i n t o f w a t e r o n t h e C e l s i u s s c a l e ? F a h r e n h e i t s c a l e ? 6 9 . I n t e r m s o f d i f f e r e n c e s i n t e m p e r a t u r e b e t w e e n o b j e c t s i n t h e r m a l c o n t a c t , i n w h a t d i r e c t i o n d o e s h e a t fl o w ? 7 0 . W h a t d o e s i t m e a n t o s a y t h a t a m a t e r i a l h a s a h i g h o r l o w s p e c i fi c h e a t c a p a c i t y ? 7 1 . W h y d o e s a b i m e t a l l i c s t r i p c u r v e w h e n i t i s h e a t e d ( o r c o o l e d ) ? 7 2 . W h y d o l a k e s a n d p o n d s f r e e z e f r o m t h e t o p d o w n r a t h e r t h a n f r o m t h e b o t t o m u p ? 7 3 . W h a t i s t h e r o l e o f “ l o o s e ” e l e c t r o n s i n h e a t c o n d u c t o r s ? 7 4 . W h y a r e m a t e r i a l s s u c h a s w o o d , f u r , f e a t h e r s a n d e v e n s n o w g o o d i n s u l a t o r s ? 7 5 P r e - t e s t a n d P o s t - t e s t - T e m p e r a t u r e , H e a t E n e r g y a n d H e a t T r a n s f e r 7 5 . D o m i n o e s a r e p l a c e d u p r i g h t i n a r o w , o n e n e x t t o a n o t h e r . W h e n o n e i s t i p p e d o v e r , i t k n o c k s a g a i n s t i t s n e i g h b o r , w h i c h d o e s t h e s a m e i n c a s c a d e f a s h i o n u n t i l t h e w h o l e r o w c o l l a p s e s . W h i c h o f t h e t h r e e t y p e s o f h e a t t r a n s f e r i s t h i s m o s t s i m i l a r t o ? 7 6 . W h i c h w i l l n o r m a l l y c o o l f a s t e r , a b l a c k p o t o f h o t t e a o r a s i l v e r p o t o f h o t t e a ? 7 7 . W h i c h w i l l u n d e r g o t h e g r e a t e r r a t e o f c o o l i n g , a r e d - h o t p o k e r i n a w a r m o v e n o r a r e d - h o t p o k e r i n a c o l d r o o m ( o r d o b o t h c o o l a t t h e s a m e r a t e ) ? 7 8 . W h a t i s e v a p o r a t i o n a n d w h y i s i t a l s o a c o o l i n g p r o c e s s ? 7 9 . W h y i s b e i n g b u r n e d b y s t e a m m o r e d a m a g i n g t h a n b e i n g b u r n e d b y b o i l i n g w a t e r o f t h e s a m e t e m p e r a t u r e ? 8 0 . W h a t i s t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n e v a p o r a t i o n a n d b o i l i n g ? 7 6 fi y l g n b r t s g l l l ‘ , , t a 6 ! i e e : , % % A 0 0 0 n r 7 7 y 4 ’ g 4 4 e a s g i n D 4 . A A a ‘ _ l l h c A l l % , % % % a 5 0 0 0 x r E 3 t u t e a N 2 7 e H , l , l ‘ A 3 1 - % fi r 6 4 7 8 1 A 1 % 3 e e 8 A 5 3 f ‘ e j 2 7 . s g n a A 2 . _ r 2 ” l . 1 l 1 1 T ‘ t 7 % % % % ! . 2 2 7 4 4 6 z . A ‘ r e t n g i t t A a e b g A a 3 1 2 e h f 9 s s e n e v i t i c e f f E e h t e s m e v p n l i e r h e s d e . n u f d n a g n T i n i : y t u i v c i i e t p v A r u S A c o a t A y e r h o t t A t a d n r n e o g b a t A t s e r e t n i e r e w s b d a a s L l u t S r e e d n e h l . A A h T u i T 2 4 7 7 E l 4 z . 4 . 4 . 4 . 4 . L . . z . S t r o n g l y l # A _ A A S t a t e m e n t _ _ A g r _ _ l 1 l P r i o r t o t h i s u n i t I d i d n o t k n o w m u c h 1 l # A a b o u t h e a t o r h e a t t r a n s f e r 5 0 % _ l _ 7 + fi . z 4 . 4 4 4 4 , . ’ 7 l 3 [ T h e l a b s w e r e s p e c i fi c w i t h r e s p e c t t o 1 . ‘ ‘ | t o p i c a n d h e l p e d w i t h a s s o c i a t e d p r o b l e m , ' s o l v i n g . 4 2 % ) 5 8 % 0 % A 0 % . a , . 4 . ‘ _ _ ’ g E _ _ . l 4 _ ~ 3 3 % 2 5 % _ A A 0 % l l 5 l T h e l a b s w e r e w e l l o r g a n i z e d . l l 6 i T h e l a b s m a d e t h e t o p i c s e a s i e r t o u n d e r s t a n d . D i s a r e e b 9 _ . 4 a s 0 ° / 0 ‘ 7 5 0 % . 0 % 0 % 0 % . . % % 2 § 4 % 6 7 0 5 . 3 1 . . , . , % 3 % % % % 2 3 8 7 3 6 4 - - 5 6 , o / 2 7 1 . % 3 T T e h t t u d o n b a s k n n o i h i t t s e ‘ % 2 4 s r a t y a h e t g n i n r a a l W c d l n y a l t e l y t e m o t n a s r o e t i s d d e é n e u u m l a a e o u m q e , s d i a i m r a g i v e n t g t : f i o n C e o b i i s e m y l s a n n a o i b s . d h P t e O r L e y y m r w ? b g e s * 1 s v p ” e n e l i f a i n t l u l o c s n e e 0 h i r k v t e a i n r h o e a r t e t m u a b P c T c p ‘ a - 7 8 7 1 4 r l . i n v e s t i g a t i q n - A T h e l a b s w e r e r e a s o n e b l y e a s y t o f o l l o w . i n t e r a c t i o n w i t h m y p a r t n e r a n d g r o u p a c t i v i t i e s m a d e m e a m o r e r e s p o n s i b l e l b e c a m e a b e t t e r w r i t e r a s a r e s u l t o f [ t h e s e l a b a c t i v i t i e s ; T h e o b j e c t i v e o f t h e l a b a l l o w e d m e t o s e e h o w t h e p r o c e s s f o l l o w e d w o u l d A r o d u c e g a n o u t c o m e . A A A _ A ‘ h e i n t r o d u c t i o n a n d b a c k g r o u n f i n f o r m a t i o n p r o v i d e d w i t h s o m e o f t h e l a b s h e l o p e d m e u n d e r s t a n d t h e _ E r o c e s s . l T h i s a p p r o a c h a n d i t s m u l t i v a r i e d E Y E - 4 3 3 % ? - 5 8 7 0 ; A A 5 0 % , 8 % ) 5 8 % . 2 6 % 1 3 3 % L 6 % 3 3 % 1 0 % 0 % . 9 % . 0 % . 0 : 4 8 7 2 . 0 7 4 0 % S t u d e n t S u r v e y s W h a t c o u l d b e d o n e t o i m p r o v e t h e s e a c t i v i t i e s ? 1 M o r e t e s t i n g a n d q u i z i n g o v e r t h e m a t e r i a l m i x e d i n b e t w e e n t h e l a b s . 2 M o r e n o t e s o n t h e e x p e r i m e n t a f t e r i t i s c o m p l e t e d . 3 S l o w d o w n . D i s c u s s t h e a c t i v i t i e s m o r e . 4 T o o m u c h r e p e t i t i o n ( c a l o r i m e t r y ) 5 W r i t e o u t f u l l l a b r e p o r t s u s i n g w o r k s h e e t s a s g u i d e s . 6 M o r e t i m e t o c o m p l e t e a d d i t i o n a l t r i a l s . 7 M o r e p r e p t i m e i n c l a s s a n d m o r e d i a g r a m s o n l a b s h e e t s . 8 G i v e s t u d e n t s m o r e b a c k g r o u n d i n f o r m a t i o n b e f o r e w e d o t h e e x p e r i m e n t . C o m m u t e : 1 E n j o y e d t h e e x p e r i m e n t s . L a b s a n d a c t i v i t i e s h e l p e d m e g r a s p t h e c o n t e n t s . 2 T h e l a b s e q u e n c e w a s g o o d . 3 T h e l a b s a n d a c t i v i t e s r e l a t e d w e l l t o t h e h o m e w o r k . 4 W i t h t h e h a n d s o n a p p r o a c h I w a s a b l e t o s e e w h a t w a s h a p p e n i n g . T h i s m a d e t h e a c t i v i t i e s m o r e e n j o y a b l e . 5 l w a s l a z y d o i n g t h e l a b r e p o r t s i n a t i m e l y m a n n e r . 6 N e e d t o d e v e l o p a c o m p l e t e l y d i f f e r e n t t e c h n i q u e f o r t h e e x p a n s i o n o f s o l i d s . M e a s u r i n g r o d s w a s b o r i n g . 7 N e e d t o s l o w d o w n a n d d i s c u s s t h e a c t i v i t i e s i n m o r e d e p t h . 8 E n j o y e d t h e v a r i e t y o f l a b s . T h e r e w a s a l w a y s s o m e t h i n g n e w . 9 N e e d e d m o r e t e s t i n g a n d q u i z i n g a f t e r l a b w o r k w a s c o m p l e t e d . 1 0 E n j o y e d w o r k i n g i n c o o p e r a t i v e s i t u a t i o n s . ' 1 1 B e c a m e a w a r e o f t h e v a l u e o f m a k i n g p r e c i s e m e a s u r e m e n t s i n t h e l a b . 1 2 M y w r i t i n g i m p r o v e d a s a r e s u l t o f a l l t h e w o r k d o n e s u m m a r i z i n g t h e l a b s . 1 3 T h e m a j o r i t y o f t h e p e o p l e s e e m e d t o b e h a v i n g a I o t o f f u n . 7 9 t - T e s t : T w o - S a m fl e A A s s u m i n g E q u a l V a r i a n c e s C h a p t e r 1 P r e v s . P o s t T - T e s t V a r i a b l e 1 V a r i a b l e 2 M e a n _ _ _ _ _ _ _ _ _ L : _ _ 6 9 4 E 7 6 1 ” 8 . 0 6 E - 0 1 V a r i a n c e _ : : : : _ _ L 6 . 9 3 E - 0 2 4 9 6 E : 9 2 O b s e r v a t i o n s _ _ _ r _ 1 . 0 0 E + 0 1 1 . 0 0 E + 0 1 P o o l e d V a r i a n c e L : _ 5 . 9 4 E A - _ 0 2 . “ _ _ _ _ H y 6 6 t h e s i z e d M e a n D i f f e r e n c e A L A , 0 . 0 0 E + A 0 0 L L _ d f _ _ . _ _ _ _ _ . _ _ 1 . 8 0 E + 0 1 _ L L t S t a t _ _ _ _ _ L L : L A , g _ - 1 . 9 4 E + 0 0 P fl g = t ) _ n e A - t a i l A L L L L i L i 3 4 3 E 4 3 2 _ fl _ _ _ t C r i t i c a l o n e - t a i l : L L L L L _ " 1 _ - 7 _ _ 3 _ E ‘ , ‘ 1 0 0 _ _ _ _ _ : f fl < _ - _ t ) A _ t w t o - t a i l 6 . 8 7 E - 0 2 _ _ L t C r i t i c a l m i c - t a i l 2 . 1 0 E + 0 0 t - T e s i ; [ w 9 3 6 a i n p l e A s s u m i E q u a l V a r i a n c e s C h a p t e r 2 P r e v s . P o s t T e s t V a r i a b l e 1 V a r i a b l e 2 M e a n _ _ : _ _ _ A 3 . 6 3 E A - 0 _ _ 1 5 . 9 8 E - 0 1 V a r i a n c e _ 3 . 4 3 E — _ 0 2 6 . 6 3 E - 0 2 O b s e r v a t i o n s A A l 1 . 3 0 E + 0 1 1 . 3 0 E + 0 1 P o o l e d V a r i a n c e A A : _ A _ A ‘ 4 . 7 3 E - 0 2 A _ A _ _ A A H y p o t h e s i z e d M e a n D i f f e r e n c e _ _ 0 . 0 0 E + 0 0 9 L _ _ _ _ _ L _ _ — l 2 . 4 0 E + 0 1 _ _ _ L _ _ 1 L S i g ; A . - - 2 . 7 6 E + 0 0 _ B fl s fl o n e — t a i l A i _ _ 5 _ - £ 1 5 0 3 _ _ _ : t C r i t i g a i A A o n e - t a i l 1 . 7 1 E + 0 0 _ 3 ( ‘ L < A = t L t w o A - t _ a i l 1 . 1 0 E - 0 2 t C r i t i c a l t w o - t a i l 2 . 0 6 E + 0 0 t - T e s t : T w o - S a m p l e A A s s u r n i n l E q u a l V a r i a n c e s _ _ : C h a p t e r 3 P r e v s . P o s t T e s t V a r i a b l e 1 V a r i a b l e 2 M e a n L : 4 . 8 4 E - 6 1 A 7 A . _ 5 4 E - 0 1 y g i a r fi e 3 . 2 6 E - 0 2 2 . 9 7 E - 0 2 O b s e r v a t i o n s _ _ L 6 _ A 7 . 0 0 E + 0 0 7 . 0 0 E + 0 0 P o o l e d V a r i a n c e A _ : A _ : l 3 . 1 2 E - 0 2 H y p g t h e s r z e d M e a n D i f f _ e _ _ A r e n c e _ _ _ l — 0 . 0 0 E + 0 0 d f A : j w 1 2 0 E + 0 1 I § 1 a t z z z z z z f L 1 - 2 3 2 9 0 0 - _ W £ ( T < = A - t ) o n e - e - t a i l _ R , L _ ; _ _ _ 7 - 1 3 5 ' 0 3 - _ A A L : t C r i t i c a l o n e - t a i l _ _ _ _ _ _ l . 1 . 7 8 E + 0 0 : _ _ P ( L < : _ t ) _ t t w O - t a i l L _ E A 1 . 4 4 E - 0 2 A A _ _ _ A A t C r i t i c a l t w o - t r j 2 . 1 8 E + 0 0 P 8 O t - T e s t : T w o - A S a m p l e A s s u m i n g E q u a l V a r i a n c e s — — 4 C - h a p t e r 4 P r e v s . P o s t t e s t V a r i a b l e 1 V a r i a b l e 2 M e a n A A L _ L _ A A _ _ A L 4 . 1 0 E L - 0 1 A L 7 . 2 L 9 E - _ 0 L 1 A V L a A r i a A r i A c e A L L L L L L 1 L _ . 6 7 E - 0 2 — L 5 4 2 E - A A L 0 2 A Q b A s L L e r v a t i L o A n s L L _ L 8 . 0 0 E + 0 0 8 . 0 0 E + 0 0 A P L o o l e d V a r i L a n c e L L L 3 . 5 4 E - 0 2 p r L h e s i z e d M e a n D i f f e A I L e n c e A L L A A “ M E I E R . L A L L d f A L A A A L A L L ” A 1 . 4 0 E + 0 _ 1 L L A t S t a t L A _ L A A A L A A L A _ i - 3 . 3 9 E + 0 0 L A P _ ( 1 < A = _ t ) _ t o n L e - t a i L L l _ L L _ l 2 . 1 8 E - 0 3 _ L A L t L C A A r i t i c a l o n e j L a i l A A L _ L ' 1 . 7 6 E + 0 0 L A ( l ’ < : _ t ) _ t w o - t a i l L _ L 4 . 3 7 E - 0 3 A t C r i t i c a l t w o - t a i l 2 . 1 4 E + 0 0 t L - T e s t : T w o - S a m p l e A s s u r n L i n g E q u a L I L L V a r i a n c e s l L L C h a p t e r 5 - P r e v s . P b s t t e s t V a r i a b l e 1 V a r i a b l e 2 M e a n A _ 3 . 5 2 E - 0 1 7 . 5 0 E - 0 A J A V A a A A r i A a A n L c e L L _ L _ 1 . 0 3 E - 0 1 5 . 1 5 E - 0 2 O b s e r v a t I o n s _ _ A . _ A A L A A A A l 6 . 0 0 E + 0 0 6 . 9 0 E + 0 0 A P o o l e d V a r i a n c e 7 . 7 4 E - 0 2 i H y p o t h e s i z e d M e a n D i f f e r e n c e A A 0 . 0 0 E + 0 0 L A d f _ . _ _ 1 . 0 0 E + 0 1 A A L A t A S t a t L A - 2 . 4 8 E + 0 0 A L m a m m a l ; . 1 6 3 E _ - 0 2 _ _ _ t C r i t i c a l o n e - t a i l 1 . 8 1 _ E + 0 0 L P fl f f t ) t w o - t a i l L 3 . 2 6 E - 0 2 t C r i t i c a l t w o - t a i l 2 . 2 3 E + 0 0 A t - T e s t : T w o - S a m p l e A s s u m i n g E q u a l V a r i a n c e s C h a p t e r 6 - P r e v s . P o s t t e s t V a r i a b l e 1 V a r i a b l e 2 M § § D _ _ _ _ _ A A _ _ _ _ _ _ _ _ 3 . 8 4 E - 0 1 5 . 8 7 E - 0 1 A \ A / a r i L a n c e A L A A A A A 4 . 0 7 E - 0 2 5 . 2 7 E - 0 2 A 9 6 s e e r L a L t i o n s A L 2 . 3 0 E + 0 1 2 . 3 0 E + 0 1 P o L q u e d A V a r i a n c e L L _ _ 4 . L 6 7 E - 0 2 E v a Q t L h e s i z e d M e a n D i f f e r e n L c e _ . _ 0 L . L 0 0 E + 0 0 L L L d f _ _ _ _ _ _ _ _ L A A . . 4 . 4 0 E + 0 1 i § t g t L A _ A A L A L ‘ 1 3 1 B E j I _ - _ 0 L Q J A _ _ L L P Q < g = g o L n e - A t _ g i i L L L l A 1 3 3 E - 0 3 _ _ A _ A t L C A r i t L i A c a l o n e - A t g i A l L L L ' A A A 1 A 6 8 E + 6 0 A L L P fl < = t i t w t w o - t a i l A L L L A L 2 . L 6 A 6 E - 0 L A 3 A A L t C n t I c a l M o - t a i l 2 . 0 2 E + 0 0 8 1 t - T e s t : _ _ ' [ w o - _ S a m £ l e _ l § s s u _ r _ n _ i n g _ E q u a l V a r i a n c e s _ _ _ . _ _ _ _ _ _ fi C h a p t e r 7 - P r e v s . P o s t t e s t V a n ' a b l e 1 V a r i a b l e 2 M e a n _ _ _ _ 4 . 2 2 E - O 1 6 . 4 4 5 9 1 V a r i a n c e - _ _ - i ? E I - _ 3 . 4 9 E - 0 2 5 . 8 0 E - 0 g g b é g r v a t i o n s _ , i 5 . O O E + 0 0 5 _ . _ 0 0 E + 0 0 fl o w e d V a r i a n c e _ _ _ * _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ " I “ 4 . 6 5 E - 0 2 fi y p o t h e s i z e Q M e a n D i f f e r e n c e _ _ g 0 O Q E + _ O _ 9 _ _ i # d f _ I 8 . 9 0 E + O O A _ _ t § t a t _ _ fi * W I - 1 . 6 3 E + 0 0 % _ _ E 6 5 3 ) t o n e - t a i l # fi _ _ 7 . 0 8 E - _ 0 2 7 * t C r i t i c a l o n e - _ t a I l , _ _ A _ 1 . 8 6 E + 0 0 _ _ fl E Q < = t ) t w o - t — a i l 1 . 4 2 E - 0 1 t C r i t i c a l t w o - t a i l 2 . 3 1 E + 0 0 t - T e s t : T W O - S j p l g fl s s u m i n g E q u a l V a r i a n c e s C o n t r o l - P r e v s . P o s t t e s t V a r i a b l e 1 V a r i a b l e 2 M e a n 5 . 2 1 E - 0 1 5 . 7 6 E - Q 1 V a r i a n c e fi fi fi 1 . 1 2 E - 0 1 7 . 5 8 E - 0 2 O b s e r v a t i o n s I _ I 8 . 0 0 E + 0 0 8 . 0 0 E + 0 0 P o c I e d V a r i a n c e I 9 . 3 9 E - 0 2 H y p o t h e s i z e d M e a n D i f _ f _ e r _ e _ n _ _ c e _ I 0 . 0 0 E + 0 0 _ _ _ _ _ 4 B L “ - _ _ I 1 4 0 5 : 9 1 - _ _ - _ _ E E t S t a t 7 3 . 6 3 E - 0 1 - _ . P ( T < = t ) o n e - t a i l 3 . 6 1 E - 0 1 . I _ _ - t C r i t i c a l o n e - t a i l _ * _ I 1 . 7 6 E + 0 0 E T < _ - = t ) _ _ _ t t w c : t _ a i l _ w _ _ _ _ _ _ _ _ 7 . 2 2 E - 0 1 t C r i t i c a l t W o - t a i l n 2 . 1 4 E + 0 0 8 2 g t ! ) \ 0 a . 3 , 1 1 9 - - ‘ ‘ h : . . 6 \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ f \ \ V * I o \ ° o ; o I o \ ° o o c ° \ ° o o \ 3:::::':;::::j::::::'-:-ij::.::.1.;i \ \ \ \ \ \ \ : \ \ a 5 \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ o \ ° o \ | o \ ° o O ( 0 * ” o o t $ o v ° 5 o m ° \ ° o N ° \ ° O ‘ — g O I s a ; I s o d ' s A I s e l a J d V O Z L I u a p n l s 3 6 6 8 6 3 8 6 ; t s e t t s o P . s v t s e t e r P 8 4 3 2 t n e d u t S . - . 4 . “ % 0 s t o D - t s e t t s o P / s e p i r t S - t s e t e r P 4 . h C 2 . h C l o r t n o C a . / / / / / / % 0 0 0 0 0 O 0 0 9 7 6 4 2 3 1 1 0 0 % 8 0 % 4 4 4 ~ . l o a fi e w a m a d 9 3 / C h . 3 P r e t e s t v s . P o s t t e s t C / h o . 5 f o \ ° 0 * ” 3 ° 6 * ” o \ ° o \ ° o \ ° o \ ° o \ ° o \ ° o \ ° o o o o o o o o o o o o 0 ) c o l \ ( 0 L n < r m N x - ‘ _ a a a a a a a a a 7 . h C 6 . h C 5 . h C t s e t t s o P . s v t s e t e r P 4 3 2 7 t n e d u t S % % 0 0 7 6 9 6 a fi e z u e m a d 1 0 0 % 9 0 % 8 0 % 5 0 % 4 0 % . 3 0 % . 2 0 % A » 1 0 % 0 % r C o n t r o l C h . 1 C h . 2 C h . 3 C h . 4 P r e t e s t v s . P o s t t e s t P r e t e s t - S t r i p e s I P o s t t e s t - D o t s 3 9 3 9 3 9 3 9 3 9 3 9 a ? 3 9 6 3 3 2 6 9 o o o o o o o o o o o m m m m m m m m m m . _ \ O l l w \ 0 \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ ‘ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ ~ S t u d e n t 1 3 5 0 P r e t e s t v s P o s t t e s t : 2 I s : \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ 7 . h C 6 . h C 5 . h C s t o D - t s t s 4 e e t . h t C s o P . t t s o P / s s v e 3 p t s i . r h t e C t e r P S - t s e t 2 e r . P h C o r n o C t s e t t s o P . s v t s e t e r P 9 6 0 1 t n e d u t S ‘ ; \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ 1 0 0 O A P P E N D I X B 1 0 1 B a c k g r o u n d o n H e a t , T h e r m a l E n e r g y a n d T e m p e r a t u r e T h e q u a n t i t a t i v e s t u d y o f h e a t d a t e s f r o m t h e i n v e n t i o n o f t h e c a l o r i m e t e r i n 1 7 6 0 . D r . J o s e p h B l a c k ’ s c a l o r i m e t e r w a s a h o l l o w b l o c k o f i c e w i t h a r e m o v a b l e t o p a n d a t h e r m o m e t e r t o m e a s u r e t h e t e m p e r a t u r e o f s a m p l e s p l a c e d i n s i d e . B l a c k ’ s e x p e r i m e n t s p r o v e d a r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e i c e t h a t m e l t e d a n d t h e l o s s o f h e a t b y t h e o b j e c t s t h a t c a m e i n t o c o n t a c t w i t h t h e i c e . W h e n h e m i x e d s u b s t a n c e s i n t h i s c a l o r i m e t e r t h a t s t a r t e d o u t a t d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s , h e f o u n d h e a t t o b e h a v e a s a n i n d e s t r u c t i b l e f l u i d . H e a t l o s t b y o n e s u b s t a n c e w a s g a i n e d b y a n o t h e r u n t i l t h e y b o t h r e a c h e d a c o m m o n t e m p e r a t u r e . P e o p l e a l r e a d y t h o u g h t h e a t w a s a n i n v i s i b l e fl u i d c a l l e d c a l o r i c t h a t fl o w e d f r o m h o t t o c o l d a n d B l a c k ’ s w o r k l e d t o a w i d e a c c e p t a n c e o f c a l o r i c t h e o r y . T h i r t y y e a r s l a t e r B e n j a m i n T h o m p s o n ( 1 7 5 3 - 1 8 1 4 ) m a d e e x p e r i m e n t a l o b s e r v a t i o n s t h a t s u g g e s t e d c a l o n ' c w a s n o t c o n s e r v e d . T h o m p s o n w a s a n A m e r i c a n s c i e n t i s t w h o e m i g r a t e d t o E u r o p e d u r i n g t h e R e v o l u t i o n a r y W a r , a s h e w a s a n E n g l i s h ( T o r y ) s y m p a t h i z e r . H e w a s a p p o i n t e d d i r e c t o r o f t h e B a v a r i a n a r s e n a l a n d g i v e n t h e t i t l e o f C o u n t R u m f o r d . A s a m e m b e r o f t h e A u s t r i a n A r m y h e w a s i n c h a r g e o f c a n n o n p r o d u c t i o n . H e s u p e r v i s e d t h e b o r i n g o f c a n n o n s i n M u n i c h . A s h e m a n a g e d t h e p r o d u c t i o n o f c a n n o n s h e w o n d e r e d w h y s o m u c h h e a t w a s g e n e r a t e d i n t h e b a r r e l s w h e n t h e r e w a s n o o b v i o u s h e a t s o u r c e . T h e b o r i n g t o o l w a s c o o l e d w i t h w a t e r t h a t w a s c o n s t a n t l y r e p l a c e d a s i t b o i l e d a w a y . H e b e c a m e c u r i o u s , i n v e s t i g a t e d t h e s i t u a t i o n a n d m a d e t h e d i s c o v e r y t h a t t h e r e i s e q u i v a l e n c e b e t w e e n h e a t a n d m e c h a n i c a l w o r k . U s i n g c a l o r i c t h e o r y h e r e a s o n e d t h e a b i l i t y o f m e t a l fi l i n g s ( p r o d u c e d b y t h e b o r i n g t o o l ) t o r e t a i n c a l o r i c s h o u l d d e c r e a s e a s t h e i r s i z e d e c r e a s e d . T h e h e a t e d f i l i n g s t r a n s f e r r e d c a l o r i c t o c o o l i n g w a t e r a n d c a u s e d i t t o b o i l . H e t h e r e f o r e , u s e d b l u n t a n d s h a r p t o o l s a n d f o u n d b o t h b o i l e d a w a y t h e s a m e a m o u n t o f w a t e r . H e n o t i c e d a n i n fi n i t e a m o u n t o f h e a t c o u l d b e p r o d u c e d w i t h o n l y a s m a l l a m o u n t o f fi l i n g s . H e r e j e c t e d c a l o r i c t h e o r y a n d s u g g e s t e d h e a t w a s n o t a s u b s t a n c e b u t s o m e t y p e o f m o t i o n 1 0 2 t r a n s f e r r e d f r o m b o r i n g t o o l t o t h e w a t e r . H e l a t e r s h o w e d t h a t t h e h e a t g e n e r a t e d b y f r i c t i o n w a s p r o p o r t i o n a l t o t h e m e c h a n i c a l w o r k d o n e b y t h e b o r i n g t o o l . O n e h u n d r e d y e a r s l a t e r t h e w o r k o f J o u l e ( 1 8 1 9 - 1 8 8 7 ) , v o n M a y e r ( 1 8 1 4 - 1 8 7 8 ) a n d v o n H e m h o l t z ( 1 8 2 1 - 1 8 9 4 ) l e d c o n c l u s i v e l y t h a t h e a t i s a f o r m o f e n e r g y . J o u l e ’ s e x p e r i m e n t s a l o n g w i t h o t h e r s p r o v e d t h a t w h e n e v e r h e a t w a s g a i n e d o r l o s t b y a s y s t e m d u r i n g s o m e p r o c e s s , t h i s g a i n o r l o s s w a s r e l a t e d t o s o m e e q u i v a l e n t a m o u n t o f w o r k d o n e o n o r b y t h e s y s t e m . J o u l e w r o t e t h e f o l l o w i n g “ W h e n e v e r a l i v i n g f o r c e [ E R ] i s a p p a r e n t l y d e s t r o y e d , w h e t h e r b y p e r c u s s i o n , f r i c t i o n o r a n y s i m i l a r m e a n s , a n e x a c t e q u i v a l e n t o f h e a t i s r e s t o r e d ( p r o d u c e d ) . T h e c o n v e r s e o f t h i s p r o p o s i t i o n i s a l s o t r u e , n a m e l y h e a t c a n n o t b e l e s s e n e d o r a b s o r b e d w i t h o u t t h e p r o d u c t i o n o f l i v i n g f o r c e , o r i t s e q u i v a l e n t a t t r a c t i o n t h r o u g h s p a c e [ E p ] . T h u s , f o r i n s t a n c e , i n t h e s t e a m e n g i n e i t w i l l b e f o u n d t h a t t h e p o w e r g a i n e d a t t h e e x p e n s e o f t h e h e a t o f t h e fi r e - t h a t i s , t h a t t h e h e a t o c c a s i o n e d b y t h e c o m b u s t i o n o f t h e c o a l w o u l d h a v e b e e n g r e a t e r h a d a p a r t o f i t n o t b e e n a b s o r b e d i n p r o d u c i n g a n d m a i n t a i n i n g t h e l i v i n g f o r c e o f t h e m a c h i n e r y . ” M o d e r n d a y o b s e r v a t i o n s r e v e a l e d t h a t a n y m a c r o s c o p i c s y s t e m t h a t i s l e f t u n d i s t u r b e d r e a c h e s a n e q u i l i b r i u m s t a t e . C l o s e a r o o m c o m p l e t e l y t o t h e o u t s i d e a n d t h e h e a t w i t h i n t h e o b j e c t s i n t h e r o o m w i l l fl o w f r o m w a r m e r t o c o o l e r a n d e v e n t u a l l y r e a c h a s t a t e o f t h e r m a l e q u i l i b r i u m t h a t i s c h a r a c t e r i z e d b y a l l t h e o b j e c t s h a v i n g t h e s a m e t e m p e r a t u r e . T h i s t h e r m a l e n e r g y w a s t r a n s f e r r e d a m o n g t h e o b j e c t s i n t h e r o o m b y t h r e e m e c h a n i s m s c o n d u c t i o n , c o n v e c t i o n a n d r a d i a t i o n . C o n d u c t i o n i n v o l v e s t h e t r a n s f e r o f t h e r m a l e n e r g y b y e l e c t r o n o r m o l e c u l a r i n t e r a c t i o n a n d i s a s l o w p r o c e s s . C o n v e c t i o n i n v o l v e s t h e m o v e m e n t o f a p o r t i o n o f a h e a t e d fl u i d f r o m o n e p l a c e t o a n o t h e r a n d i s a r a p i d p r o c e s s . R a d i a t i o n r e f e r s t o t h e e m i s s i o n o r a b s o r p t i o n o f e l e c t r o m a g n e t i c w a v e t h a t t r a v e l s a t t h e s p e e d o f l i g h t . T h e r m a l e n e r g y r e f e r s t o t h e e n e r g y a s s o c i a t e d w i t h t h e r a n d o m m o t i o n ( t o t a l E , a n d E p ) o f m o l e c u l e s a n d a t o m s a n d i t i n c r e a s e s w i t h t e m p e r a t u r e . T h e r e i s n o 1 0 3 p r e c i s e d e fi n i t i o n ( f o r m u l a ) f o r t h e r m a l e n e r g y . H o w e v e r , i f w e w a n t t o b e q u a n t i t a t i v e , t h e t e r m s h e a t e n e r g y a n d i n t e r n a l e n e r g y c a n b e u s e d . l n t e m a l e n e r g y i s t h e s u m o f a l l t h e e n e r g y o f a l l t h e m o l e c u l e s . I t i s t h e t o t a l o f a l l k i n d s o f e n e r g y p o s s e s s e d b y t h e a t o m s o r m o l e c u l e s t h a t c o n s t i t u t e t h a t m a t e r i a l . T h e i n t e r n a l e n e r g y e m b r a c e s a l l t h e E x , E p . , c h e m i c a l e n e r g y , e l e c t r i c a l e n e r g y , n u c l e a r e n e r g y a n d a l l o t h e r f o r m s p o s s e s s e d b y t h e p a r t i c l e s o f t h a t s u b s t a n c e . A d d i t i o n a l l y , t h e t r a n s l a t i o n , r o t a t i o n a l a n d v i b r a t i o n a l m o t i o n o f g a s p a r t i c l e s c a n b e c a r r i e d o v e r t o l i q u i d s a n d s o l i d s t o g i v e m o r e c l a r i t y t o t h i s c o m p l e x r e l a t i o n s h i p o f e n e r g y f o r m s . H e a t r e f e r s t o t h e t r a n s f e r o f e n e r g y f r o m o n e o b j e c t t o a n o t h e r b e c a u s e o f a d i f f e r e n c e i n t e m p e r a t u r e . S o m e a m o u n t o f t h e r m a l e n e r g y i s a b s o r b e d , l o s t o r t r a n s f e r r e d f r o m o n e o b j e c t t o a n o t h e r . T h e d i r e c t i o n o f h e a t fl o w b e t w e e n t h e o b j e c t s d e p e n d s o n t h e i r t e m p e r a t u r e s , n o t o n t h e a m o u n t o f i n t e r n a l e n e r g y e a c h h a s . ( E x a m p l e : i f w e m i x 5 0 9 o f w a t e r a t 3 0 ° C w a t e r w i t h 2 0 0 g o f w a t e r a t 2 5 ° C e n e r g y fl o w s f r o m t h e 3 0 ° C w a t e r t o t h e 2 5 ° C w a t e r . T h i s o c c u r s e v e n t h o u g h t h e i n t e r n a l e n e r g y o f t h e 2 0 0 g o f 2 5 ° C i s g r e a t e r . ) T h e s y m b o l f o r h e a t e n e r g y i s A Q ( c h a n g e i n e n e r g y ) a n d t h i s fl o w s t o p s w h e n t h e m i x t u r e r e a c h e s a n e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e . T e m p e r a t u r e i s a m e a s u r e o f t h e k i n e t i c e n e r g y o f t h e i n d i v i d u a l p a r t i c l e s . T e m p e r a t u r e i s a p h y s i c a l p r o p e r t y t h a t d e t e r m i n e s t h e d i r e c t i o n i n w h i c h t h e h e a t e n e r g y w i l l fl o w b e t w e e n t h e s u b s t a n c e s . A s t e m p e r a t u r e c h a n g e s t h e e n e r g y p r e s e n t i n a s y s t e m w i l l i n c r e a s e o r d e c r e a s e i n d i r e c t i o n p r o p o r t i o n t o t h e c h a n g e i n t e m p e r a t u r e . E x a m p l e o f a p a n o f c o l d w a t e r p l a c e d o n a h o t s t o v e b u r n e r . S i t u a t i o n p l a c e s t w o o b j e c t s a t d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s i n c o n t a c t . H e a t w i l l s p o n t a n e o u s l y fl o w f r o m h o t t o c o l d . I f t h e r e i s e n o u g h t i m e t h e t e m p e r a t u r e s w i l l e q u a l i z e a n d t h e r m a l e q u i l i b r i u m i s r e a c h e d w i t h n o f u r t h e r h e a t fl o w b e t w e e n t h e o b j e c t s . T h e r e i s a t r a n s f e r o f h e a t d u e t o t h e d i f f e r e n c e i n t e m p e r a t u r e . H o p e f u l l y , t h i s d i s c u s s i o n h a s g i v e n y o u s o m e h i s t o r i c a l a n d p r a c t i c a l p e r s p e c t i v e o n h e a t e x c h a n g e . T h i s i n v e s t i g a t i o n s t h a t f o l l o w w i l l u s e t h e s e p r i n c i p l e s t o q u a n t i f y t h e a m o u n t o f h e a t e n e r g y t h a t i s i n v o l v e d i n a v a r i e t y o f i n t e r a c t i o n s . 1 0 4 T h e r e i s a l o t o f b o o k k e e p i n g t h a t n e e d s t o b e a d d r e s s e d t o k e e p t r a c k o f a l l t h e p l a c e s w h e r e h e a t e n e r g y c o u l d b e l o s t o r g a i n e d . M y h o p e i s t h a t t h e s e e x e r c i s e s w i l l b e c h a l l e n g i n g a n d e x c i t i n g f o r t h e t e a c h e r a s w e l l a s t h e s t u d e n t s . M o s t o f t h e s e i n v e s t i g a t i o n s w i l l p r o d u c e g o o d r e s u l t s w i t h a s m a l l a m o u n t o f e r r o r . 1 0 5 C o n d u c t i o n W h e n o n e e n d o f a m e t a l r o d w a s p l a c e d i n a fl a m e t h e e n t i r e r o d b e c a m e h o t e n o u g h t o b u r n t h e s t u d e n t ’ s h a n d . T h e fl a m e ’ s e n e r g y m u s t h a v e t r a v e l e d t h r o u g h t h e r o d t o r e a c h t h e h a n d . T h e m a j o r i t y o f t h e m e t a l s s t u d e n t s u s e d i n t h e l a b o r a t o r y a l l o w e d h e a t t o fl o w a n d a r e t e r m e d h e a t c o n d u c t o r s . S t u d e n t s a n a l y z e d A l , C u , F e a n d b r a s s ( a l l o y o f C u a n d Z n ) . T o e x p l a i n t h i s p h e n o m e n o n s c i e n t i s t s fi r s t u s e d k i n e t i c m o l e c u l a r t h e o r y . G e n e r a l l y w h e n o n e e n d i s h e a t e d , t h e a t o m s ( m o l e c u l e s ) v i b r a t e f a s t e r , s t r i k e n e a r b y m o l e c u l e s a n d t h i s p r o c e s s c a s c a d e s d o w n t h e r o d . T h i s p r o c e s s , i n t h e o r y , a l l o w s h e a t t o t r a v e l t h r o u g h t h e r o d . i n p o o r c o n d u c t o r s t h e a t o m s o r m o l e c u l e s a r e f u r t h e r a p a r t a n d t h e i n c r e a s e d m o t i o n w i l l n o t b e t r a n s f e r r e d a s e a s i l y . ( T h e r e i s n o r a p i d h e a t c o n d u c t i o n . ) C o n d u c t i o n s e e m s t o b e a p o i n t - b y - p o i n t p r o c e s s o f h e a t t r a n s f e r . I n t h e e a r l y 1 8 0 0 3 J . B . F o u m i e r fi r s t d e s c r i b e d t h e t r a n s f e r o f h e a t t h r o u g h a s o l i d . H e f e l t c o n d u c t i o n w a s d e p e n d e n t o n g e o m e t r y , t h e r m a l c o n d u c t i v i t y a n d t h e t e m p e r a t u r e g r a d i e n t t h r o u g h t h e m e t a l . T h e f o l l o w i n g f o r m u l a a l l o w s t h e c a l c u l a t i o n o f h e a t c o n d u c t i o n : F o r m u l a — € — = 5 % ] ; Q = H e a t i n J t = t i m e ( 1 s e c ) k = t h e r m a l c o n d u c t i v i t y ( J / ( s e c ' m ' ° C ) A = c r o s s s e c t i o n a r e a ( m 2 ) L = l e n g t h ( m ) 1 0 6 A s e c o n d t h e o r y o f c o n d u c t i o n a d d r e s s e s t h e c h e m i c a l b o n d s t r e n g t h o f t h e m a t e r i a l . T h e a t o m i c n u c l e u s a n d i t s e l e c t r o n s i n a s o l i d a r e s a i d t o b e b o u n d t o t h e i r e q u i l i b r i u m p o s i t i o n s . H o w e v e r , w h e n t h e m e t a l i s h e a t e d s o m e e l e c t r o n s a r e e x c i t e d t o h i g h e r e n e r g y l e v e l s , w h i c h a r e c o n n e c t e d b y m o l e c u l a r o r b i t a l s w i t h i n t h e m e t a l ( t h i s i s g e n e r a l l y r e f e r r e d t o a s a s e a o f e l e c t r o n s ) . E l e c t r o n s g e t e x c i t e d i n t o t h e s e h i g h e r - l e v e l c o n d u c t i o n b a n d s a n d c a n t r a v e l t h r o u g h o u t t h e m e t a l . E l e c t r o n s c a n p i c k u p E , i n c o l l i s i o n w i t h h o t c o r e s a n d l o s e E , i n c o l l i s i o n w i t h c o o l e r c o r e s . T h e a v e r a g e p a t h f o r t h e s e f r e e e l e c t r o n s i s l a r g e r t h a n t h e v i b r a t i o n a l d i s t a n c e b e t w e e n a t o m s a n d a l l o w s t h e t h e r m a l e n e r g y t o m o v e t h r o u g h t h e m e t a l . N o w w e h a v e t w o i d e a s f o r c o n d u c t i o n : e n e r g y t r a n s f e r b y m o l e c u l a r c o l l i s i o n a n d e n e r g y t r a n s f e r b y t h e c o l l i s i o n o f f r e e e l e c t r o n w i t h i n t h e m e t a l . 1 0 7 N a m e C o n d u c t i o n H o m e w o r k D a t e H o u r O n e i t h e r s i d e o f a p a n e o f w i n d o w g l a s s , t e m p e r a t u r e s a r e 2 1 ° C a n d - 1 8 ° C . H o w f a s t i s h e a t c o n d u c t e d t h r o u g h s u c h a p a n e o f a r e a 2 5 0 0 c m 2 i f t h e t h i c k n e s s i s 2 m m a n d t h e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y = . 6 2 8 J ' s ' 1 ' m ' 1 ' C d e g " ? S h e e t s o f b r a s s a n d s t e e l , e a c h o f t h i c k n e s s 1 c m , a r e p l a c e d i n c o n t a c t . T h e o u t e r s u r f a c e o f t h e b r a s s i s k e p t a t 1 0 0 ° C a n d t h e o u t e r s u r f a c e o f t h e s t e e l i s k e p t a t 0 ° C . W h a t i s t h e t e m p e r a t u r e o f t h e c o m m o n i n t e r f a c e ? T h e t h e r m a l c o n d u c t i v i t i e s o f b r a s s a n d s t e e l a r e i n t h e r a t i o o f 2 : 1 . A s t e e l r o d o f l e n g t h L = 2 0 c m a n d c r o s s - s e c t i o n a l a r e a A = 3 c m 2 i s h e a t e d a t o n e e n d t o T 1 = 3 0 0 ' k w h i l e t h e o t h e r e n d r e s t s i n i c e . A s s u m i n g t h a t h e a t t r a n s m i s s i o n o c c u r s e x c l u s i v e l y t h r o u g h t h e r o d ( w i t h o u t l o s s e s f r o m t h e w a l l s ) , c a l c u l a t e t h e m a s s m o f t h e i c e m e l t i n g i n t i m e A t = 1 0 m i n . T h e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f s t e e l i s k = 6 6 . 9 J ' d e g ' 1 ' s e c ' 1 ' m “ . D e t e r m i n e t h e p o w e r r e q u i r e d t o m a i n t a i n a t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e o f 2 0 ° C b e t w e e n t h e f a c e s o f a g l a s s w i n d o w o f a r e a 2 m 2 a n d t h i c k n e s s 3 m m . W h y d o e s a m u c h l o w e r p o w e r s u f fi c e t o k e e p a r o o m w i t h s u c h a w i n d o w a t a t e m p e r a t u r e 2 0 ' C a b o v e t h e o u t s i d e ? T h e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f g l a s s i s 1 . 0 4 5 J ' s ' 1 ' M ” C d e g " . 1 0 8 C o n d u c t i o n H o m e w o r k T h e p a s s e n g e r c o m p a r t m e n t o f a j e t t r a n s p o r t i s e s s e n t i a l l y a c y l i n d r i c a l t u b e o f d i a m e t e r 3 m a n d l e n g t h 2 0 m . I t I s l i n e d w i t h 3 c m o f i n s u l a t i n g m a t e r i a l o f t h e r m a l c o n d u c t i v i t y . 0 4 1 9 J m 1 C c l e g ' 1 , a n d m u s t b e m a i n t a i n e d a t 2 0 ° C f o r p a s s e n g e r c o m f o r t , a l t h o u g h t h e a v e r a g e o u t s i d e t e m p e r a t u r e i s - 3 0 ° C a t i t s o p e r a t i n g h e i g h t . W h a t r a t e o f h e a t i n g i s r e q u i r e d i n t h e c o m p a r t m e n t n e g l e c t i n g t h e e n d e f f e c t s ? A m a j o r s o u r c e o f h e a t l o s s f r o m a h o u s e i s t h r o u g h t h e w i n d o w s . C a l c u l a t e t h e r a t e o f h e a t fl o w t h r o u g h a g l a s s w i n d o w 2 . 0 m x 1 . 5 m i n a r e a a n d 3 . 2 m m t h i c k , i f t h e t e m p e r a t u r e s a t t h e i n n e r a n d o u t e r s u r f a c e a r e 1 5 . 0 ° C a n d 1 4 . 0 ° C , r e s p e c t i v e l y . T h e r m a l c o n d u c t i v i t y = . 8 4 J m ' 1 C ( 1 n g C a l c u l a t e t h e r a t e o f h e a t fl o w b y c o n d u c t i o n i n E x a m p l e 1 0 a s s u m i n g t h e r e a r e s t r o n g g u s t y w i n d s a n d t h a t t h e e x t e r n a l t e m p e r a t u r e i s — 5 ° C . O v e r w h a t d i s t a n c e m u s t t h e r e b e h e a t fl o w b y c o n d u c t i o n f r o m t h e b l o o d c a p i l l a r i e s b e n e a t h t h e s k i n t o t h e s u r f a c e i f t h e t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e I s 0 . 5 0 C ° ? A s s u m e 2 0 0 W m u s t b e t r a n s f e r r e d t h r o u g h t h e w h o l e b o d y ’ 3 s u r f a c e a r e a o f 1 . 5 m 2 . T h e r m a l c o n d u c t i v i t y = . 2 J m 1 C d e g 1 1 0 9 1 0 . 1 1 . 1 2 . C o n d u c t i o n H o m e w o r k T h e r e c t a n g u l a r - s h a p e d b u i l d i n g 4 m w i d e x 5 m d e e p x 3 m t a l l h a s c o n c r e t e w a l l s a n d a c o n c r e t e r o o f 2 5 . 0 c m t h i c k . I f t h e o u t s i d e t e m p e r a t u r e i s 0 . 0 ° C a n d t h e i n s i d e t e m p e r a t u r e i s 2 0 0 ° C , w h a t i s t h e h o u r l y h e a t l o s s b y c o n d u c t i o n , a s s u m i n g a n e g l i g i b l e h e a t l o s s t h r o u g h t h e fl o o r ? F o r s i m p l i c i t y d i s r e g a r d t h e d i f f e r e n c e o f h e a t c o n d u c t i o n t h r o u g h w a l l s a n d w i n d o w s . A r o o m h a s a s i n g l e w i n d o w o f c r o w n g l a s s 0 . 5 c m t h i c k w i t h t h e d i m e n s i o n s o f 0 . 5 0 0 m w i d e a n d 1 . 0 0 m t a l l . I f t h e o u t s i d e t e m p e r a t u r e ( T c ) i s - 3 . 0 ° C ( 2 7 0 K ) a n d t h e i n s i d e t e m p e r a t u r e ( T I . ) i s 2 7 . 0 ° C ( 3 0 0 K ) , c a l c u l a t e t h e h e a t l o s s f r o m c o n d u c t i o n t h r o u g h t h e w i n d o w a n d r a d i a t i o n b y t h e w i n d o w . T h e g l a s s i n a s t o r m w i n d o w i s c r o w n g l a s s 0 . 5 c m t h i c k . T h e o u t s i d e t e m p e r a t u r e i s - 1 0 . 0 ° C a n d t h e i n s i d e t e m p e r a t u r e i s 0 . 0 ° C . I f 1 . 0 g o f m o i s t u r e c o n d e n s e s o n 0 . 3 3 m 2 o f t h e i n s i d e s u r f a c e o f t h e g l a s s , d e t e r m i n e t h e t i m e f o r t h e w a t e r t o f r e e z e . A s t e a m p i p e i s c o v e r e d w i t h 1 . 5 0 c m t h i c k i n s u l a t i n g m a t e r i a l w i t h a t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f 8 3 . 7 J ' m ' 1 ' C d e g ' 1 ' s ’ 1 . H o w m u c h e n e r g y i s l o s t e v e r y s e c o n d b y h e a t w h e n t h e s t e a m i s a t 2 0 0 ° C a n d t h e s u r r o u n d i n g a i r i s a t 2 0 0 ° C ? T h e p i p e h a s a c i r c u m f e r e n c e o f 2 0 . 0 c m a n d a l e n g t h o f 5 0 . 0 m . N e g l e c t l o s s e s t h r o u g h t h e e n d s o f t h e p i p e . 1 1 0 1 3 . 1 4 . 1 5 . C o n d u c t i o n H o m e w o r k A b o x w i t h a t o t a l s u r f a c e a r e a o f 1 . 2 0 m 2 a n d a w a l l t h i c k n e s s o f 4 . 0 0 c m i s m a d e o f a n i n s u l a t i n g m a t e r i a l . A 1 0 . 0 - W e l e c t r i c h e a t e r i n s i d e t h e b o x m a i n t a i n s t h e i n s i d e t e m p e r a t u r e a t 1 5 0 ° C a b o v e t h e o u t s i d e t e m p e r a t u r e . F i n d t h e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y k o f t h e i n s u l a t i n g m a t e r i a l . A g l a s s w i n d o w p a n e h a s a n a r e a o f 3 . 0 0 m 2 a n d a t h i c k n e s s o f 0 . 6 0 0 c m . I f t h e t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e b e t w e e n i t s s u r f a c e s i s 2 5 . 0 ° C w h a t i s t h e r a t e o f e n e r g y t r a n s f e r b y c o n d u c t i o n t h r o u g h t h e w i n d o w ? A b a r o f g o l d i s i n t h e r m a l c o n t a c t w i t h a b a r o f s i l v e r o f t h e s a m e l e n g t h a n d a r e a . O n e e n d o f t h e c o m p o u n d b a r i s m a i n t a i n e d a t 8 0 0 ° C , w h i l e t h e o p p o s i t e e n d i s a t 3 0 0 ° C . W h e n t h e r a t e o f e n e r g y t r a n s f e r b y c o n d u c t i o n r e a c h e s s t e a d y s t a t e , w h a t i s t h e t e m p e r a t u r e a t t h e j u n c t i o n ? 1 1 1 R a d i a t i o n H o m e w o r k P h y s i c s f o r S c i e n t i s t s a n d E n g i n e e r s ( S e r w a y , B e i c h n e r ) A s t u d e n t i s t r y i n g t o d e c i d e w h a t t o w e a r . T h e s u r r o u n d i n g s ( h i s b e d r o o m ) a r e a t 2 0 . 0 ° C . I f t h e s k i n t e m p e r a t u r e o f t h e u n c l o t h e d s t u d e n t i s 3 5 ' C , w h a t i s t h e n e t e n e r g y l o s s f r o m h i s b o d y i n 1 0 . 0 m i n b y r a d i a t i o n ? A s s u m e t h a t t h e e m i s s i v i t y o f s k i n i s 0 . 9 0 0 a n d t h a t t h e s u r f a c e a r e a o f t h e s t u d e n t I s 1 5 . 0 m 2 . ( E x . 6 2 9 ) T h e s u r f a c e o f t h e S u n h a s a t e m p e r a t u r e o f a b o u t 5 8 0 0 K . T h e r a d i u s o f t h e S u n I s 6 . 9 6 x 1 0 ° m . C a l c u l a t e t h e t o t a l e n e r g y r a d i a t e d b y t h e S u n e a c h s e c o n d . ( A s s u m e t h a t e = 0 . 9 6 5 ) . ( E x . 6 3 6 - 4 8 ) T h e t u n g s t e n fi l a m e n t o f a c e r t a i n 1 0 0 - W l i g h t b u l b r a d i a t e s 2 . 0 0 W o f l i g h t ( T h e o t h e r 9 8 W I s c a r r i e d a w a y b y c o n v e c t i o n a n d c o n d u c t i o n . ) T h e fi l a m e n t h a s a s u r f a c e a r e a o f 0 . 2 5 0 m m 2 a n d a n e m i s s i v i t y o f 0 . 9 5 0 . F i n d t h e fi l a m e n t ’ s t e m p e r a t u r e . ( T h e m e l t i n g p o i n t o f t u n g s t e n i s 3 6 8 3 K . ) ( E x 6 3 6 - 5 0 ) A t h i g h n o o n , t h e S u n d e l i v e r s 1 0 0 0 W t o e a c h s q u a r e m e t e r ( m 2 ) o f a b l a c k t o p r o a d . I f t h e h o t a s p h a l t l o s e s e n e r g y o n l y b y r a d i a t i o n , w h a t I s i t s e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e ? ( E x 6 3 6 - 5 1 ) 1 1 2 R a d i a t i o n H o m e w o r k P h y s i c s - M c C l i m e n t A r o o m h a s a s i n g l e w i n d o w o f c r o w n g l a s s 0 . 5 c m t h i c k w i t h d i m e n s i o n s o f 0 . 5 0 0 m w i d e a n d 1 . 0 0 m t a l l . I f t h e o u t s i d e t e m p e r a t u r e ( T c ) i s — 3 . 0 ° C ( 2 7 0 K ) a n d t h e i n s i d e t e m p e r a t u r e ( T h ) i s 2 7 . 0 ° C ( 3 0 0 K ) , c o m p a r e t h e h e a t l o s s e s f r o m c o n d u c t i o n t h r o u g h t h e w i n d o w a n d r a d i a t i o n b y t h e w i n d o w . A s s u m e t h e e m i s s i v i t y o f t h e r o o m i s 0 . 9 . ( E x 3 6 9 - 1 2 - 9 ) T h e s u n i s 1 . 5 x 1 0 1 1 m f r o m e a r t h . I t h a s a d i a m e t e r o f 8 . 7 x 1 0 8 m a n d a s u r f a c e t e m p e r a t u r e o f 1 . 0 x 1 0 ‘ 1 K . T r e a t i n g t h e s u n a s a b l a c k b o d y , d e t e r m i n e t h e e n e r g y r a d i a t e d p e r s e c o n d f r o m t h e s u r f a c e o f t h e s u n . A s s u m e t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s u r r o u n d i n g u n i v e r s e i s 2 . 7 K ( E x 3 8 2 - 1 9 ) P h y s i c s - G i a n c o l i A n a t h l e t e i s s i t t i n g u n c l o t h e d i n a l o c k e r r o o m w h o s e d a r k w a l l s a r e a t a t e m p e r a t u r e o f 1 5 ° C . E s t i m a t e t h e r a t e o f h e a t l o s s b y r a d i a t i o n a s s u m i n g a s k i n t e m p e r a t u r e o f 3 4 ° C a n d e = 0 . 7 0 . T a k e t h e s u r f a c e a r e a o f t h e b o d y n o t i n c o n t a c t w i t h t h e c h a i r t o b e 1 . 5 m 2 . ( E x 4 1 6 - 1 4 - 1 0 ) W h a t i s t h e r a t e o f e n e r g y a b s o r p t i o n f r o m t h e s u n b y a p e r s o n l y i n g fl a t o n t h e b e a c h o n a c l e a r d a y i f t h e s u n m a k e s a 3 0 ° a n g l e w i t h t h e v e r t i c a l ? A s s u m e t h a t e = 0 7 0 , t h e a r e a o f t h e b o d y e x p o s e d t o t h e s u n i s 0 . 8 0 m 2 a n d t h a t 1 0 0 0 W l m 2 r e a c h e s t h e e a r t h ’ s s u r f a c e . ( E x 4 1 8 - 1 4 - 1 1 ) 1 1 3 1 0 . 1 1 . 1 2 . R a d i a t i o n H o m e w o r k ( a ) H o w m u c h p o w e r i s r a d i a t e d b y a t u n g s t e n s p h e r e ( e m i s s i v i t y e = 0 . 3 5 ) o f r a d i u s 1 8 c m a t a t e m p e r a t u r e o f 2 5 ° C ? ( b ) I f t h e s p h e r e i s e n c l o s e d i n a r o o m w h o s e w a l l s a r e k e p t a t - 5 ° C w h a t i s t h e n o t fl o w r a t e o f e n e r g y o u t o f t h e s p h e r e ? ( E x 4 2 1 - 3 1 ) T h e c o o l r e d g i a n t s t a r B e t e l g e u s e h a s a r a d i u s r = 3 . 1 x 1 0 1 1 m . ( I f i t w e r e c e n t e r e d o n o u r s u n , i t w o u l d e x t e n d o u t b e y o n d M a r s . ) l t s s u r f a c e t e m p e r a t u r e i s 2 8 0 0 K ( a b o u t h a l f t h a t o f o u r s u n ) . A s s u m i n g i t i s a p e r f e c t e m i t t e r ( e = 1 . 0 ) w h a t i s i t s p o w e r o u t p u t ? ( E x 4 2 1 - 3 3 ) A t a p p r o x i m a t e l y w h a t r a t e d o e s t h e t o p o f a p e r s o n ’ s h e a d a b s o r b t h e s u n ’ s e n e r g y o n a c l e a r d a y , i f : ( a ) i t i s c o v e r e d w i t h h a i r ( e = 0 . 7 5 ) , h a s a s u r f a c e a r e a o f 2 2 5 s q u a r e c e n t i m e t e r s ( a s s u m e d fl a t ) , a n d t h e p e r s o n s t a n d s s t r a i g h t w i t h t h e s u n m a k i n g a n a n g l e o f 4 0 ° w i t h t h e v e r t i c a l ; o r i f ( b ) i t i s b a l d w i t h e = 0 . 2 0 u n d e r t h e s a m e c o n d i t i o n s . ( E x 4 2 1 - 3 4 ) T h e e a r t h r e c e i v e s a b o u t 4 3 0 W / m 2 f r o m t h e s u n a v e r a g e d o v e r t h e w h o l e s u r f a c e a n d r a d i a t e s a n e q u a l a m o u n t b a c k i n t o s p a c e ( t h a t i s , t h e e a r t h i s i n e q u i l i b r i u m ) . A s s u m i n g t h e e a r t h i s a p e r f e c t e m i t t e r ( e = 1 . 0 ) , e s t i m a t e i t s a v e r a g e s u r f a c e t e m p e r a t u r e . ( E x 4 2 2 - 3 6 ) 1 1 4 1 3 . 1 4 . 1 5 . 1 6 . R a d i a t i o n H o m e w o r k ( a ) F i n d t h e t o t a l p o w e r r a d i a t e d i n t o s p a c e b y t h e s u n a s s u m i n g i t t o b e a p e r f e c t e m i t t e r a t T = 5 5 0 0 K . T h e s u n ’ s r a d i u s i s 7 . 0 x 1 0 1 3 m . ( b ) F r o m t h i s ; d e t e r m i n e t h e p o w e r p e r u n i t a r e a a r r i v i n g a t t h e e a r t h . 1 . 5 x 1 0 1 1 m a w a y . ( E x 4 2 3 - ? ) C o l l e g e P h y s i c s — S e r w a y 8 F a u g h n A s t u d e n t t r y i n g t o d e c i d e w h a t t o w e a r i s s t a y i n g i n a r o o m t h a t i s a t 2 0 ° C , I f t h e s k i n t e m p e r a t u r e o f t h e u n c l o t h e d s t u d e n t i s 3 7 ° C , h o w m u c h h e a t i s l o s t f r o m h i s b o d y i n 1 0 m i n . a s s u m i n g t h a t t h e e m i s s i v i t y o f s k i n i s 0 . 9 . A s s u m e t h a t t h e s u r f a c e a r e a o f t h e s t u d e n t i s 1 . 5 m 2 . ( E x 2 7 3 ) T w o i d e n t i c a l o b j e c t s a r e i n t h e s a m e s u r r o u n d i n g s a t 0 ° C . O n e i s a t a t e m p e r a t u r e o f 1 2 0 0 K a n d t h e o t h e r i s a t 1 1 0 0 K . F i n d t h e r a t i o o f t h e p o w e r e m i t t e d b y t h e h o t t e r o b j e c t t o t h e p o w e r e m i t t e d b y t h e c o o l e r o b j e c t . ( E x 2 8 1 - 2 5 ) . A t h i n t u n g s t e n fi l a m e n t h a s d i m e n s i o n s o f 2 . 5 c m b y 0 . 2 5 c m . W h e n t h e t e m p e r a t u r e o f t h e fi l a m e n t i s 3 0 0 0 K a n d t h a t o f i t s s u r r o u n d i n g s i s 0 ° C t h e fi l a m e n t e m i t s e n e r g y a t t h e r a t e o f 6 5 W . C a l c u l a t e t h e e m i s s i v i t y o f t h e fi l a m e n t a t i t s o p e r a t i n g t e m p e r a t u r e ( E x 2 8 1 - 2 6 ) 1 1 5 1 7 . 1 8 . 1 9 . 2 0 . R a d i a t i o n H o m e w o r k A s p h e r e t h a t i s t o b e c o n s i d e r e d a p e r f e c t b l a c k b o d y r a d i a t o r h a s a r a d i u s o f 0 . 0 6 m a n d i s a b o u t 2 0 0 ° C i n a r o o m w h e r e t h e t e m p e r a t u r e i s 2 2 ° C . C a l c u l a t e t h e r a t e a t w h i c h t h e s p h e r e r a d i a t e s e n e r g y . ( E x 2 8 1 - 2 7 ) T h e fi l a m e n t t e m p e r a t u r e o f a l a m p i n c r e a s e s a s t h e p o w e r d e l i v e r e d t o t h e fi l a m e n t i n c r e a s e s . I f t h e fi l a m e n t t e m p e r a t u r e i s 2 5 0 0 K w h e n t h e p o w e r l e v e l i s 6 0 W , w h a t p o w e r i s r e q u i r e d t o i n c r e a s e t h e t e m p e r a t u r e t o 4 0 0 0 K ? ( E x 2 8 1 - 3 2 ) . M o d e r n T e c h n i c a l P h y s i c s - B e i s e r A s m a l l h o l e i n a c a v i t y b e h a v e s l i k e a b l a c k b o d y b e c a u s e a n y r a d i a t i o n t h a t f a l l s o n i t i s t r a p p e d i n s i d e b y m u l t i p l e r e fl e c t i o n s u n t i l i t i s a b s o r b e d . A t w h a t r a t e d o e s r a d i a t i o n e s c a p e f r o m a h o l e 1 0 c m 2 i n a r e a i n t h e w a l l o f a f u r n a c e w h o s e i n t e r i o r i s a t a t e m p e r a t u r e o f 7 0 0 ° C ? ( E x 4 0 7 - 3 ) A c o p p e r s p h e r e 5 c m i n d i a m e t e r w h o s e e m i s s i v i t y i s 0 . 3 i s h e a t e d i n a f u r n a c e t o 4 0 0 ° C . A t w h a t r a t e d o e s i t r a d i a t e e n e r g y ? ( E x 4 0 7 - 4 ) 1 1 6 2 1 . 2 2 . R a d i a t i o n H o m e w o r k A n o b j e c t i s a t a t e m p e r a t u r e o f 4 0 0 ° C . A t w h a t t e m p e r a t u r e w o u l d i t r a d i a t e e n e r g y t w i c e a s f a s t ? ( E x 4 0 7 - 5 ) A c e r t a i n 5 0 - k g w o m a n h a s a s u r f a c e a r e a o f 1 . 5 m 2 a n d a s k i n t e m p e r a t u r e o f 3 4 ° C . W h e n s h e i s s i t t i n g s t i l l i n a r o o m a t 2 0 ° C h e r m e t a b o l i c a c t i v i t y l e a d s t o t h e l i b e r a t i o n o f 8 0 W . T o s e e w h e t h e r i t i s p l a u s i b l e t h a t r a d i a t i o n i s t h e c h i e f m e c h a n i s m b y w h i c h t h i s p o w e r i s d i s s i p a t e d , c a l c u l a t e w h a t h e r e f f e c t i v e e m i s s i v i t y m u s t b e f o r h e r t o l o s e e n e r g y a t 8 0 W u n d e r t h e a b o v e c o n d i t i o n s . ( E x 4 0 7 - 6 ) 1 1 7 1 0 . C A L O R I M E T R Y H O M E W O R K P R O B L E M S A c a l o r i m e t e r c o n t a i n s 4 0 0 g o f w a t e r a t 2 0 0 ° C . H o w m a n y g r a m s o f s t e a m a t 1 0 0 . 0 ° C a r e n e e d e d t o r a i s e t h e t e m p e r a t u r e o f t h e w a t e r a n d c a l o r i m e t e r t o 8 0 0 ° C ? T h e c a l o r i m e t e r h a s a m a s s o f 1 0 0 9 ; i t s s p e c i fi c h e a t i s 0 . 1 0 0 c a l / g C ° . I n a n e x p e r i m e n t t o d e t e r m i n e t h e h e a t o f v a p o r i z a t i o n o f w a t e r , 1 5 . 0 g o f s t e a m a t 1 0 0 . 0 ° C i s a d d e d t o 1 5 0 . 0 g o f w a t e r a t 2 0 0 ° i n a c a l o r i m e t e r . T h e m a s s o f t h e c a l o r i m e t e r i s 7 5 . 0 9 ; i t s s p e c i fi c h e a t i s 0 . 1 0 0 c a l / g C ' . T h e e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e o f t h e m i x t u r e i s 7 3 . 9 ° C . W h a t i s t h e h e a t o f v a p o r i z a t i o n o f w a t e r ? A m i x t u r e o f i c e a n d w a t e r , m a s s 2 0 0 . 0 g , i s i n a 1 0 0 . 0 - g c a l o r i m e t e r , s p e c i fi c h e a t 0 . 2 0 0 c a l / g 0 ' . W h e n 4 0 . 0 g o f s t e a m i s a d d e d t o t h e m i x t u r e , t h e t e m p e r a t u r e i s r a i s e d t o 6 0 0 ° C . H o w m a n y g r a m s o f i c e w e r e o r i g i n a l l y i n t h e c a l o r i m e t e r ? A n a l u m i n u m c y l i n d e r , m a s s 5 0 . 0 g , i s p l a c e d i n a 1 0 0 . 0 - g b r a s s c a l o r i m e t e r w i t h 2 5 0 . 0 g o f w a t e r a t 2 0 0 ° C . W h a t e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e i s r e a c h e d a f t e r t h e a d d i t i o n o f 2 5 . 0 g o f s t e a m a t 1 2 0 . 0 ° C ? T o w h a t t e m p e r a t u r e m u s t a 5 0 0 9 b r a s s w e i g h t b e h e a t e d t o c o n v e r t 6 0 . 0 g o f i c e a t — 2 0 . 0 ° C t o w a t e r a t 2 0 0 ° C ? W h a t i s t h e fi n a l t e m p e r a t u r e o f a m i x t u r e o f 5 0 . 0 g o f i c e a t 0 0 ° C a n d 5 0 . 0 g o f w a t e r a t 8 0 0 ° C ? W h a t i s t h e fi n a l t e m p e r a t u r e w h e n 3 0 0 ? g o f i c e a t 0 0 ° C , 5 0 0 g o f i c e w a t e r a t 0 0 ° C a n d 1 2 0 0 9 o f w a t e r a t 1 0 0 . 0 ° a r e m i x e d ? A c a l o r i m e t e r , s p e c i fi c h e a t 0 . 1 0 0 c a l l g C ' , m a s s 2 0 0 . 0 9 , c o n t a i n s 3 0 0 . 0 g o f w a t e r a t 4 0 0 ° C . l f 5 0 . 0 g o f i c e a t 0 0 ° C i s d r o p p e d i n t o t h e w a t e r a n d s t i r r e d , t h e t e m p e r a t u r e o f t h e m i x t u r e w h e n a l l t h e i c e h a s m e l t e d i s 2 3 . 8 ' C . C a l c u l a t e t h e h e a t o f f u s i o n o f i c e . A b l o c k o f s i l v e r , m a s s 5 0 0 . 0 9 , t e m p e r a t u r e 1 0 0 . 0 ° C , i s p u t i n a c a l o r i m e t e r w i t h 3 0 0 . 0 g o f w a t e r , t e m p e r a t u r e 3 0 0 ° C . T h e m a s s o f t h e c a l o r i m e t e r i s 5 0 . 0 g a n d i t s s p e c i fi c h e a t i s 0 . 1 0 0 c a l / g C ’ . A b l o c k o f i c e , m a s s 5 0 . 0 9 , t e m p e r a t u r e - 1 0 0 ° C , i s t h e n a l s o p u t i n t h e c a l o r i m e t e r . C a l c u l a t e t h e fi n a l t e m p e r a t u r e . S t a t e t h e l a w o f h e a t e x c h a n g e i n s i m p l e s t t e r m s . 1 1 8 1 1 . 1 2 . 1 3 . 1 4 . 1 5 . 1 6 . 1 7 . 1 8 . 1 9 . 2 0 . 2 1 . 2 2 . D e fi n e s p e c i fi c h e a t c a p a c i t y . W h a t i s t h e m e a n i n g o f t h e e x p r e s s i o n : A Q ? T e n g r a m s o f a s u b s t a n c e w i t h a s p e c i fi c h e a t c a p a c i t y o f 0 . 5 0 c a l / g - C ° a r e h e a t e d 2 . 0 C ° . W h a t q u a n t i t y o f h e a t i s a b s o r b e d ? H o w m a n y c a l o r i e s a r e r e q u i r e d t o w a r m 1 0 0 g o f c o p p e r f r o m 1 0 0 ° C t o 5 0 0 ° C ? A 1 2 0 9 m a s s o f a m e t a l i s h e a t e d t o 1 0 0 ° C a n d d r o p p e d i n t o a g l a s s c a l o r i m e t e r o f m a s s 1 0 0 9 c o n t a i n i n g 3 0 0 g o f w a t e r a t 1 5 ° C . T h e fi n a l t e m p e r a t u r e i s 2 5 ° C . W h a t i s t h e s p e c i fi c h e a t o f t h e s u b s t a n c e ? A s t u d e n t t r i e s t o i d e n t i f y a m e t a l b y m e a s u r i n g i t s s p e c i fi c h e a t c a p a c i t y . T h e m e t a l , w e i g h i n g 6 3 g , i s h e a t e d t o 9 9 5 ° C a n d t h e n t r a n s f e r r e d t o a c o p p e r c a l o r i m e t e r o f m a s s 7 2 9 c o n t a i n i n g 1 7 8 g o f w a t e r a t 2 0 5 ° C . T h e fi n a l t e m p e r a t u r e o f t h e m i x t u r e o f 2 0 0 ° C . F i n d t h e s p e c i fi c h e a t c a p a c i t y o f t h e m e t a l . H o w m u c h f r i c t i o n a l w o r k i s r e q u i r e d t o r a i s e t h e t e m p e r a t u r e o f 1 0 . 0 k g o f w a t e r f r o m 3 0 0 ° t o 5 5 0 ° C ? A 1 0 0 0 - w a t t p e r c o l a t o r h o l d s 3 . 0 k g o f w a t e r a t 2 0 ° C . T o w h a t t e m p e r a t u r e w o u l d i t h e a t t h e w a t e r i n 5 . 0 m i n i f a l l t h e e l e c t r i c a l e n e r g y w e r e u s e d t o h e a t t h e w a t e r ? A n e l e c t r i c m o t o r h a s a n i n p u t o f 2 0 0 W a n d a n o u t p u t o f 1 8 0 W . ( a ) H o w m u c h h e a t w i l l i t p r o d u c e i n 1 0 m i n i f a l l o f t h e w a s t e d e n e r g y i s c o n v e r t e d t o h e a t ? ( b ) H o w m a n y g r a m s o f w a t e r c o u l d b e h e a t e d f r o m 2 0 ° C t o 1 0 0 ° C b y t h i s h e a t ? A m a s s o f 2 5 0 g o f l e a d s h o t a t 1 0 0 . 0 ° C i s p o u r e d i n t o 1 5 0 g o f w a t e r a t 1 0 0 ° C i n a 1 0 0 9 c u p o f a m a t e r i a l w i t h a s p e c i fi c h e a t c a p a c i t y o f 0 . 1 0 c a l l g - C ° . T h e fi n a l t e m p e r a t u r e i s 1 4 . 0 ° C . F i n d t h e s p e c i fi c h e a t c a p a c i t y o f t h e l e a d . A 1 6 0 9 m a s s o f c o p p e r a t 9 6 0 ° C i s p l a c e d i n 1 8 0 g o f w a t e r a t 2 2 0 ° C i n a n a l u m i n u m c a l o r i m e t e r o f m a s s 7 0 9 . W h a t i s t h e fi n a l t e m p e r a t u r e ? E n o u g h h e a t i s s u p p l i e d t o 1 0 0 g o f i c e a t 0 ° C t o m e l t i t . I f t h e s a m e q u a n t i t y o f h e a t i s s u p p l i e d t o 1 0 0 g o f w a t e r a t 0 ° C , h o w h o t d o e s t h e w a t e r b e c o m e ? 1 1 9 2 3 . 2 4 . 2 5 . 2 6 . 2 7 . 2 8 . 2 9 . 3 0 . 3 1 . 3 2 . 3 3 . 3 5 . W h a t i s t h e s y m b o l f o r h e a t o f f u s i o n ? H o w m a n y c a l o r i e s m u s t b e a b s o r b e d t o m e l t 8 0 g o f l e a d ? H o w m a n y c a l o r i e s w i l l b e g i v e n u p i f 2 0 0 g o f w a t e r c o o l s f r o m 1 0 0 ° C t o t h e f r e e z i n g p o i n t a n d t h e n f r e e z e s ? H o w m u c h f r i c t i o n a l w o r k i s r e q u i r e d t o m e l t 1 . 0 g o f i c e ? H o w m u c h i c e a t 0 ° C m u s t b e a d d e d t o 2 0 0 0 g o f w a t e r a t 2 5 ° C , i n o r d e r t h a t t h e fi n a l t e m p e r a t u r e m a y b e 0 ° C ? A s s u m e t h a t n o h e a t i s e x c h a n g e d w i t h t h e c o n t a i n e r o r s u r r o u n d i n g s . A 2 0 0 9 m a s s o f h o t c o p p e r i s d r o p p e d o n a b l o c k o f i c e a t 0 ° C . A s a r e s u l t , 2 1 0 g o f i c e a r e m e l t e d . H o w h o t w a s t h e c o p p e r a t t h e b e g i n n i n g ? H o w m u c h h e a t i s r e q u i r e d t o e v a p o r a t e 2 0 . 0 g o f w a t e r ? H o w m u c h h e a t i s r e q u i r e d t o w a r m 3 0 . 0 g o f w a t e r f r o m r o o m t e m p e r a t u r e ( 2 0 0 ° C ) t o t h e b o i l i n g p o i n t a n d t h e n t o e v a p o r a t e a l l o f i t ? H o w m u c h h e a t i s g i v e n u p b y t h e c o n d e n s a t i o n , c o o l i n g , a n d f r e e z i n g o f 1 0 0 g o f s t e a m ? A s s u m e t h e i n i t i a l a n d fi n a l t e m p e r a t u r e s t o b e 1 0 0 ° C a n d 0 ° C . A 2 0 - g m a s s o f s t e a m i s c o n d e n s e d i n 2 5 0 0 g o f w a t e r a t 1 0 ° C . W h a t i s t h e fi n a l t e m p e r a t u r e o f t h e m i x t u r e ? A s s u m e n o h e a t l o s t t o t h e o u t s i d e . N o r m a l b o d y t e m p e r a t u r e i s 3 7 ° C . C o m p a r e t h e n u m b e r o f c a l o r i e s o f h e a t y o u r e c e 3 i v e f r o m a b u r n d u e t o t h e c o o l i n g o f 1 0 g o f b o i l i n g w a t e r f r o m 1 0 0 ° C t o b o d y t e m p e r a t u r e , w i t h t h e n u m b e r o f c a l o r i e s o f h e a t y o u r e c e i v e f r o m a b u r n d u e t o t h e c o o l i n g o f 1 0 g o f s t e a m f r o m 1 0 0 ° C t o b o d y t e m p e r a t u r e . I f s o m e i c e a t 0 ° C i s m e l t e d , w a r m e d , a n d b o i l e d a w a y a t 1 0 ° C t o f o r m s t e a m a t 1 0 0 ° C , w h a t p e r c e n t o f t h e e n e r g y s u p p l i e d h a s b e c o m e p o t e n t i a l e n e r g y ? W h a t h a s b e c o m e o f t h e r e s t o f t h e e n e r g y s u p p l i e d ? H o w m u c h i c e m u s t b e u s e d t o c o o l 2 0 0 g o f w a t e r a t 2 0 ° C t o 0 ° C , i f a l l t h e i c e i s m e l t e d i n t h e p r o c e s s ? 1 2 0 3 6 . 3 7 . 3 8 . 3 9 . 4 0 . 4 1 . 4 2 . 4 3 . 4 5 . 4 6 . I f 2 5 g o f i c e a t 0 ° C a r e a d d e d t o 2 0 0 g o f w a t e r a t 2 0 ° C , w h a t i s t h e fi n a l t e m p e r a t u r e a f t e r a l l t h e i c e i s m e l t e d ? A 1 0 0 - g m a s s o f m e l t e d l e a d a t i t s m e l t e d p o i n t ( 3 2 7 ° C ) i s p o u r e d i n t o 2 0 0 g o f w a t e r a t 2 2 5 ° C i n a 5 0 9 c o p p e r c a l o r i m e t e r . T h e fi n a l t e m p e r a t u r e o f t h e m i x t u r e i s 3 0 0 ° C . F i n d t h e h e a t o f f u s i o n o f t h e l e a d . H o w m a n y g r a m s o f s t e a m a r e r e q u i r e d t o m e l t e d 4 0 g o f i c e a t 0 ° C a n d p r o d u c e a fi n a l t e m p e r a t u r e o f t h e m i x t u r e o f 5 0 ° C ? A c o p p e r c a l o r i m e t e r w e i g h s 8 0 9 . W a t e r a t 5 ° C i s p o u r e d i n u n t i l t h e c a l o r i m e t e r a n d c o n t e n t s w e i g h 2 8 0 9 . S t e a m a t 1 0 0 ° C i s r u n t h r o u g h t h e w a t e r u n t i l t h e t e m p e r a t u r e i s 3 5 ° C . W h e n t h e c a l o r i m e t e r a n d c o n t e n t s a r e w e i g h e d a t t h e e n d , t h e w e i g h t i s 2 9 0 9 . F i n d t h e h e a t o f v a p o r i z a t i o n o f t h e w a t e r a n d c o m p u t e t h e p e r c e n t o f e r r o r . H o w m a n y c a l o r i e s o f h e a t a r e n e e d e d t o c h a n g e 3 0 g o f i c e a t — 5 ° C t o w a t e r a t 2 0 ° C ? H o w m u c h i c e a t 0 ° C i s n e e d e d t o c o o l 2 5 0 g o f w a t e r a t 2 5 ° C t o a t e m p e r a t u r e o f 0 ° C ? A n 1 8 - g i c e c u b e ( a t 0 ° C ) i s d r o p p e d i n t o a g l a s s c o n t a i n i n g 1 5 0 g o f C o k e a t 2 5 ° C . I f n e g l i g i b l e h e a t e x c h a n g e o c c u r s w i t h t h e g l a s s , w h a t w i l l b e t h e fi n a l t e m p e r a t u r e o f t h e C o k e a f t e r t h e i c e m e l t s ? M o l t e n l e a d a t 3 2 7 ° C i s p o u r e d i n t o a c a v i t y o f a b l o c k o f i c e a t 0 ° C . H o w m u c h i c e w i l l b e m e l t e d b y 4 0 g o f l e a d ? A s s u m e t e m p e r a t u r e e q u i l i b r i u m w i t h t h e b l o c k i s a c h i e v e d . I f 1 0 0 g o f l e a d s h o t a t 1 0 0 ° C i s d r o p p e d i n t o 5 0 g o f w a t e r a t 2 0 ° C c o n t a i n e d i n a c o p p e r c a l o r i m e t e r c a n o f 5 0 9 m a s s , w h a t i s t h e r e s u l t i n g t e m p e r a t u r e ? T o 1 0 0 g o f w a t e r c o n t a i n e d i n a 5 0 - g c o p p e r c a l o r i m e t e r a t 3 5 ° C i s a d d e d 2 0 g o f i c e a t - 1 0 ° C . W h a t i s t h e fi n a l t e m p e r a t u r e ? H o w m u c h s t e a m a t 1 0 0 ° C i s n e e d e d t o c h a n g e 4 0 g o f i c e a t - 1 0 ° C t o w a t e r a t 3 0 ° C i f t h e i c e i s i n a 5 0 9 c o p p e r c a l o r i m e t e r ? 1 2 1 4 7 . 4 8 . 4 9 . 5 0 . A 7 0 - g c a l o r i m e t e r c a n [ c = 0 . 2 0 c a l / ( g ) ( ° C ) ] c o n t a i n s 4 0 0 g o f w a t e r a n d 1 0 0 g o f i c e a t e q u i l i b r i u m . T o t h i s i s a d d e d a 3 0 0 - g p i e c e o f m e t a l [ c = 0 . 1 0 c a l / ( g ) ( ° C ) ] , w h i c h h a s b e e n h e a t e d t o a h i g h t e m p e r a t u r e . T h e fi n a l t e m p e r a t u r e i s 1 0 ° C . W h a t w a s t h e o r i g i n a l t e m p e r a t u r e o f t h e m e t a l ? 2 0 0 g r a m s o f g o l d a t 1 0 0 ° C i s p l a c e d i n a c a l o r i m e t e r c o n t a i n i n g 3 0 0 g r a m s o f w a t e r a t 2 0 ° C . T h e fi n a l t e m p e r a t u r e o f t h e m i x t u r e i s 2 1 6 ' 0 . W h a t i s t h e s p e c i fi c h e a t o f g o l d ? 2 7 . 6 g r a m s o f s t e a m i s a d d e d t o a c a l o r i m e t e r c o n t a i n i n g 4 0 0 g r a m s o f w a t e r a t 2 0 ° C . T h e fi n a l t e m p e r a t u r e i s 6 0 ° C . W h a t i s t h e h e a t o f v a p o r i z a t i o n o f w a t e r ? A m e t a l b l o c k o f m a s s 5 0 0 g i s w a r m e d f r o m 2 0 ° C t o 3 0 ° C w h e n i t a b s o r b s 1 2 0 0 c a l o r i e s o f h e a t e n e r g y . C a l c u l a t e t h e s p e c i fi c h e a t o f t h e m e t a l . 1 2 2 A P P E N D I X C 1 2 3 A c t i v i t y 1 — T h e r m o m e t e r s - F e e l i n g T e m p e r a t u r e - S t u d e n t E d i t i o n T o p i c — P h y s i c a l l y S e n s i n g T e m p e r a t u r e T i t l e - T h e r m o m e t e r s - F e e l i n g T e m p e r a t u r e P r o c e d u r e : 1 . l s y o u r p h y s i c a l s e n s e o f t e m p e r a t u r e r e l i a b l e ? 2 . P r e p a r e c o n t a i n e r s o f h o t w a t e r , w a r m w a t e r a n d c o l d w a t e r . 3 . P u t b o t h h a n d s i n w a r m w a t e r - t h e h a n d s w i l l f e e l t h e s a m e t e m p e r a t u r e . 4 . N o w p u t o n e h a n d i n h o t w a t e r a n d t h e o t h e r i n c o l d w a t e r . T h e n q u i c k l y d r y y o u r h a n d s a n d p u t t h e m i n t o t h e w a r m w a t e r . C o n c l u s i o n : 1 2 4 A c t i v i t y 2 - E s t i m a t i o n o f T e m p e r a t u r e - S t u d e n t E d i t i o n T o p i c - T e m p e r a t u r e T i t l e - E s t i m a t i o n o f T e m p e r a t u r e B a c k g r o u n d : F r o m y o u r e x p e r i e n c e w i t h h o t , c o l d a n d w a r m w a t e r s t u d e n t s c a n fi n d i t d i f fi c u l t t o j u d g e e x a c t l y h o w h o t o r c o l d a n o b j e c t i s b y s i m p l e t o u c h . A m u c h m o r e a c c u r a t e w a y f o r d e t e r m i n a t i o n o f t e m p e r a t u r e i n v o l v e s t h e u s e o f a t h e r m o m e t e r ( u s u a l l y i n ° C ) . T h i s i n v e s t i g a t i o n w i l l g i v e t h e s t u d e n t s o m e i n d i c a t i o n , b y d i s c o v e r y , h o w m u c h t h e y k n o w a b o u t t e m p e r a t u r e ( h u m a n b o d y 3 7 ° C ) . P r o c e d u r e : 1 . 9 9 5 ’ S t u d e n t s s h o u l d c o p y a . t h r o u g h n . t o n o t e c a r d s : 3 . B o i l i n g w a t e r h . R o o m t e m p e r a t u r e b . H o t t e a i . H e a l t h y h u m a n b e i n g c . C o l d e s t p o s s i b l e t e m p e r a t u r e j . I c e c r e a m c o n e d . S u r f a c e o f s u n k . F r e e z i n g w a t e r e . I n t e r i o r o f s u n I . C o m f o r t a b l e b a t h w a t e r f . H o t t e s t d a y o n e a r t h ’ s s u r f a c e m . C o l d e s t w e a t h e r r e c o r d e d o n e a r t h ’ s s u r f a c e 9 . A i r I n a r e f r i g e r a t o r n . O v e n w h e n p i z z a c o o k s I n y o u r g r o u p , d i s c u s s e a c h c a r d a n d e s t i m a t e i t s t e m p e r a t u r e . S o r t i n t o l o w , e v e r y d a y , a n d h i g h t e m p e r a t u r e . S t u d e n t s s h o u l d n o w d i s c u s s e a c h p i l e s e p a r a t e l y a n d a r r a n g e t h e c a r d s i n t h a t p i l e f r o m c o l d e s t t o h o t t e s t . N o w r e f e r t o t h e t e m p e r a t u r e c a r d s t h a t a r e p r o v i d e d . M a t c h t h e s e t e m p e r a t u r e c a r d s w i t h t h e fi r s t s e t a n d s e e i f y o u c a n m a t c h t h e m u p . I n y o u r n o t e s r e c o r d t h e t e m p e r a t u r e t h a t w a s a g r e e d o n f o r i t e m s 1 - 1 4 . L i s t t h e m f r o m c o l d e s t t o h o t t e s t . 1 2 5 A c t i v i t y 2 - E s t i m a t i o n o f T e m p e r a t u r e - S t u d e n t E d i t i o n Q u e s t i o n s : 1 . C h e c k y o u r v a l u e s a g a i n s t t h e a c t u a l t e m p e r a t u r e . ( H o w g o o d w a s y o u r g r o u p a t p r e d i c t i o n ? ) a . W h i c h t e m p e r a t u r e s w e r e e a s y t o p r e d i c t ? b . W h i c h t e m p e r a t u r e s w e r e h a r d t o p r e d i c t ? 2 . W h i c h c a r d s a r e e a s i e r t o r a n k f r o m h o t t o c o l d 1 - 1 4 ( i t e m c a r d s ) o r A - N ( t e m p e r a t u r e c a r d s ) W h y ? 3 . ~ H o w d o e s k n o w i n g t h e o b j e c t s t e m p e r a t u r e h e l p i n s c i e n t i fi c o b s e r v a t i o n s 4 . W h a t d o y o u r e m e m b e r a b o u t t e m p e r a t u r e s c a l e s ? F a h r e n h e i t ( ° F ) , C e l s i u s ( ° C ) , K e l v i n ( K ) , C o n c l u s i o n : W h e r e d i d y o u i n d i v i d u a l l y h a v e t h e m o s t o r o b l e m ? 1 2 B o i l i n g w a t e r H o t t e a 3 C o l d e s t p o s s i b l e 4 t e m p e r a t u r e S u r f a c e o f s u n 6 5 H o t t e s t d a y o n I n t e r i o r o f s u n e a r t h ' s s u r f a c e 8 7 R o o m A i r o f r e f r i g e r a t o r t e m p e r a t u r e 1 2 6 A c t i v i t y 2 - E s t i m a t i o n o f T e m p e r a t u r e - S t u d e n t E d i t i o n 9 H e a l t h y h u m a n 1 0 V b e i n g I c e c r e a m c o n e 1 2 1 1 C o m f o r t a b l e b a t h F r e e z i n g w a t e r w a t e r 1 3 C o l d e s t w e a t h e r 1 4 r e c o r d e d o n O v e n w h e n p i z z a e a r t h ' s s u r f a c e c o o k s 1 2 7 A c t i v i t y 2 - E s t i m a t i o n o f T e m p e r a t u r e - S t u d e n t E d i t i o n A B - 2 7 3 d e g r e e s C - 8 9 d e g r e e s C C D 8 0 d e g r e e s C - 1 0 d e g r e e s C E F 1 0 0 d e g r e e s C 2 0 d e g r e e s C H G 1 5 , 0 0 0 , 0 0 0 d e g r e e s 5 8 d e g r e e s C C l J 3 7 d e g r e e s C 1 6 0 d e g r e e s C K L 0 d e g r e e s C 4 0 d e g r e e s C M N 6 0 0 0 d e g r e e s C 7 d e g r e e s C 1 2 8 ? 9 9 ' 5 “ A c t i v i t y 3 - H i s t o r i c a l D i a l o g u e - T e m p e r a t u r e a n d H e a t - S t u d e n t E d i t i o n — T o p i c - H i s t o r i c a l D i a l o g u e T i t l e - H i s t o r i c a l D i a l o g u e — T e m p e r a t u r e a n d H e a t B a c k g r o u n d . M o s t s t u d e n t s w o u l d p r e d i c t t h a t i f h e a t e n e r g y i s a d d e d t o a s u b s t a n c e i t s t e m p e r a t u r e w o u l d r i s e . 1 . W h a t d o e s t h i s m e a n ? 2 . W h a t i s h e a t ? 3 . P u t y o u r h a n d i n c o l d w a t e r . W h y d o e s y o u r h a n d f e e l c o l d ? ( H e a t t r a n s f e r s f r o m t h e h a n d t o t h e s u r r o u n d i n g w a t e r . Y o u r h a n d d e t e c t s t h i s l o s s a n d t e l l s y o u t h e e n v i r o n m e n t i s c o l d . ) H e a t fl o w s f r o m y o u r h a n d t o c o l d w a t e r . H e a t fl o w s f r o m t h e s u n t o y o u r s k i n . H e a t fl o w s f r o m t h e s t o v e t o t h e p o t . H e a t fl o w s f r o m t h e t o n g u e t o t h e i c e c r e a m . H e a t i s t r a n s f e r r e d b u t w h a t i s i t ? H i s t o r i c a l D i a l o g u e : P r o b l e m o f h e a t t r a n s f e r p u z z l e d t h e w o r l d ’ s n a t u r a l p h i l o s o p h i e s a n d t h e s t o r y o f A n t o i n e L a v o i s i e r ’ s h y p o t h e s i s p o i n t s t h i s o u t . G r e a t M o m e n t s i n t h e H i s t o r y o f H e a - L a v o i s i e r i s f a m o u s t o d a y f o r h i s w o r k i n C h e m i s t r y b u t h e a l s o s t u d i e d P h y s i c s . H i s w i f e , M a r i e A n n e , o f t e n h e l p e d h i m w i t h h i s s t u d i e s . M a r i e w o u l d t r a n s l a t e p a p e r s f r o m E n g l i s h t o F r e n c h t o h e l p h i m . A n t . - “ M a r i e A n n e c o u l d y o u p l e a s e b r i n g m e a n o t h e r c a n d l e , m i n e i s n e a r l y o u t . M a r i e r e a c h e s f o r t h e c a n d l e a n d i s s u d d e n l y b u r n e d . M a r i e — “ O u c h l l ” A n t . - “ W h a t h a p p e n e d m y d e a r ? M a r i e - “ N o t h i n g r e a l l y . H o w e v e r , I b u r n e d m y h a n d s l i g h t l y a s I c h a n g e d t h e c a n d l e . ” A n t . — “ N o w t h a t i s i n t e r e s t i n g a s l w a s j u s t w o r k i n g o n a t h e o r y a b o u t h o w h e a t m o v e s . ” M a r i e — “ M a y I s e e ? O h s o y o u r h y p o t h e s i s i s t h a t h e a t i s a s u b s t a n c e t h a t h a s m a s s . ” 1 2 9 A c t i v i t y 3 — H i s t o r i c a l D i a l o g u e - T e m p e r a t u r e a n d H e a t - S t u d e n t E d i t i o n A n t . — “ Y e s M a r i e . L e t m e d r a w y o u a d i a g r a m t o h e l p e x p l a i n . I w i l l u s e w h a t h a p p e n e d t o y o u a s a n e x a m p l e . W h i c h w a s h o t t e r , M a r i e , t h e c a n d l e w a x o r y o u r h a n d ? M a r i e - “ W e l l o b v i o u s l y m y b u r n e d fi n g e r p r o v e s t h a t t h e w a x w a s h o t t e r . ” A n t . - “ M y h y p o t h e s i s s t a t e s t h a t w h e n a n o b j e c t , y o u r fi n g e r m y d e a r , t o u c h e s a w a r m e r o b j e c t , t h e c a n d l e i n o u r c a s e , t h e c a l o r i c fl u i d fl o w s f r o m t h e w a r m e r o b j e c t t o t h e c o o l e r o b j e c t . M y b e s t g u e s s s t a t e s i t w a s t h e h e a t fl u i d c a l o r i c t h a t b u r n e d y o u r h a n d . ” M a r i e - “ A n t o n i n e y o u r h y p o t h e s i s s o u n d s v e r y l o g i c a l h o w e v e r m y q u e s t i o n c o n c e r n s t h e m a s s o f t h i s c a l o r i c fl u i d . ” A n t . — “ M a r i e , i t i s l a t e b u t I w i l l d e s i g n a n e x p e r i m e n t t o t e s t t h i s h y p o t h e s i s . W e w i l l d i s c u s s t h i s m o r e a t a l a t e r d a t e a f t e r m y i n v e s t i g a t i o n s . ” Q u e s t i o n s : 1 . W h a t w e r e L a v o i s i e r ’ s fi e l d s o f i n t e r e s t ? 2 . W h y d o y o u t h i n k t h e w a x d r o p p i n g o n M a r i e ’ s h a n d w a s i m p o r t a n t a s L a v o i s i e r s t u d i e d h e a t a n d t e m p e r a t u r e ? 3 . H o w d o e s t h e d r o p p i n g w a x r e l a t e t o L a v o i s i e r ’ s t h e o r y o f h o w h e a t m o v e s ? 4 . W h a t d i d L a v o i s i e r m e a n b y “ c a l o r i c ” ? 5 . W h a t i m p o r t a n t q u e s t i o n s d i d M a r i e A n n e a s k h e r h u s b a n d a b o u t h i s t h e o r y ? 6 . I n y o u r o w n w o r d s , s t a t e L a v o i s i e r ’ h y p o t h e s i s . 7 . D o y o u s e e a n y p r o b l e m s w i t h t h i s h y p o t h e s i s ? 8 . A c c o r d i n g t o h i s h y p o t h e s i s , w h a t s h o u l d h a p p e n a s a n o b j e c t i s h e a t e d ? C o o l e d ? 9 . W h a t t y p e o f i n v e s t i g a t i o n w o u l d y o u d o t o t e s t L a v o i s i e r ’ s h y p o t h e s i s ? 3 . S u b m i t y o u r d e s i g n . b . C a r r y o u t t h e e x p e r i m e n t . c . D o t h e r e s u l t s s u p p o r t t h e h y p o t h e s i s ? 1 3 0 A c t i v i t y 3 - H i s t o r i c a l D i a l o g u e - T e m p e r a t u r e a n d H e a t - S t u d e n t E d i t i o n C o n c l u s i o n : W h a t d o y o u c o n c l u d e a b o u t L a v o i s i e r ’ s c a l o r i c fl u i d ? 1 3 1 A c t i v i t y 4 — T e s t i n g a T h e r m o m e t e r - S t u d e n t E d i t i o n A c t i v i t y - D e m o n s t r a t i o n T o p i c - T h e r m o m e t e r A c c u r a c y T i t l e - T e s t i n g a T h e r m o m e t e r P r o c e d u r e : 1 . C h e c k a v a i l a b l e t h e r m o m e t e r s i n i c e w a t e r a n d b o i l i n g w a t e r ( C h e c k b o i l i n g p o i n t a n d f r e e z i n g p o i n t ) 2 . M a y w a n t t o b u y b l a n k t h e r m o m e t e r s a n d h a v e k i d s i n v e n t t h e i r o w n s c a l e s a n d c o m e u p w i t h a w a y t o m a r k o f f t h e s c a l e . C o n c l u s i o n : 1 3 2 A c t i v i t y 5 - P r o b e a F l a m e w i t h a S m a l l T h e r m o c o u p l e a n d A m p m e t e r - S t u d e n t E d i t i o n _ _ _ — — T o p i c - T h e r m o c o u p l e T i t l e — P r o b e a fl a m e w i t h a s m a l l t h e r m o c o u p l e a n d a m p m e t e r . P r o c e d u r e : T h e t e m p e r a t u r e o f t h e fl a m e p a r t s w i l l v a r y . O b s e r v a t i o n s : C o n c l u s i o n : 1 3 3 A c t i v i t y 6 - T r a n s f e r o f E , t o H e a t E n e r g y - S t u d e n t E d i t i o n T o p i c - C o n d u c t i o n ( b y f r i c t i o n ) T i t l e — T r a n s f e r o f E , t o H e a t E n e r g y P r o c e d u r e : 9 ' 9 9 1 ° ? " 6 . N e e d a p i e c e o f t h i n i r o n w i r e - c o a t h a n g e r ? W r a p a s m a l l p i e c e o f h e a t s h e e t a r o u n d o n e e n d o f t h e i r o n w i r e . H o l d o n t o t h e o t h e r e n d o f t h e w i r e . W h i l e h o l d i n g o n t o t h e w i r e , h i t t h e l e a d p i e c e s e v e r a l t i m e s w i t h a h a m m e r . Y o u s h o u l d b e a b l e t o f e e l t h e t e m p e r a t u r e r i s e a s h e a t i s c o n d u c t e d f r o m t h e l e a d t h r o u g h t h e w i r e t o y o u r h a n d . A l s o f e e l t h e l e a d b e f o r e a n d a f t e r i t w a s h i t b y t h e h a m m e r . D a t a a n d C a l c u l a t i o n s : C o n c l u s i o n s : 1 3 4 A c t i v i t y 7 - P r o c e s s o f C o n d u c t i o n - S t u d e n t E d i t i o n T o p i c - P r o c e s s o f C o n d u c t i o n T i t l e — P r o c e s s o f C o n d u c t i o n P r o c e d u r e : N e e d t o u s e P l e x i g l a s m o d e l s o n t h e o v e r h e a d t o i l l u s t r a t e t h e t e n e t s o f t h e k i n e t i c m o l e c u l a r t h e o r y . A l s o u s e 3 t u b e s w i t h v a r y i n g a m o u n t s o f l e a d s h o t B B s t o d e m o n s t r a t e s o l i d s , l i q u i d s a n d g a s e s . A g l a s s t u b e i s p a c k e d t i g h t l y w i t h l e a d s h o t t o i l l u s t r a t e a s o l i d . A v i b r a t i o n a l w a v e g e n e r a t o r i s u s e d t o s e t u p v i b r a t i o n s i n t h e l e a d B B s t o p r o v i d e a n a n a l o g y f o r t h e p r o c e s s o f c o n d u c t i o n . O b s e r v a t i o n s : C o n c l u s i o n : 1 3 5 A c t i v i t y 8 — W a t e r i s a P o o r C o n d u c t o r o f H e a t - S t u d e n t E d i t i o n T o p i c - H e a t C o n d u c t i o n o f W a t e r T i t l e - W a t e r i s a P o o r C o n d u c t o r o f H e a t P r o c e d u r e : 1 . U s e y o u r b a r e fi n g e r s t o h o l d t h e b o t t o m o f a t e s t t u b e fi l l e d w i t h c o l d w a t e r . T i l t t h e t e s t t u b e s o y o u c a n h e a t t h e w a t e r i n t h e u p p e r p a r t o f t h e t e s t t u b e . O b s e r v a t i o n s : 2 . B o i l w a t e r i n a p a p e r c u p . P o u r w a t e r i n t o a p a p e r c u p a n d h o l d i t o v e r a fl a m e . O b s e r v a t i o n s : 3 . P u t s m a l l p i e c e s o f i c e i n t h e b o t t o m o f a t e s t t u b e t h a t c o n t a i n s w a t e r . N e e d t o p u t w e i g h t s o n t h e i c e t o k e e p i c e i n t h e b o t t o m . H e a t t h e w a t e r n e a r t h e t o p w i t h a n a l c o h o l b u r n e r . O b s e r v a t i o n s : C o n c l u s i o n : 1 3 6 A c t i v i t y 9 - A t o m s o f S u b s t a n c e - S t u d e n t E d i t i o n A c t i v i t y — D e m o n s t r a t i o n T h i s i s a n o t h e r a c t i v i t y w h e r e s t u d e n t s c a n r e l a t e w h a t t h e y o b s e r v e t o k i n e t i c m o l e c u l a r t h e o r y . H o p e f u l l y , t h e y c a n e x p l a i n w h a t i s h a p p e n i n g t o t h e a t o m s o f t h e s u b s t a n c e b a s e d o n t h e i r o b s e r v a t i o n o f t h e b a r T o p i c - K i n e t i c M o l e c u l a r T h e o r y T i t l e - A t o m s o f S u b s t a n c e P r o c e d u r e : 1 . 2 . c m S t u d e n t s w i l l n e e d 4 0 c m l e n g t h s o f 1 0 g a u g e c o p p e r a n d s t e e l w i r e ( b a r ) - S t e e l f r o m c o a t h a n g e r w i t h p a i n t s a n d e d o f f . N e e d t o d i p w i r e i n m e l t e d w a x s o 3 0 - 4 0 c m i s c o a t e d w i t h w a x . M a k e c e r t a i n b o t h w i r e s a r e c o a t e d t h e s a m e . U s e a p e n c i l p o i n t t o m a k e a m a r k a t e a c h 1 c m m a r k a l o n g t h e w a x e d p a r t o f t h e w i r e . ( S t a r t a t t h e u n c u t e n d . ) S u p p o r t t h e w i r e s h o r i z o n t a l l y a n d h e a t t h e u n w a x e d e n d w i t h c a n d l e s o f t h e s a m e d i a m e t e r , h e i g h t a n d w i c k l e n g t h . S t a r t a s t o p w a t c h a n d r e c o r d t h e t i m e e a c h c m m a r k i n t h e w a x m e l t s s o i t c a n ’ t b e s e e n ( 1 1 3 1 m a r k a t 1 1 c m ) . S t u d e n t s n e e d t o g r a p h t h e d a t a t o a l l o w t h e m t o v i s u a l i z e t h e t i m e i t t a k e s h e a t t o b e c o n d u c t e d a l o n g e a c h w i r e . T h e h e a t w i l l m e l t t h e w a x a s i t t r a v e l s d o w n t h e w i r e . 2 1 1 1 1 v a r i a t i o n — a l s o u s i n g w a x a . P l a c e d r o p s o f w a x f r o m a l i t c a n d l e o n a b a r o r w i r e a t s o m e r e g u l a r i n t e r v a l ( 0 - 5 - 1 0 - 1 5 - 2 0 - 2 5 - 3 0 ) . b . P l a c e t a c k s i n t h e h o t w a x b e f o r e i t c o o l s ( a t t h e s p e c i fi c m a r k s ) . c . A s h e a t t r a v e l s a l o n g t h e b a r t h e w a x m e l t s a n d s t u d e n t s c a n t i m e t h e f a l l o f t h e t a c k s . d . U s e t h e d a t a t o c o n s t r u c t a g r a p h o f d i s t a n c e v s . t i m e . 1 1 0 t i m e 1 3 7 A c t i v i t y 9 — A t o m s o f S u b s t a n c e - S t u d e n t E d i t i o n D a t a a n d C a l c u l a t i o n s : 1 V a r i a t i o n V a r i a t i o n c m t i m e t i m e 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 C o n c l u s i o n : 1 3 8 A c t i v i t y 1 0 — C o n d u c t i o n o f H e a t b y M e t a l s ( D a v y M i n e r ’ s L a b ) - S t u d e n t E d i t i o n T o p i c — C o n d u c t i o n T i t l e - C o n d u c t i o n o f H e a t b y M e t a l s ( D a v y M i n e r ’ s L a b ) P r o c e d u r e : 1 . H o l d a l e n g t h o f w i r e c o a t h a n g e r h o r i z o n t a l l y o v e r a fl a m e w i t h y o u r fi n g e r s a s m a l l d i s t a n c e f r o m t h e fl a m e . a . W e b e c o m e s t o o h o t t o h o l d . b . P r o g r e s s i v e l y m o v e y o u r fi n g e r s b a c k . c . S h o u l d f e e l t h e h e a t m o v i n g a l o n g t h e w i r e . O b s e r v a t i o n s : 2 . U s e i d e n t i c a l l e n g t h s o f d i f f e r e n t m e t a l b a r s o r t u b e s ( F e , C u , A l , b r a s s ) a . P u t b l o b s o f m e l t e d w a x a t i n t e r v a l s a l o n g t h e b a r s . b . P u t t a c k s o r t h u m b t a c k s i n t o t h e s o f t w a x . c . H e a t t h e e n d o f t h e b a r a n d t h e b l o b s w i l l m e l t a l l o w i n g t h e t a c k s t o f a l l a s h e a t m o v e s d o w n t h e b a r . i . T i m e t h e f a l l s . i i . G r a p h t h e d a t a O b s e r v a t i o n s : 3 . H o l d a s c r e e n o r s o m e m e t a l g a u z e ( F e 1 m m ) o v e r a fl a m e o f a s m a l l c a n d l e . a . L o w e r t h e w i r e g a u z e a n d t h e fl a m e g e t s s m a l l e r . b . T h e fl a m e w i l l n o t g o t h r o u g h t h e w i r e n e t t i n g . O b s e r v a t i o n s : 1 3 9 A c t i v i t y 1 0 — C o n d u c t i o n o f H e a t b y M e t a l s ( D a v y M i n e r ’ s L a b ) - S t u d e n t E d i t i o n 4 . H u m p h r e y D a v y - I n v e n t s a m i n e r ’ s s a f e t y l a m p a . M e t a l g a u z e a r o u n d t h e fl a m e i n t h e l a m p c o n d u c t s h e a t a w a y f r o m t h e fl a m e s o i t c a n n o t i g n i t e e x p l o s i v e g a s i n t h e c o a l m i n e . b . N e e d a n u n l i t b u r n e r u n d e r a t r i p o d s t a n d a n d c o v e r i t w i t h 1 m m F e g a u z e . c . P u t a m e t a l c o i n o r k e y o n t h e p a p e r a n d h o l d o v e r t h e c a n d l e fl a m e . O b s e r v a t i o n s : D a t a a n d G r a p h : T a c k T i m e T a c k T i m e T a c k T i m e 1 6 1 1 2 7 1 2 3 8 1 3 4 9 1 4 5 1 1 5 C o n c l u s i o n : 1 4 0 A c t i v i t y 1 1 - C o p p e r C o i l S n u f f e r - S t u d e n t E d i t i o n T o p i c — T h e E f f e c t o f H e a t C o n d u c t i o n T i t l e - C o p p e r C o i l S n u f f e r P r o c e d u r e : 1 . P l a c e a c o i l o f h e a v y C u o r A l w i r e o v e r t h e fl a m e o f a s m a l l s i z e c a n d l e . ( F l a m e w i l l g o o u t . ) W h y ? 2 . W e c a n s n u f f o u t a c a n d l e fl a m e i f t h e r e i s n o 0 2 b u t h e r e 0 2 c a n e a s i l y g e t t o t h e fl a m e . O b s e r v a t i o n s : C o n c l u s i o n : 1 4 1 A c t i v i t y 1 2 - C o n d u c t i o n - R e d u c e _ H e a t L o s s w i t h I n s u l a t i o n M a t e r i a l s - S t u d e n t E d i t i o n — T o p i c - V a l u e o f I n s u l a t i o n T i t l e - C o n d u c t i o n - R e d u c e H e a t L o s s w i t h I n s u l a t i o n M a t e r i a l s . P r o c e d u r e : 1 . 2 . 8 . N e e d 4 l a r g e t i n c a n s o f e q u a l s i z e a n d 4 s m a l l e r t i n c a n s o f e q u a l s I z e . I n s i d e fi r s t l a r g e c a n p u t t h e s m a l l c a n s i t t i n g o n 2 c o r k s i n t h e l a r g e c a n ( t h i s i s t h e c o n t r o l ) . S e l e c t t y p e s o f i n s u l a t i n g m a t e r i a l . a . S a w d u s t b . N e w s p a p e r c . C o r k p i e c e s d . P l a s t i c ( f o a m ) e . F i b e r g l a s s P u t t h e s m a l l c a n s i n t o t h e l a r g e r c a n s a n d p a c k o n e t y p e o f i n s u l a t i o n m a t e r i a l u n d e r a n d a r o u n d e a c h o f t h e s m a l l c a n s . C a r d b o a r d c o v e r o n e a c h l a r g e c a n w i t h a h o l e f o r a t h e r m o m e t e r . F i l l e a c h s m a l l c a n w i t h w a t e r t h a t i s n e a r l y b o i l i n g ( R e c o r d T i ) . R e c o r d t h e t e m p e r a t u r e o f e a c h c a n a t r e g u l a r i n t e r v a l s a n d p l o t a c o o l i n g c u r v e b y p l o t t i n g t e m p e r a t u r e v s . t i m e f o r e a c h c a n . W h a t m a t e r i a l i s t h e b e s t i n s u l a t o r ? D a t a a n d C a l c u l a t i o n s : T i m e R i s e T i m e R i s e T i m e R i s e T i m e R i s e ( M i n ) ( c m ) ( M i n ) ( c m ) ( M i n ) ( c m ) ( M i n ) ( c m ) 0 5 1 0 1 5 1 6 1 1 1 6 2 7 1 2 1 7 3 8 1 3 1 8 4 9 1 4 1 9 C o n c l u s i o n : 1 4 2 A c t i v i t y 1 3 — C o n v e c t i o n C u r r e n t s ( B l a c k P e p p e r / C h a r c o a l ) - S t u d e n t E d i t i o n T o p i c — C o n v e c t i o n T i t l e - C o n v e c t i o n C u r r e n t s ( b l a c k p e p p e r / c h a r c o a l ) P u r p o s e : S t u d e n t s w i l l e x a m i n e p a r t i c l e s t r a p p e d i n c o n v e c t i o n c u r r e n t s t o s e e i f t h e y a r e m o v i n g i n a n y p a r t i c u l a r d i r e c t i o n . P r o c e d u r e : 1 . 2 . U s e a c a n d l e o r s m a l l b u r n e r t o h e a t a b e a k e r o f w a t e r . H e a t s o u r c e s h o u l d b e i n t h e c e n t e r o f t h e b e a k e r . U s e a s c r e e n b e t w e e n t h e b e a k e r a n d t h e fl a m e t o d i f f u s e t h e fl a m e . ( M a y w a n t t o l o o k a t t h i s c a r e f u l l y . ) A d d e i t h e r : a . F l a k e s o f b l a c k p e p p e r b . P i n c h o f p o w d e r e d c h a r c o a l c . O b s e r v e w h a t h a p p e n s t o t h e p a r t i c l e s a n d d r a w a d i a g r a m . M o v e t h e h e a t s o u r c e t o t h e e d g e o f t h e b e a k e r a n d o b s e r v e t h e e f f e c t o n t h e c o n v e c t i o n c u r r e n t s . P o s s i b l e t o r e p e a t t h e e x p e r i m e n t w i t h c a n o l a o i l v s . w a t e r . ( R e p e a t t h e o b s e r v a t i o n s a n d d o n o t t a k e e i t h e r a b o v e 5 0 ° C . ) O b s e r v a t i o n s a n d D i a g r a m s : C o n c l u s i o n : 1 4 3 A c t i v i t y 1 4 - C o n v e c t i o n i n H o t W a t e r a n d C o l d W a t e r - S t u d e n t E d i t i o n T o p i c — K i n e t i c M o l e c u l a r T h e o r y T i t l e - C o n v e c t i o n i n H o t W a t e r a n d C o l d W a t e r P u r p o s e : U s e t h e d e m o n s t r a t i o n a s a n i l l u s t r a t i o n o f t h e t e n e t s o f t h e k i n e t i c m o l e c u l a r t h e o r y . P r o c e d u r e : 1 . S t u d e n t s n e e d 2 c l e a r j a r s , o n e f u l l o f h o t w a t e r ( 5 0 ’ C + ) a n d 1 f u l l o f i c e w a t e r . 2 . A d d 1 d r o p o f f o o d c o l o r i n g t o e a c h j a r . M a k e o b s e r v a t i o n s a n d d r a w a d i a g r a m o f w h a t y o u s e e a n d i n c l u d e a s u m m a r y o f t h e s p e e d o f t h e p r o c e s s i n b o t h j a r s . 3 . U s e t h e a s s u m p t i o n s o f k i n e t i c m o l e c u l a r t h e o r y t o e x p l a i n w h a t i s h a p p e n i n g i n e a c h j a r . O b s e r v a t i o n s : C o n c l u s i o n : 1 4 4 A c t i v i t y 1 5 - C o n v e c t i o n C u r r e n t f r o m a n I n k B o t t l e - S t u d e n t E d i t i o n T o p i c - C o n v e c t i o n i n L i q u i d s T i t l e - C o n v e c t i o n C u r r e n t f r o m a n I n k B o t t l e P r o c e d u r e : 1 . N e e d a s m a l l i n k b o t t l e fi l l e d w i t h a t w o h o l e s t o p p e r . 2 . N e e d 2 p i e c e s o f g l a s s t u b i n g . a . O n e p i e c e s h o u l d e x t e n d f r o m t h e s t o p p e r t o a l m o s t t h e b o t t o m o f t h e b o t t l e . b . T h e o t h e r p i e c e s h o u l d e x t e n d 5 c m u p f r o m t h e s t o p p e r . c . F i l l t h e b o t t l e w i t h h o t c o l o r e d w a t e r . 3 . F i l l a l a r g e b e a k e r w i t h c o l d w a t e r . 4 . P u t t h e s m a l l b o t t l e i n t h e b o t t o m o f t h e l a r g e b e a k e r a n d h o l d fi n g e r s o v e r t h e e n d s o f t h e t u b i n g . O b s e r v a t i o n s : C o n c l u s i o n : 1 4 5 A c t i v i t y 1 6 — C o n v e c t i o n C u r r e n t s i n a B e a k e r - S t u d e n t E d i t i o n T o p i c — C o n v e c t i o n i n L i q u i d s T i t l e - C o n v e c t i o n C u r r e n t s i n a B e a k e r P r o c e d u r e : 1 . F i n d t h e m a s s o f a n e m p t y b e a k e r ( 1 0 0 m l ) . 3 . A d d 8 0 m l o f c o l d w a t e r . b . F i n d t h e m a s s o f t h e c o l d w a t e r . 2 . R e p e a t t h e p r o c e s s w i t h a n e q u a l v o l u m e o f 9 0 ° C w a t e r . 3 . M a k e u p a d a t a c h a r t a n d e x p l a i n r e s u l t s . O b s e r v a t i o n s : C o n c l u s i o n : 1 4 6 A A c t i v i t y 1 7 - C o n v e c t i o n C u r r e n t s i n a T e s t T u b e - S t u d e n t E d i t i o n T o p i c - C o n v e c t i o n ( i n l i q u i d s ) T i t l e - C o n v e c t i o n - C o n v e c t i o n C u r r e n t s i n a T e s t T u b e P r o c e d u r e : F i l l a t e s t t u b e w i t h c o l d w a t e r 2 . W h e n t h e w a t e r i s s t i l l , a d d a s m a l l c r y s t a l o f K M n O 4 ( a q ) a n d l e t i t f a l l t o t h e b o t t o m l e a v i n g a c o l o r t r a c e . 3 . H o l d t h e t e s t t u b e w i t h y o u r b a r e fi n g e r s n e a r t h e t o p b u t n o t a b o v e t h e w a t e r l e v e l . 4 . H e a t w i t h a s m a l l b u r n e r o r c a n d l e fl a m e a t t h e b o t t o m o f t h e t u b e . a . W e c a n h o l d t h e t u b e w i t h o u r b a r e fi n g e r s ( p r e v i o u s e x p e r i m e n t ) . b . O b s e r v e t h e m o v e m e n t o f t h e d i s s o l v e d K * , M n O 4 ' i n t h e c o n v e c t i o n c u r r e n t . ( D i a g r a m o f o b s e r v a t i o n ) . 5 . R e p e a t b u t n o w h e a t g e n t l y n e a r t h e t o p w h i l e h o l d i n g t h e t e s t t u b e n e a r t h e b o t t o m . E x p l a i n . O b s e r v a t i o n s a n d d i a g r a m s : C o n c l u s i o n : 1 4 7 A c t i v i t y 1 8 - C o n v e c t i o n C u r r e n t s i n A i r - S t u d e n t E d i t i o n T o p i c - C o n v e c t i o n i n G a s e s T i t l e - C o n v e c t i o n C u r r e n t s i n A i r P r o c e d u r e : 1 . N e e d a d i s k o f t h i n m e t a l f r o m a m e t a l c a n . a . C u t 4 b l a d e s a r o u n d t h e d i s k a n d p i v o t o n a n e e d l e . b . H o l d d i s k a b o v e a c a n d l e fl a m e . 2 . C a n a l s o u s e t h e d i f f e r e n c e i n r e f r a c t i v e i n d e x e s o f w a r m a n d c o l d a i r t o s h o w a i r c u r r e n t s . a . S t r o n g l i g h t w i l l c a s t s h a d o w s f r o m a c o n v e c t i o n c u r r e n t g e n e r a t e d b y a n e l e c t r i c h e a t e r . b . M a k e a c o n v e c t i o n b o x - c u t a w a y 1 s i d e a n d r e p l a c e i t w i t h g l a s s . i . C u t t w o , 2 c m h o l e s a n d 1 0 a p a r t i n t h e t o p o f t h e b o x . i i . A t t a c h t w o t u b e s a b o v e t h e h o l e s t o b e c h i m n e y s . i i i . P u t a c a n d l e i n t h e b o x u n d e r o n e c h i m n e y a n d l i g h t t h e c a n d l e . i v . H o l d t h e s m o k i n g p a p e r a b o v e e a c h c h i m n e y . v . W r i t e d o w n y o u r o b s e r v a t i o n s . 3 . S t u d e n t s w i l l t r a c e c o n v e c t i o n c u r r e n t s a . H a n g a T - s h a p e d p i e c e o f c a r d b o a r d f r o m t h e r i m o f a l a r g e j a r . b . S t e m o f T - s h a p e s h o u l d r e a c h h a l f w a y d o w n t h e j a r . c . U s e a w i r e l o o p t o l o w e r a l i g h t e d c a n d l e i n t o o n e s i d e o f t h e j a r . d . U s e s m o k i n g p a p e r t o fi n d t h e c o n v e c t i o n c u r r e n t s i n t h e j a r . e . O b s e r v a t i o n s a n d d i a g r a m s . O b s e r v a t i o n s : C o n c l u s i o n : 1 4 8 ? ” . 9 ? ‘ 9 ” ? ‘ 5 A c t i v i t y 1 9 - T r a n s f e r o f H e a t b y R a d i a t i o n - S t u d e n t E d i t i o n T o p i c - R a d i a t i o n T i t l e — T r a n s f e r o f H e a t b y R a d i a t i o n B a c k g r o u n d I n f o r m a t i o n : - S t u d e n t a c t i v i t y w i l l f o c u s o n t h e t r a n s f e r o f r a d i a t i o n t o t h e r m a l e n e r g y . 1 . L i g h t - p h o t o n s o r p a r t i c l e s 2 . e m w a v e s t h a t t r a v e l t h r o u g h s p a c e c a r r y e n e r g y w i t h t h e m . - W h e n t h e s e e m w a v e s / p a r t i c l e s h i t a n o b j e c t T h e y e i t h e r r e fl e c t ( m e t a l l i c o r w h i t e r e fl e c t ) T h e a r e a b s o r b e d i n t o t h e o b j e c t ( d a r k e r c o l o r ) I n a q u a l i t a t i v e s e n s e s t u d e n t s c a n l o o k a t t h e o b j e c t a n d s e e i f a n y t h i n g i s r e fl e c t i n g o f f t h e o b j e c t . I f t h e o b j e c t i s r e fl e c t i n g l i g h t t h a t h i t s i t , i t s h o u l d l o o k l i k e a m i r r o r . I f i t i s a b s o r b i n g a p a r t i c u l a r c o l o r t h e n t h e o t h e r c o l o r s a r e r e fl e c t i n g . B l a c k a b s o r b s a l l c o l o r s s o t h e r e i s n o r e fl e c t i o n . W h i t e i s d e fi n e d a s a l l c o l o r s m i x e d t o g e t h e r , t h e r e f o r e w h i t e r e fl e c t s a l l c o l o r s a t t h e s a m e t i m e . - T h e q u a n t i t a t i v e w a y t o m e a s u r e t h e a b s o r p t i o n o f e n e r g y i s t o a p p l y e m r a d i a t i o n t o s e v e r a l o b j e c t s . 1 . M e a s u r e t h e i r r e l a t i v e t e m p e r a t u r e i n c r e a s e s . 2 . C o m p a r e t h e t e m p e r a t u r e s ( s a m e t i m e e x p o s u r e ) . 3 . H i g h e r t e m p e r a t u r e ( s a m e t i m e i n t e r v a l ) h a v e a b s o r b e d m o r e e m r a d i a t i o n . P u r p o s e : P u r p o s e i s t o s h o w t h e t r a n s f e r o f e n e r g y f r o m r a d i a t i o n e n e r g y t o t h e r m a l ( h e a t ) e n e r g y a n d f r o m t h e r m a l e n e r g y t o k i n e t i c e n e r g y ( m o t i o n ) . T h e s e a r e a l l f o r m s o f e n e r g y t h e a m o u n t o f w h i c h i s c o n s e r v e d t h r o u g h o u t t h e s y s t e m . P r o c e d u r e : - S h o w t h e r a d i o m e t e r a n d d i s c u s s h o w i t i s m a d e . 1 . T h e i n s i d e o f t h e b u l b i s s e a l e d ( v a c u u m ) s o t h e w i n d c a n n o t s p i n i t s v a n e s . 2 . T h e r e i s a f r i c t i o n l e s s p i v o t t h a t a l l o w s t h e v a n e s t o t u r n e a s i l y . 3 . E a c h v a n e h a s a w h i t e a n d b l a c k s i d e a n d i s o r i e n t e d i n t h e s a m e w a y ( e a c h i s w h i t e o n o n e s i d e a n d b l a c k o n t h e o t h e r ) . - S t u d e n t s , i s i t p o s s i b l e t o h a v e t h e v a n e s S p i n w i t h o u t t o u c h i n g t h e m ? 1 4 9 A c t i v i t y 1 9 - T r a n s f e r o f H e a t b y R a d i a t i o n - S t u d e n t E d i t i o n - T u r n o n t h e l i g h t b u l b n e x t t o t h e r a d i o m e t e r . ( O b s e r v a t i o n ) 1 . P u t a p i e c e o f h e a v y p a p e r b e t w e e n t h e l i g h t a n d t h e r a d i o m e t e r . ( O b s e r v a t i o n ) 2 . T a k e t h e p a p e r a w a y . ( O b s e r v a t i o n ) 3 . W h y d o e s t h e r a d i o m e t e r b e h a v e t h i s w a y ? 4 . I s t h e l i g h t h e a t i n g s o m e t h i n g ? 5 . I s t h e a i r i n s i d e b e i n g h e a t e d ? 6 . A r e t h e v a n e w i n g s b e i n g h e a t e d ? 7 . T h e l i g h t h i t s e i t h e r s i d e o f t h e v a n e s e q u a l l y s o w h y d o e s i t s p i n ? 1 5 0 A c t i v i t y 1 9 — T r a n s f e r o f H e a t b y R a d i a t i o n - S t u d e n t E d i t i o n D i s c u s s i o n Q u e s t i o n s : 1 . W h a t i s t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n c o n d u c t i o n h e a t i n g a n d r a d i a n t h e a fi n g ? 2 . D o d i f f e r e n t c o l o r e d m a t e r i a l s a b s o r b d i f f e r e n t a m o u n t s o f h e a t b y r a d i a t i o n ? C o n c l u s i o n : 1 5 1 A c t i v i t y 2 0 — F e e l R a d i a t i o n - S t u d e n t E d i t i o n T o p i c - R a d i a t i o n T i t l e - F e e l R a d i a t i o n P r o c e d u r e : 1 . C l o s e t h e w i n d o w t h a t i s f a c i n g t h e s u n . a . C a n y o u f e e l t h e s u n ’ s r a d i a t i o n o n y o u r c h e e k ? b . S t a n d n e a r a n o p e n w i n d o w t o f e e l t h e s a m e r a d i a t i o n f r o m t h e s u n o n y o u r c h e e k . C l o s e t h e w i n d o w . 2 . H e a t e r | 2 5 c m c h e e k l ‘ — — ’ O b s e r v a t i o n s : P u t g l a s s o v e r t h e h o l e . F e e l t h e r a d i a t i o n ? 2 p i e c e s o f g l a s s . H o w d o e s t h e r a d i a t i o n c o m p a r e ? C o n c l u s i o n : 1 5 2 A c t i v i t y 2 1 - H e a t T r a n s f e r b y R a d i a t i o n - S t u d e n t E d i t i o n A c t i v i t y - D e m o n s t r a t i o n T o p i c — R a d i a t i o n T i t l e — T r a n s f e r H e a t b y R a d i a t i o n P r o c e d u r e : 1 . H o l d p a l m o f h a n d v e r y c l o s e t o b u t n o t t o u c h i n g c h e e k . ( O b s e r v a t i o n ) 2 . H o l d h a n d u n d e r a n u n l i g h t e d e l e c t r i c b u l b , p a l m u p w a r d . a . T u r n o n e l e c t r i c i t y . ( O b s e r v a t i o n ) b . A i r i s a p o o r c o n d u c t o r o f h e a t s o t h e h e a t c o u l d n o t r e a c h y o u r h a n d q u i c k l y b y c o n d u c t i o n . c . C o n v e c t i o n w o u l d c a n y t h e h e a t u p a n d a w a y f r o m y o u r h a n d ; t h e r e f o r e h e a t c o u l d n o t r e a c h y o u r h a n d t h i s w a y . d . H o w d o e s t h e h e a t r e a c h y o u r h a n d ? 3 . P u t g l a s s b e t w e e n t h e l i g h t b u l b a n d y o u r h a n d t o b l o c k a i r m o v e m e n t . O b s e r v a t i o n s : C o n c l u s i o n : 1 5 3 A S c t t i u v d i e t n y t 2 2 E d — i t i D o i n f f e r e n t K i n d s o f S u r f a c e s A f f e c t R a d i a t i o n - T o p i c — R a d i a t i o n T i t l e — D i f f e r e n t K i n d s o f S u r f a c e s A f f e c t R a d i a t i o n P r o c e d u r e : 1 . U s e 3 s a m e s i z e m e t a l c a n s . 8 . P a i n t o n e w h i t e i n s i d e a n d o u t . b . P a i n t o n e b l a c k i n s i d e a n d o u t . o . T h i r d c a n r e m a i n s h i n y . 2 . F i l l t h e 3 m e t a l c a n s t o b e t h e s a m e l e v e l w i t h w a r m w a t e r a t t h e s a m e t e m p e r a t u r e . a . R e c o r d T : b . P u t o n c a r d b o a r d c o v e r s w i t h h o l e s f o r t h e r m o m e t e r s i n e a c h c a n . c . P u t t h e m e t a l c a n s i n a c o o l p l a c e a n d r e c o r d t h e t e m p e r a t u r e o f e a c h c a n a t 5 - m i n u t e i n t e r v a l s . d . G r a p h t h e r e s u l t s a n d d e s c r i b e t h e d i f f e r e n c e i n t h e r a t e o f c o o l i n g . T r y t o e x p l a i n t h e d i f f e r e n c e s . 3 . R e v e r s e t h e p r o c e s s a n d fi l l t h e c a n s w i t h v e r y c o l d w a t e r ( i c e w a t e r w i t h o u t t h e i c e ) . a . R e c o r d T . f o r e a c h c a n . b . P u t t h e c a n s i n a w a r m p l a c e i n t h e s u n o r s h i n e l i g h t s o n t h e b o x . c . R e c o r d t e m p e r a t u r e a t 5 - m i n u t e i n t e r v a l s . d . G r a p h r e s u l t s a n d d e s c r i b e t h e d i f f e r e n c e i n t h e r a t e o f w a r m i n g . T r y t o e x p l a i n t h e d i f f e r e n c e s . 4 . E x t r a c r e d i t — U s e a p a i r o f o l d s h o e s . P a i n t h e l e f t s h o e b l a c k a n d t h e r i g h t s h o e w h i t e . W h a t d o y o u o b s e r v e w h e n y o u w e a r t h e s h o e s f o r t h e d a y ? D a t a a n d G r a p h : 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 T i m e C o o l P l a c e W a r m P l a c e T T i m e T 1 5 4 A c t i v i t y 2 3 - F o c u s R a d i a n t H e a t W a v e s - S t u d e n t E d i t i o n T o p i c - R a d i a t i o n T i t l e - F o c u s R a d i a n t H e a t W a v e s P r o c e d u r e : 1 . 5 . U s e a m a g n i f y i n g g l a s s t o f o c u s r a y s o f t h e s u n o n a p i e c e o f t i s s u e p a p e r . ( O b s e r v a t i o n ) R e p e a t w i t h t i s s u e p a p e r s o a k e d i n b l a c k i n k ( a f t e r i n k d r i e s ) . ( O b s e r v a t i o n ) F o c u s s u n ’ s r a y s o n y o u r a r m . ( W h a t h a p p e n s ? ) M a k e t h e s p o t a s s m a l l a n d b r i g h t a s p o s s i b l e . T h i s i s c a l l e d t h e f o c a l l e n g t h o f t h e l e n s . H o w d o t h e t w o d i s t a n c e s c o m p a r e ? O b s e r v a t i o n s a n d D i a g r a m : C o n c l u s i o n : 1 5 5 A c t i v i t y 2 4 - R e fl e c t R a d i a n t H e a t W a v e s - S t u d e n t E d i t i o n T o p i c - R a d i a t i o n T i t l e — R e fl e c t R a d i a n t H e a t W a v e s P r o c e d u r e : 1 . H e a t t i s s u e p a p e r w i t h a m a g n i f y i n g g l a s s . a . N o t e d i s t a n c e f r o m r e a d i n g g l a s s t o p a p e r . b . P u t a t i l t e d m i r r o r ‘ / 2 w a y f r o m l e n s t o p a p e r . c . F e e l w i t h y o u r h a n d a b o v e t h e m i r r o r u n t i l y o u fi n d t h e p o i n t w h e r e t h e h e a t w a v e s a r e f o c u s e d . 2 . W h a t w o u l d h a p p e n i f w h i t e o r b l a c k p a p e r i s p l a c e d a t t h i s p o i n t ? O b s e r v a t i o n s a n d D i a g r a m : C o n c l u s i o n : 1 5 6 A c t i v i t y 2 5 - W e b R e s e a r c h - E x t r a C r e d i t - S t u d e n t E d i t i o n T o p i c — R e s e a r c h ( S o l a r H o m e s ) T i t l e - W e b R e s e a r c h - E x t r a C r e d i t P u r p o s e — ( W e b A c t i v i t y ) : S e l e c t w e b s i t e s t h a t i n c l u d e d e s i g n s f o r p a s s i v e a n d a c t i v e l y h e a t e d s o l a r h o m e s . P r o c e d u r e : U s i n g t h e i n f o r m a t i o n f o u n d o n t h e w e b e x p l a i n t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e t w o d e s i g n s a n d t h e c o n d i t i o n s t h a t a r e n e c e s s a r y f o r e a c h t o m e e t i t s d e s i g n e x p e c t a t i o n s . ( W h e r e w o u l d w e b u i l d h o m e s o f t h i s t y p e a n d w h y ? ) 1 5 7 A c t i v i t y 2 6 - C h e c k R V a l u e s o n W e b - E x t r a C r e d i t - S t u d e n t E d i t i o n T o p i c — C h e c k V a l u e s o n W e b T i t l e - C h e c k R V a l u e s o n W e b - E x t r a C r e d i t P r o c e d u r e : S t u d e n t s w i l l d i s c u s s R - v a l u e s ( i n s u l a t i o n v a l u e s ) a n d t h e c o s t o f c o m m e r c i a l l y a v a i l a b l e i n s u l a t i o n m a t e r i a l . S t u d e n t s w i l l r e l a t e t h e c o s t t o i n s u l a t e a n a r e a t o t h e d e s i r e d R S I v a l u e u s i n g d i f f e r e n t m a t e r i a l a n d d e c i d e w h i c h m e e t s t h e i r n e e d s a n d t h e i r b u d g e t . 1 . L u m b e r y a r d 2 . W e b O b s e r v a t i o n s : C o n c l u s i o n : 1 5 8 A c t i v i t y 2 7 - S o l a r E n e r g y T r a p - S t u d e n t E d i t i o n T o p i c - S o l a r E n e r g y T r a p T i t l e — S o l a r E n e r g y T r a p P u r p o s e : G r o u p n e e d s t o d e s i g n , b u i l d a n d t e s t a s o l a r e n e r g y t r a p . P r o c e d u r e : 1 . S t u d e n t s n e e d t o b u i l d a d e v i c e t h a t w i l l a b s o r b a n d t r a p s o l a r e n e r g y h e a t i n g u p t h e i n s i d e o f t h e d e v i c e . 2 . M a i n o b j e c t i v e i s t h e m e a s u r e t h e l n t e m a l t e m p e r a t u r e o n e h o u r a f t e r e x p o s u r e t o s u n l i g h t . 3 . O t h e r p o s s i b l e c r i t e r i a c o u l d b e : a . C o s t o f c o n s t r u c t i o n b . R a t e a t w h i c h h e a t i s l o s t a f t e r r e m o v a l f r o m t h e s u n . 4 . S t u d e n t s c o u l d a l s o m e a s u r e t h e t e m p e r a t u r e i n s i d e p a r k e d c a r s o n a s u n n y d a y . a . M o n i t o r d i f f e r e n t l o c a t i o n s ( t r u n k , fl o o r l e v e l , d a s h b o a r d , r e a r w i n d o w ) . b . C o m p a r e i n t e r i o r a n d e x t e r i o r c . S h i e l d t h e r m o m e t e r s s o t h e y a r e n o t d i r e c t l y i n t h e s u n . O b s e r v a t i o n s : C o n c l u s i o n : 1 5 9 I l l l l l l l l l l l l l l l l I k . ‘ a ‘ 1 . 0 , 3 . . 1 : . 4 . ‘ n 7 h . h 1 . i 3 i g l t 1 . é é l x . . k fl : . e i 3 I n b \ . t \ n ' 1 a : ! n 0 u » ‘ 1 1 ‘ » . . a 1 1 “ . . M 5 . . L p . . . ‘ I m u . t , a g . 7 h . W 1 2 1 1 9 M d ‘ » . s I t w r : a c , i . . . . J m . 2 4 3 . 4 . 4 H r / ' . 2 5 " L ; K ' 7 H C . _ ) M i c L U I i i h n B g v R a e A n r s S R i Y t t a y t e P L A C E I N R E T U R N B O X t o r e m o v e t h i s c h e c k o u t f r o m y o u r r e c o r d . T O A V O I D F I N E S r e t u r n o n o r b e f o r e d a t e d u e . M A Y B E R E C A L L E D w i t h e a r l i e r d u e d a t e i f r e q u e s t e d . D A T E D U E D A T E D U E D A T E D U E 2 / 0 5 c : / C F R C / D a t o D m . I n d d — a 1 5 _ _ _ _ _ _ t _ . . _ . _ ~ _ _ T E A C H I N G H E A T T R A N S F E R A N D H E A T E X C H A N G E V O L U M E I I B y B r i a n M e l v i n E v e n s o n A T H E S I S S u b m i t t e d t o M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y i n p a r t i a l f u l fi l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r t h e d e g r e e o f M A S T E R O F S C I E N C E D i v i s i o n o f S c i e n c e a n d M a t h e m a t i c s E d u c a t i o n 2 0 0 4 A P P E N D I X D 1 6 0 N ’ P P ‘ P ’ P L a b 1 - H e a t E x c h a n g e : H o t B r i c k P l a c e d i n C o o l W a t e r - S t u d e n t E d i t i o n — P u r p o s e : P a r t I ( Q u a l i t a t i v e ) 1 . M a k e q u a l i t a t i v e o b s e r v a t i o n s o f a s y s t e m t h a t u n d e r g o e s h e a t e x c h a n g e . P l a c e a h o t b r i c k i n a S t y r o f o a m c o o l e r c o n t a i n i n g c o l d w a t e r . 2 . O b s e r v a t i o n s a r e q u a l i t a t i v e ( w h a t y o u s e e , h e a r , f e e l , s m e l l o r t a s t e ) . 3 . I f y o u t r y t o e x p l a i n t h e p r o c e s s y o u a r e i n t e r p r e t i n g a n d a r e n o t m a k i n g o b s e r v a t i o n s . 4 . W r i t e a t y p e 1 r e s p o n s e t h a t i n c l u d e s y o u r o b s e r v a t i o n s . P a r t I I ( Q u a n t i t a t i v e ) 1 . H a v e a c l a s s d i s c u s s i o n t h a t a d d r e s s e s q u a n t i t i e s t h a t c o u l d b e p h y s i c a l l y m e a s u r e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n . D e c i d e w i t h l a b p a r t n e r w h a t m e a s u r e m e n t s w i l l b e m a d e . ( R e p e a t t h e i n v e s t i g a t i o n a n d m a k e t h e m e a s u r e m e n t s t h a t i n t e r e s t y o u . ) C a n y o u u s e t h e s e m e a s u r e m e n t s t o m a k e a n y c a l c u l a t i o n s ? I f y o u c a n c a l c u l a t e s o m e t h i n g , e x p l a i n y o u r r e a s o n i n g . W h e n t h e c l a s s d i s c u s s e s e v e r y o n e ’ s w o r k , m a k e a r e c o r d o f s o m e t h i n g s y o u m a y w a n t t o t r y y o u r s e l f . D o a t h i r d t r i a l i f n e c e s s a r y a n d d o a n y a d d i t i o n a l m e a s u r i n g n e e d e d . U s e t h e s e m e a s u r e m e n t s t o w r i t e a s e c o n d t y p e 1 r e s p o n s e . E q u i p m e n t : B a l a n c e G r a d u a t e d c y l i n d e r ( l a r g e r ) S m a l l e r b r i c k s a m p l e S t y r o f o a m c a l o r i m e t e r ( 2 c u p s ) 0 . R u l e r S t y r o f o a m c o o l e r W a t e r B r i c k O v e n T h e r m o m e t e r w e w w e e p w s w P r o c e d u r e : 1 . P l a c e w a r m b r i c k i n c o o l w a t e r ( b r i c k p i e c e a n d S t y r o f o a m c u p s ) . 2 . U s i n g o n l y q u a l i t a t i v e t e c h n i q u e s ( s e e , h e a r , f e e l , s m e l l a n d t a s t e ) d e s c r i b e w h a t i s h a p p e n i n g i n t h i s s y s t e m . 3 . W r i t e a t y p e 1 r e s p o n s e t h a t i s a s u m m a r y o f y o u r o b s e r v a t i o n s . 4 . H a v e a c l a s s d i s c u s s i o n t h a t a d d r e s s e s w h a t c o u l d b e p h y s i c a l l y m e a s u r e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n ( m a k e a l i s t ) . 5 . D e c i d e w i t h y o u r l a b p a r t n e r w h i c h m e a s u r e m e n t s y o u w i l l m a k e . R e p e a t t h e i n v e s t i g a t i o n a n d m a k e t h e m e a s u r e m e n t s t h a t i n t e r e s t y o u . 6 . U s e t h e s e m e a s u r e m e n t s t o w r i t e a t y p e 1 s u m m a r y o f c h a n g e s t h a t o c c u r r e d d u r i n g t h e c o u r s e o f t h i s i n v e s t i g a t i o n . 1 6 1 L a b 1 - H e a t E x c h a n g e : H o t B r i c k P l a c e d i n C o o l W a t e r - S t u d e n t E d i t i o n 7 . S h a r e y o u r w o r k w i t h o t h e r l a b g r o u p s a n d s e e i f t h e r e a r e s o m e t h i n g s y o u w o u l d l i k e t o i n c l u d e i n y o u r l a b t h a t y o u m a y n o t h a v e a c c o m p l i s h e d . 8 . D o a t h i r d t r i a l ( i f n e e d e d ) t o m a k e a n y a d d i t i o n a l m e a s u r e m e n t s y o u t h i n k n e e d t o b e a c c o m p l i s h e d . 9 . C a n y o u u s e t h e s e m e a s u r e m e n t s t o c a l c u l a t e a n y t h i n g ? D a t a : M e a s u r e m e n t s C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n s 1 . 2 . 3 . 4 . C o n c l u s i o n ( S u m m a r y ) : T y p e 1 S u m m a r y - i n i t i a l e x p e r i m e n t T y p e 2 S u m m a r y - b a s e d o n y o u r m e a s u r e m e n t s 1 6 2 L a b 1 - H e a t E x c h a n g e : H o t B r i c k P l a c e d i n C o o l W a t e r - S t u d e n t E d i t i o n T h e f o l l o w i n g i n f o r m a t i o n w a s g l e a n e d f r o m t h e J o h n J . C o l l i n s , E d . D . E d u c a t i o n A s s o c i a t e s p u b l i c a t i o n D e v e l o p i n g W r i t i n g a n d T h i n k i n g S k i l l s A c r o s s t h e C u r r i c u l u m : A P r a c t i c a l P r o g r a m f o r S c h o o l s . T y p e 1 W r i t i n g : - S t u d e n t s a r e e n c o u r a g e d t o g e t t h e i r i d e a s o n p a p e r ( b r a i n s t o r m i n g ) . T h i s i s t h e i d e a g e n e r a t i n g , r e c o l l e c t i n g , d a t a g a t h e r i n g , e x p l o r i n g o r q u e s t i o n i n g p h a s e o f t h e w r i t i n g a n d t h i n k i n g p r o c e s s . C a n r e p l a c e o r p r e c e d e c l a s s r o o m d i s c u s s i o n . C a n b e u s e d a t t h e b e g i n n i n g o f a u n i t ( w h a t d o y o u k n o w a b o u t t h i s t o p i c ? ) - S o m e t i m e s t e a c h e r s c a n h a v e a f e w s t u d e n t s r e a d t h e i r p a p e r s a n d a l l o w t h e c l a s s t o o r g a n i z e t h e i d e a s ( 3 c o l u m n s ) 1 . F a c t s 2 . Q u e s t i o n s 3 . M i s c e l l a n e o u s T h i s a c t i v i t y m a k e s s t u d e n t s a c t i v e l i s t e n e r s , a s t h e y n e e d t o c a t e g o r i z e a n d e v a l u a t e i d e a s a s t h e y a r e r e a d ( s t u d e n t s t a l k , l i s t e n a n d t h i n k a b o u t t h e t o p i c u n d e r i n v e s t i g a t i o n ) . - F o r m a t 1 . C o m p l e t e d i n 7 - 1 0 m i n u t e s . 2 . D o n e i n d i v i d u a l l y ( m a y b e w i t h n o c l a s s d i s c u s s i o n ) . 3 . S t u d e n t s g e t t i m e t o t h i n k a b o u t a t o p i c ( c a n q u i e t t h e r o o m ) . 4 . G i v e s i n s i g h t a b o u t h o w m u c h e a c h s t u d e n t k n o w s a b o u t t h e t o p i c . 5 . 6 . O n l y o n e d r a f t . U s e t h e s h e e t p r o v i d e d ( n a m e s o n r i g h t a n d t y p e 1 o n l e f t ) . S t u d e n t s n e e d t o r e m e m b e r t o s k i p l i n e s . - G r a d i n S e e i f t h e a m o u n t o f w r i t i n g w a s g e n e r a t e d . R e a d i n g i s o p t i o n a l ( c r e a t e a t m o s p h e r e o f n o r i s k ) . O b j e c t i v e i s t o h e l p s t u d e n t s d i s c o v e r w h a t t h e y k n o w . G r a d e i s u s u a l l y a ‘ 1 . 9 5 ’ 7 “ ) “ . N r " P 1 6 3 L a b 1 - H e a t E x c h a n g e : H o t B r i c k P l a c e d i n C o o l W a t e r - S t u d e n t E d i t i o n T y p e 2 W r i t i n g : T y p e 2 w r i t i n g s h o w s t h a t t h e w r i t e r k n o w s s o m e t h i n g a b o u t t h e t o p i c o r h a s t h o u g h t a b o u t t h e t o p i c ; i t i s b e s t u s e d a s a q u i z . I t i s t h e c o r r e c t a n s w e r t o a t e a c h e r ’ s p r o m p t . 1 . E v a l u a t i o n c r i t e r i a ; t h e c o n t e n t m u s t b e c o r r e c t ( a s k f o r d e fi n i t i o n s , f a c t s , e x p l a n a t i o n s , o r o p i n i o n s s u p p o r t e d w i t h d e t a i l s ) . 2 . S p e l l i n g , p u n c t u a t i o n a n d c a p i t a l i z a t i o n d o n o t c o u n t . a . I f w r i t i n g i s r e a l l y p o o r , g o o d i d e a s m a y b e l o s t . b . E v a l u a t e t h e c o n t e n t , n o t t h e w a y t h e c o n t e n t i s e x p r e s s e d . 3 . K e y s f o r s u c c e s s f u l t y p e 2 w r i t i n g . a . P r o m p t o r q u e s t i o n i s c l e a r a n d h a s a d e fi n i t e a n s w e r . b . S t u d e n t s m a k e t h e i r o w n m e a n i n g b y t r a n s l a t i n g c o n c e p t s i n t o t h e i r o w n w o r d s . c . V a g u e q u e s t i o n g e t s a v a g u e a n s w e r a n d i s h a r d t o e v a l u a t e . F o r m a t f o r t y p e 2 1 . B e c a u s e i t s p r i m a r y u s e i s t o q u i z s t u d e n t s , t y p e 2 f r e q u e n t l y t a k e s t h e f o r m o f a n e s s a y , l i s t o r d e fi n i t i o n . , a . S t u d e n t s s h o u l d b e e n c o u r a g e d t o w r i t e w h a t t h e y k n o w , o r h o w t h e y f e e l i n r e s p o n s e t o a p r o m p t . b . S t u d e n t s s h o u l d b e d i s c o u r a g e d f r o m a d d i n g l i n e s o r p a g e s t o p a d a n s w e r s . G o o d a n s w e r s o r i d e a s c a n b e o b s c u r e d i n t h e f o g o f t h e i r o w n w o r d s . 0 . A s s t u d e n t s e x p e r i e n c e t y p e 2 w r i t i n g , t h e y w i l l l e a r n t h e d i s t i n c t i o n b e t w e e n p a d d i n g a r e s p o n s e a n d u s i n g w r i t i n g a s a t o o l t o d e v e l o p a n d e l a b o r a t e o n i d e a s . - A u d i e n c e — T h e t e a c h e r h a s h i g h e x p e c t a t i o n s a b o u t t h e c o n t e n t o f t h e w r i t i n g b u t n o t a b o u t h o w s k i l l f u l l y o r p e r f e c t l y t h e c o n t e n t i s e x p r e s s e d . - E v a l u a t i o n 1 . B e s t f o r a q u e s t i o n t h a t r e q u i r e s a l i m i t e d , s p e c i fi c a n d p r e d i c t a b l e r e s p o n s e . 1 6 4 7 5 0 . 9 L a b 1 - H e a t E x c h a n g e : H o t B r i c k P l a c e d i n C o o l W a t e r — S t u d e n t E d i t i o n 2 . Q u e s t i o n s o r p r o m p t s w i t h a n u m b e r i n t h e m a r e g o o d f o r t y p e 2 . a . L i s t 3 p o s s i b l e c a u s e s . b . D e fi n e 3 o f t h e t e r m s o n o v e r h e a d . c . E x p l a i n t h e t w o m a i n p o i n t s . 3 . K e e p e v a l u a t i o n a s s i m p l e a s p o s s i b l e . a . T e a c h e r c a n s k i m p a p e r t o fi n d c o r r e c t r e s p o n s e . U s e p a s s / f a i l . W a k e u p c a l l f o r s t u d e n t s . T e a c h e r c h o i c e - n e e d t o b e s i m p l e , q u i c k a n d r e q u i r e t e a c h e r t o s k i m w r i t t e n w o r k t o g e t c o r r e c t r e s p o n s e 4 . T y p e 2 i s q u i z w r i t i n g a n d i s n o t u s e d f o r a m a j o r t e s t . a . C a n b e p a r t o f a r e p o r t c a r d g r a d e . b . C a n b e u s e d f o r t h e e f f o r t g r a d e . 5 . A s t h e f r e q u e n c y o f t y p e 2 i n c r e a s e s , t h e n u m b e r o f p a p e r s t h a t n e e d t o b e e v a l u a t e d d e c r e a s e s . a . . M a y a s s i g n 2 0 w r i t i n g s a n d c o l l e c t o n l y 1 0 . b . S t u d e n t s n e e d t o b e e n g a g e d , n e v e r k n o w i n g i f a n a s s i g n m e n t w i l l b e c o l l e c t e d . 1 6 5 L a b 1 - H e a t E x c h a n g e : H o t B r i c k P l a c e d i n C o o l W a t e r — S t u d e n t E d i t i o n _ T y p e N a m e 1 6 6 ‘ . N ’ P P : p p p e w c L a b 2 - H e a t L o s s ( M e a s u r i n g t h e R a t e o f C o o l i n g ) — P u r p o s e : S t u d e n t E d i t i o n T o m e a s u r e t h e i n s u l a t i n g v a l u e o f s e v e r a l m a t e r i a l s b y m e a s u r i n g t h e r a t e a t w h i c h t e m p e r a t u r e d e c r e a s e s a s h e a t i s l o s t . E q u i p m e n t : P r o c e d u r e : 1 . 2 . G r a d u a t e d c y l i n d e r s - 2 5 0 m l T h e r m o m e t e r T i m e r o r s t o p w a t c h S e v e r a l c u p s P a p e r C e r a m i c G l a s s M e t a l ( t i n , a l u m i n u m , s t e e l ) P l a s t i c S t y r o f o a m S t u d e n t s w i l l w o r k i n g r o u p s o f f o u r ( e a c h s t u d e n t w i l l a n a l y z e t h e c o o l i n g o f a d i f f e r e n t c u p . S t u d e n t s m a y n e e d t o c h e c k t h e a c c u r a c y o f t h e i r t h e r m o m e t e r s b y p l a c i n g t h e m i n c o n s t a n t t e m p e r a t u r e w a t e r b a t h s . a . I c e w a t e r b a t h a t 0 ° C . b . B o i l w a t e r a t T e m p 9 9 - 1 0 0 ° C P l a c e t h e s a m e a m o u n t o f w a t e r ( 2 0 0 m l ) i n t o e a c h o f s e v e r a l d i f f e r e n t k i n d s o f c u p s ( 7 0 - 8 0 ° C h e a t e d w a t e r ) ( s t u d e n t s n e e d a h o t p a d ) R e a d t h e t e m p e r a t u r e o f t h e w a t e r a f t e r i t e q u a l i z e s . R e a d t h e t e m p e r a t u r e o f t h e w a t e r i n t h e c u p e v e r y 3 0 s e c o n d s f o r 1 2 - 1 5 m i n u t e s . ( M a k e c e r t a i n c u p s a r e s p r e a d a p a r t s o a l l c o o l a t a b o u t t h e s a m e r a t e ) . R e c o r d t e m p e r a t u r e v e r s u s t i m e a n d g r a p h t h e r e s u l t s . D r a w a l i n e o f b e s t fi t ( b e s t s t r a i g h t l i n e ) . a . F i n d t h e s l o p e o f e a c h g r a p h . ( T h i s s l o p e w i l l b e n e g a t i v e ) . b . T h e s l o p e w i l l i n d i c a t e t h e c o o l i n g r a t e . ( T h e n e g a t i v e s i g n m e a n s t h e w a t e r i s c o o l i n g d o w n ) . c . S t u d e n t s w i l l n e e d t o r e v i e w t h e c o n c e p t o f s l o p e a s i t r e l a t e s t o a r a t e o f c h a n g e . ( U n i t s w i l l b e ° C p e r m i n u t e ) . G r a p h t h e d a t a o n t h e g r a p h p a p e r p r o v i d e d . T h e g r a p h t h a t s h o w s t h e f a s t e s t d r o p t o t h e r i g h t ( s t e e p e s t s l o p e ) i s t h e o n e t h a t r e p r e s e n t s t h e f a s t e s t r a t e o f c o o l i n g . T h i s i s t h e r e f o r e t h e c u p t h a t l o s e s t h e m o s t h e a t p e r m i n u t e a n d i s t h e p o o r e s t i n s u l a t o r . 1 6 7 L a b 2 — H e a t L o s s ( M e a s u r i n g t h e R a t e o f C o o l i n g ) - S t u d e n t E d i t i o n D a t a : 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 5 m i n u t e s o f c o o l i n g 1 6 8 t — N D O h I ' U D O V D C D ( L a b 3 — H e a t L o s s ( M e a s u r i n g t h e R a t e o f C o o l i n g - S e c o n d ) S t u d e n t E d i t i o n P u r p o s e : T o d e t e r m i n e t h e e f f e c t , i f a n y , o f t h e d i f f e r e n c e i n t e m p e r a t u r e b e t w e e n t h e i n s i d e a n d t h e o u t s i d e o f t h e c u p t h a t i s t h e p o o r e s t i n s u l a t o r . ( W e w i l l d e t e r m i n e t h e e f f e c t a d i f f e r e n c e i n t e m p e r a t u r e o n t h e t w o s i d e s o f a p o o r i n s u l a t o r h a s o n t h e r a t e o f c o o l i n g . ) E q u i p m e n t : 1 . C u p t h a t i s t h e p o o r e s t i n s u l a t o r ( o n e t h a t l o s e s h e a t t h e f a s t e s t ) . 2 . S u p p l i e s o f w a t e r a t p r o p e r t e m p e r a t u r e s . 3 . G r a d u a t e d c y l i n d e r ( 2 5 0 m l ) . 4 . T h e r m o m e t e r . 5 . T i m e r . 6 . O v e n m i t t s o r p a p e r t o w e l s . P r o c e d u r e : 1 . U s e t h e s a m e a m o u n t o f w a t e r i n e a c h t r i a l ( 2 0 0 m l ) 2 . U s e t h e s a m e c u p o r i d e n t i c a l c u p s t h a t a l l o w a h o t l i q u i d t o c o o l r a t h e r q u i c k l y . 3 . F i r s t , s t a r t w i t h h o t w a t e r ( 9 5 t o 1 0 0 ° C ) 4 . S e c o n d , w a t e r a t 6 0 - 6 5 ° C 5 . T h i r d , w a t e r a t 3 5 — 3 8 ° C 6 . R e c o r d t h e t e m p e r a t u r e f o r t h e t h r e e d i f f e r e n t s i t u a t i o n s a s i n t h e fi r s t r a t e o f c o o l i n g e x p e r i m e n t . ( r e c o r d t h e t e m p e r a t u r e e v e r y 3 0 s e c o n d s ) . 7 . G r a p h t h e d a t a f r o m e a c h t r i a l o n t h e s a m e p i e c e o f g r a p h p a p e r . D a t a : 9 5 - 1 0 0 ° C W a t e r 6 0 - 6 5 ° 3 5 - 3 7 ° 1 6 9 L a b 3 - H e a t L o s s ( M e a s u r i n g t h e R a t e o f C o o l i n g - S e c o n d ) S t u d e n t E d i t i o n 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 C a l c u l a t i o n s : 1 . G r a p h t h e d a t a o n t h e g r a p h p a p e r p r o v i d e d a n d fi n d t h e s l o p e o f e a c h l i n e . ( W h a t i s t h e m e a n i n g o f e a c h s l o p e ) ? 2 . C a l c u l a t i o n s 9 5 - 1 0 0 ° C 6 0 - 6 5 ° C 3 5 - 3 7 ° C S l o p e S h o w s a m p l e c a l c u l a t i o n s f o r t h e 9 5 - 1 0 0 ° C t r i a l . C a l c u l a t i o n s 9 5 — 1 0 0 ° C S l o p e 1 7 0 ’ P P ‘ P ’ P N L a b 3 - H e a t L o s s ( M e a s u r i n g t h e R a t e o f C o o l i n g - S e c o n d ) S t u d e n t E d i t i o n C o n c l u s i o n : [ 0 . 3 W h a t i s t h e m e a n i n g o f t h e t h r e e g r a p h s i f t h e y a r e a l l p a r a l l e l ? W h a t i s t h e m e a n i n g i f s o m e o f t h e g r a p h s s l o p e u p w a r d t o t h e r i g h t ? W h a t i s t h e m e a n i n g o f a g r a p h t h a t i s p a r a l l e l t o t h e x - a x i s ? W h a t i s t h e m e a n i n g o f t h r e e g r a p h s t h a t h a v e d i f f e r e n t s l o p e s ? W o u l d y o u e x p e c t a l a r g e d i f f e r e n c e o r a s m a l l d i f f e r e n c e i n t h i s e x p e r i m e n t ? H o w c o u l d t h e g r a p h b e c h a n g e d t o s h o w s m a l l d i f f e r e n c e s m o r e d i s t i n c t l y ? W h a t c o n c l u s i o n s d i d y o u r e a c h ? D o e s h o t w a t e r c o o l f a s t e r o r s l o w e r t h a n c o o l w a t e r ? 1 7 1 L a b 4 - I n t r o d u c t i o n t o H e a t M e a s u r e m e n t - S t u d e n t E d i t i o n P u r p o s e : W e n e e d t o b e a b l e t o d i s t i n g u i s h h e a t f r o m t e m p e r a t u r e . M a k i n g t h i s d i s t i n c t i o n a l l o w s u s t o u s e h e a t a s a m e a s u r e o f e n e r g y . W e n e e d t o u s e c h a n g e s i n t e m p e r a t u r e t o c a l c u l a t e c h a n g e s i n h e a t e n e r g y . B a c k g r o u n d : H e a t e n e r g y ( Q ) = M a s s o f m a t e r i a l ( g r a m s ) . c h a n g e i n t e m p - s p e c i fi c h e a t A T C ( c a l o r i e s C = 1 ) W e s h o u l d fi n d t h e m a s s o f t h e w a t e r u s e d ( m o r e a c c u r a t e ) t h a n u s i n g v o l u m e . T h e s t a r t i n g t e m p e r a t u r e m a y b e a n y v a l u e ( e a c h s t u d e n t m a y s e l e c t h i s / h e r o w n s t a r t i n g t e m p e r a t u r e - m a k e s f o r a g o o d e x p e r i m e n t ) . - T h e s t u d e n t m a k e s u p h i s / h e r o w n s t a r t i n g t e m p e r a t u r e s o m e w h e r e b e t w e e n 1 - 8 ° C . E q u i p m e n t : 1 . S t y r o f o a m c u p s ( l a r g e ) 2 . T h e r m o m e t e r s - 1 0 t o 1 1 0 ° C 3 . G r a d u a t e d c y l i n d e r s - 1 0 0 m l 4 . S u p p l y o f w a t e r o f k n o w n t e m p e r a t u r e ( c a n b e d i p p e d f r o m p e n t h a t h a s s t o o d i n t h e l a b - t h i s w a t e r w a s o r i g i n a l l y b e t w e e n 0 a n d 5 ° C a n d w a s a l l o w e d t o w a r m t o r o o m t e m p e r a t u r e ) . P r o c e d u r e : 1 . F i n d t h e t e m p e r a t u r e o f t h e 1 “ t 1 0 0 m l s a m p l e ( 2 5 ° C ) . 2 . R e c o r d a n i m a g i n a r y s t a r t i n g t e m p e r a t u r e ( m u s t b e a b o v e f r e e z i n g ) 5 ° C ( s t u d e n t p i c k ) . 3 . F i n d A T 2 5 ° - 5 ° = 2 0 ° C 4 . N e e d m a s s o f w a t e r p l a c e d i n c u p 1 ( c l o s e t o 1 0 0 g ) . 5 . A d d a s e c o n d ( 1 0 0 m l ) s a m p l e t o t h e S t y r o f o a m c u p ( s a m e a s fi r s t 1 0 0 9 s a m p l e ) . 6 . F i n d t h e t e m p e r a t u r e o f t h e w a t e r i n t h e c u p a f t e r t h e s e c o n d s a m p l e w a s a d d e d . 7 . F i n d t h e h e a t e n e r g y c h a n g e f o r t h e fi r s t a d d i t i o n Q = 1 0 0 g a 2 0 ° C = 2 0 0 0 c a l 8 . F i n d t h e h e a t e n e r g y c h a n g e f o r t h e s e c o n d a d d i t i o n 2 0 0 0 c a l 9 . F i n d t h e h e a t e n e r g y c h a n g e o f t h e w a t e r i n t h e c u p a f t e r t h e s e c o n d a d d i t i o n h a s b e e n m a d e . 2 0 0 0 + 2 0 0 0 = 4 0 0 0 c a l o r i e s 1 7 2 L a b 4 - I n t r o d u c t i o n t o H e a t M e a s u r e m e n t - S t u d e n t E d i t i o n D a t a : M e a s u r e m e n t C u p 1 C u p 2 1 . M a s s o f c u p 2 . M a s s o f c u p + w a t e r 3 . S t a r t i n g t e m p e r a t u r e - T i 4 . R o o m t e m p e r a t u r e — T r m 5 . T e m p a f t e r 2 " ( 1 a d d i t i o n - T i C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n C u p 1 C u p 2 1 . A T f o r 1 s t a d d i t i o n 2 . M a s s o f H 2 0 o f 1 g r a d d i t i o n 3 . Q f o r 1 " t a d d i t i o n 4 . Q f o r 2 " d a d d i t i o n 5 . T o t a l e n e r g y a f t e r 2 " ‘ 1 a d d i t i o n 6 . C h a n g e i n t e m p e r a t u r e f r o m 1 s t t o 2 " 6 a d d i t i o n S a m p l e c a l c u l a t i o n f o r c u p 2 1 7 3 L a b 4 - I n t r o d u c t i o n t o H e a t M e a s u r e m e n t - S t u d e n t E d i t i o n C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n 1 . A T f o r 1 “ t a d d i t i o n 2 . M a s s o f H 2 0 o f 1 ’ “ t a d d i t i o n 3 . Q f o r 1 2 “ a d d i t i o n 4 . Q f o r 2 " “ a d d i t i o n 5 . T o t a l e n e r g y a f t e r 2 " d a d d i t i o n 6 . C h a n g e i n t e m p e r a t u r e f r o m I “ t o 2 " d a d d i t i o n C o n c l u s i o n : W e f o u n d t h a t i f w e a d d m o r e w a t e r o f t h e s a m e t e m p e r a t u r e w e i n c r e a s e d t h e h e a t c o n t e n t b u t d i d n o t r a i s e t h e t e m p e r a t u r e . H o w d o w e e x p l a i n t h i s o b s e r v a t i o n ? R e f l e c t o n o u r c l a s s d i s c u s s i o n a n d c l a s s n o t e s . 1 7 4 L a b 5 — T h e C a l o r i e ( A W o r k i n g D e fi n i t i o n ) - S t u d e n t E d i t i o n E q u i p m e n t : 1 . 2 . 3 . P r o c e d u r e : 1 . 2 . 3 . T o v e r i f y t h e w o r k i n g d e fi n i t i o n o f t h e c a l o r i e ( T h e a m o u n t o f e n e r g y n e e d e d t o r a i s e 1 g r a m o f w a t e r 1 ° C . ) T o u s e t h e e q u a t i o n Q = g o 0 0 A T t o e v a l u a t e t h e d a t a c o l l e c t e d d u r i n g t h e i n v e s t i g a t i o n . T o e m p h a s i z e t h e f a c t t h a t t e m p e r a t u r e i s a m e a s u r e o f E K ( k i n e t i c e n e r g y - e n e r g y o f m o t i o n ) a n d n o t a m e a s u r e o f h e a t . 1 5 0 m l b e a k e r 4 . D i s t i l l e d w a t e r H o t p l a t e ( s e t o n 3 o r 4 ) 5 . B a l a n c e T h e r m o m e t e r 6 . C l o c k N e e d 1 - 1 5 0 m l b e a k e r fi l l e d w i t h d i f f e r e n t a m o u n t s o f d i s t i l l e d w a t e r f o r e a c h t r i a l . ( M e a s u r e w a t e r u s e d i n e a c h t r i a l i n g r a m s . ) M e a s u r e T i f o r e a c h b e a k e r b e f o r e h e a t i n g . P l a c e a l l t h e b e a k e r s o n t h e s a m e h o t p l a t e ( p r e s e t ) f o r t h e s a m e a m o u n t o f t i m e . ( I n t h e g e n e r a l s e n s e t h e s t u d e n t s h o u l d s e e a l l t h e b e a k e r s a r e e x p o s e d t o t h e s a m e h e a t s o u r c e s , t h e r e f o r e , t h e s a m e a m o u n t o f e n e r g y i n t h e s a m e t i m e f r a m e . ) A m o u n t s o f w a t e r t o b e u s e d i n e a c h t r i a l ( g r a m s ) — ( o n e p a r t n e r c a n d o t h e fi r s t s e t w h i l e t h e s e c o n d p a r t n e r d o e s s e t 2 - p a r t n e r s c a n s h a r e d a t a ) a . 2 0 , 3 0 , 4 0 , 5 0 , 6 0 b . 2 0 , 4 0 , 6 0 , 8 0 , 1 0 0 H e a t a l l t h e b e a k e r s f o r t h e s a m e a m o u n t o f t i m e . ( 2 m i n u t e s ) — T h e s t u d e n t s h o u l d g e t a g o o d A T f o r t h e b e a k e r s w i t h t h e s m a l l e s t a m o u n t o f H 2 0 . M e a s u r e T f i n a l l t h e b e a k e r s ( a t t h e e n d o f 2 m i n u t e s ) . ( A s k s t u d e n t s w h i c h b e a k e r r e c e i v e d t h e g r e a t e s t a m o u n t o f h e a t e n e r g y . ) U s e Q = g r a m s 0 0 0 A T t o c a l c u l a t e t h e h e a t e n e r g y t r a n s f e r r e d t o t h e w a t e r ( a p p e a r i n g a s E K ) i n e a c h b e a k e r . D o a n a v e r a g e a n d c a l c u l a t e a p e r c e n t d i f f e r e n c e w i t h r e s p e c t t o t h e a v e r a g e . D i s c u s s s o u r c e s o f e r r o r i n v o l v e d i n d o i n g t h i s i n v e s t i g a t i o n . S e e i f y o u c a n g r a p h t h e d a t a a n d c o m e u p w i t h a n y t h i n g m e a n i n g f u l . 1 7 5 L a b 5 - T h e C a l o r i e ( A W o r k i n g D e fi n i t i o n ) - S t u d e n t E d i t i o n D a t a : ( 2 0 , 3 0 , 4 0 , 5 0 , 6 0 m l ‘ l M e a s u r e m e n t s T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 T r i a l 4 T r i a l 5 ( 2 0 m l ) ( 3 0 m l ) ( 4 0 m l ) ( 5 0 m l ) ( 6 0 m l ) 1 . M a s s o f b e a k e r 2 . M a s s b e a k e r + w a t e r 3 . I n i t i a l t e m p e r a t u r e T . 4 . T e m p e r a t u r e fi n a l ( T f ) 5 . T i m e h e a t e d D a t a : ( 2 0 , 4 0 , 6 0 , 8 0 , 1 0 0 m l ) M e a s u r e m e n t s T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 T r i a l 4 T r i a l 5 ( 2 0 m l ) ( 4 0 m l ) ( 6 0 m l ) ( 8 0 m l ) ( 1 0 0 m l ) 1 . M a s s o f b e a k e r 2 . M a s s b e a k e r + w a t e r 3 . I n i t i a l t e m p e r a t u r e T . 4 . T e m p e r a t u r e fi n a l ( T f ) 5 . T i m e h e a t e d 1 7 6 L a b 5 - T h e C a l o r i e ( A W o r k i n g D e fi n i t i o n ) — S t u d e n t E d i t i o n C a l c u l a t i o n s f o r 2 0 , 3 0 , 4 0 , 5 0 , 6 0 m l C a l c u l a t i o n T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 T r i a l 4 T r i a l 5 1 . M a s s o f w a t e r 2 . A T f o r w a t e r 3 . S p e c i fi c h t o f w a t e r 4 . H e a t a b s o r b e d b y e a c h b e a k e r S h o w a s a m p l e c a l c u l a t i o n f o r t r i a l 2 C a l c u l a t i o n T r i a l 2 1 . M a s s o f w a t e r 2 . A T f o r w a t e r 3 . S p e c i fi c h e a t o f w a t e r 4 . H e a t a b s o r b e d b y t h e b e a k e r 1 7 7 L a b 5 — T h e C a l o r i e ( A W o r k i n g D e fi n i t i o n ) - S t u d e n t E d i t i o n C a l c u l a t i o n s f o r 2 0 , 4 0 , 6 0 , 8 0 , 1 0 0 m l C a l c u l a t i o n T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 T r i a l 4 T r i a l 5 1 . M a s s o f w a t e r 2 . A T f o r w a t e r 3 . S p e c i fi c h e a t o f w a t e r 4 . H e a t a b s o r b e d b y e a c h b e a k e r S h o w a s a m p l e c a l c u l a t i o n f o r t r i a l 4 C a l c u l a t i o n T r i a l 4 1 . M a s s o f w a t e r 2 . A T f o r w a t e r 3 . S p e c i fi c h e a t o f w a t e r 4 . H e a t a b s o r b e d b y t h e b e a k e r 1 7 8 L a b 5 — T h e C a l o r i e ( A W o r k i n g D e fi n i t i o n ) — S t u d e n t E d i t i o n C o n c l u s i o n : W h e r e d o e s t h e e n e r g y f o r t h e h o t p l a t e c o m e ? W h a t e n e r g y c h a n g e s o c c u r i n t h e h o t p l a t e ? W h e r e d o e s t h e e n e r g y f r o m t h e h o t p l a t e t r a n s f e r ? W h a t h a p p e n s t o t h e w a t e r a s e n e r g y i s t r a n s f e r r e d f r o m t h e h o t p l a t e ? A r e e n e r g y ( h e a t a n d e l e c t r i c i t y i n o u r c a s e ) a n d t e m p e r a t u r e t h e s a m e t h i n g ? W h a t o v e r a l l e n e r g y c o n v e r s i o n s a r e o c c u r r i n g f r o m t h e g e n e r a t i n g p l a n t t o t h e fi n a l r e s u l t s o f o u r e x p e r i m e n t ? H o w d i d y o u c a l c u l a t e t h e h e a t a b s o r b e d b y t h e w a t e r ? . ‘ 1 9 ’ 9 " P P ’ N . ‘ 1 7 9 L a b 5 - T h e C a l o r i e ( A W o r k i n g D e fi n i t i o n ) — S t u d e n t E d i t i o n 1 8 0 L a b 6 — H o w t o C h e c k U p o n H e a t M e a s u r e m e n t — S t u d e n t E d i t i o n P u r p o s e : T o m a k e h e a t m e a s u r e m e n t s t h a t w i l l a l l o w t h e s t u d e n t t o d e t e r m i n e t h e fi n a l t e m p e r a t u r e o f t h e s y s t e m w h e n h o t a n d c o l d w a t e r a r e m i x e d t o g e t h e r . B a c k g r o u n d : T h e e n e r g y c h a n g e i n a n y h e a t e x p e r i m e n t d o n e w i t h p r o p e r i n s u l a t i o n m a y b e e x p r e s s e d a s : E n e r g y g a i n e d = e n e r g y l o s t ( 1 S t l a w ) ( T h e l o s s e s o f h e a t e n e r g y s h o u l d b e s m a l l i f g o o d c a l o r i m e t e r s a r e u s e d . ) H e a t i s m e a s u r e d ( c a l c u l a t e d ) u s i n g t h e f o l l o w i n g f o r m u l a : Q = g r a m s 0 A T 0 s p e c i fi c h e a t W e a r e g o i n g t o fi l l 2 c a l o r i m e t e r s w i t h e q u a l a m o u n t s o f w a t e r ( 9 0 - 1 0 0 m l ) a t d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s . ( W e w i l l m e a s u r e t h e m a s s o f t h e w a t e r i n a d d i t i o n t o i t s v o l u m e ) . W e c a n u s e Q = g 0 A T 0 C t o p r e d i c t t h e t e m p e r a t u r e t h a t s h o u l d r e s u l t w h e n t h e t w o s a m p l e s a r e m i x e d u s i n g t h e c o n c e p t t h a t h e a t l o s t e q u a l s h e a t g a i n e d . S t u d e n t s w i l l c o m p a r e t h e t e m p e r a t u r e p r e d i c t e d w i t h t h e t e m p e r a t u r e a c t u a l l y m e a s u r e d a f t e r m i x i n g . E q u i p m e n t : 1 . S t y r o f o a m c u p s ( c a l o r i m e t e r ) . 2 . G r a d u a t e d c y l i n d e r 3 . T h e r m o m e t e r 4 . B a l a n c e 5 . W a t e r s a m p l e s o f d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s P r o c e d u r e : 1 . F i n d t h e m a s s o f a S t y r o f o a m c u p # 1 . 2 . F i l l t h e c u p l e s s t h a n 1 / 2 f u l l o f r o o m t e m p e r a t u r e w a t e r a n d fi n d t h e m a s s o f t h e c u p a n d w a t e r . ( a d d 9 0 - 1 0 0 9 w a t e r ) . 1 8 1 L a b 6 - H o w t o C h e c k U p o n H e a t M e a s u r e m e n t - S t u d e n t E d i t i o n 3 . M e a s u r e t h e v o l u m e o f w a t e r t h a t i s e q u a l t o t h a t u s e d i n p a r t 1 — s h o u l d b e 1 0 ° C l o w e r ( t h i s w a t e r n e e d s t o b e p r e p a r e d i n a d v a n c e — m i x i c e a n d w a t e r ) . a . N e e d m a s s o f c u p 2 . b . N e e d m a s s o f c u p 2 a n d c o l d w a t e r . 4 . N e e d t o c a l c u l a t e t h e t e m p e r a t u r e e x p e c t e d t o b e r e a c h e d w h e n c u p 1 i s m i x e d w i t h c u p 2 . H e a t l o s t = h e a t g a i n e d G r a m s h o t 0 A T ( h o t ) = G r a m s c o l d o A T ( c o l d ) } ( S o l v e t h i s ( T h o . — T e q ) ( T G o l d — T e q ) e q u a t i o n f o r T e q 5 . R e c o r d t h e v a l u e f r o m t h e e x p e r i m e n t . 6 . D o a % e r r o r ( a b s o l u t e a n d % ) . 7 . D o a s e c o n d t r i a l b u t h a v e c u p 2 w a r m e r t h a n r o o m t e m p e r a t u r e . D a t a : M e a s u r e m e n t s P a r t 1 P a r t 2 ( R m t e m p + C o l d e r W a t e r ) ( R m t e m p + W a r m e r W a t e r ) 1 0 ° C 4 0 ° C T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 1 T r i a l 2 M a s s C u p 1 M a s s C u p 1 + W a t e r T i C u p 1 M a s s C u p 2 M a s s C u p 2 + W a t e r T i C u p 2 T e a 1 8 2 L a b 6 — H o w t o C h e c k U p o n H e a t M e a s u r e m e n t - S t u d e n t E d i t i o n C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n s P a r t 1 P a r t 2 T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 1 T r i a l 2 T e q b a s e d o n u s i n g a n a v e r a g e T e q b a s e d o n h e a t l o s t = h e a t g q a i n e d A b s o l u t e e r r o r % e r r o r S h o w s a m p l e c a l c u l a t i o n s f o r p a r t 1 , t r i a l 1 a n d p a r t 2 , t r i a l 2 C a l c u l a t i o n s P a r t 1 T r i a l 1 P a r t 2 T r i a l 2 T e q b a s e d o n u s i n g a n a v e r a g e P r e d i c t e d b a s e d o n h e a t l o s t = h e a t r g i n e d A b s o l u t e e r r o r % e r r o r 1 8 3 L a b 6 - H o w t o C h e c k U p o n H e a t M e a s u r e m e n t — S t u d e n t E d i t i o n E x t e n s i o n s ( f o r m o r e c a p a b l e s t u d e n t s ) : 1 . C o n c l u s i o n : W h a t i f w e u s e d t w i c e a s m u c h w a t e r o f o n e t e m p e r a t u r e a s w a t e r o f t h e o t h e r t e m p e r a t u r e ? a . P r e d i c t t h e e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e . b . P e r f o r m t h e e x p e r i m e n t , c h e c k i t a n d c a l c u l a t e t h e e r r o r . P r e d i c t t h e t e m p e r a t u r e w h e n 3 e q u a l v o l u m e s o f w a t e r e a c h a t a d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e a r e m i x e d ( p e r f o r m e x p e r i m e n t ) . P r e d i c t t h e t e m p e r a t u r e w h e n 3 u n e q u a l v o l u m e s ( m a s s e s ) o f w a t e r a r e m i x e d e a c h a t a d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e ( p e r f o r m e x p e r i m e n t ) . W r i t e a t y p e 1 r e s p o n s e ( u s e 1 o r 2 o f t h e s e t o w r i t e t h e t y p e 1 r e s p o n s e ) . 1 . I n 1 0 l i n e s o r m o r e w r i t e d o w n t h i n g s y o u k n o w , t h i n g s y o u t h i n k y o u k n o w o r q u e s t i o n s y o u h a v e a b o u t t h i s i n v e s t i g a t i o n ( a c t i v a t e s p r i o r k n o w l e d g e ) . B a s e d o n t h i s e x p e r i m e n t , w r i t e d o w n t h r e e t h i n g s t h a t w e r e i n t e r e s t i n g , t w o t h i n g s t h a t w e r e c o n f u s i n g a n d o n e t h i n g y o u w o u l d l i k e t o k n o w m o r e a b o u t . ( A l l o w s t u d e n t s t o r e fl e c t . ) W h a t h a p p e n s w h e n h o t s t u f f i s m i x e d w i t h c o o l e r s t u f f ? ( A l l o w s s t u d e n t s t o m a k e c o n n e c t i o n s . ) W h e n I w r i t e t h e t e s t , w h a t q u e s t i o n s m i g h t I a s k w h i c h m i g h t r e q u i r e a s h o r t w r i t t e n a n s w e r ? ( A l l o w s s t u d e n t t o t h i n k a b o u t 1 8 4 L a b 7 - M i x i n g H o t W a t e r a n d C o l d W a t e r — S t u d e n t E d i t i o n — P u r p o s e : T o fi n d t h e e f f e c t o f m i x i n g t w o e q u a l v o l u m e s ( o r e q u a l m a s s e s ) o f w a t e r a t t w o d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s ( S t u d e n t s w i l l u s e v e r y h o t a n d v e r y c o l d w a t e r ) . P r o c e d u r e : P a r t 1 1 . F i n d m a s s o f c a l o r i m e t e r . 2 . F i n d m a s s o f c a l o r i m e t e r + a d d i t i o n o f a 1 0 0 g o f c o l d w a t e r 5 — 8 ° C 3 . F i n d T i f o r t h e c o l d w a t e r . 4 . R e p e a t s t e p s 1 - 3 w i t h v e r y w a r m w a t e r ( B O - 9 0 ° C ) H e a t 1 0 0 m l a n d p o u r d i r e c t l y i n t o c a l o r i m e t e r 5 . P o u r w a t e r t o g e t h e r i n t o 2 n d c u p , s t i r , a n d fi n d t h e e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e ( p o u r c o l d w a t e r i n t o h o t w a t e r ) . 6 . D o e s e q u i l i b r i u m a g r e e w i t h t h e p r e d i c t e d v a l u e ? D a t a - P a r t 1 M e a s u r e m e n t s T r i a l 1 T r i a l 2 M a s s o f C u p 1 M a s s o f C u p 1 + c o l d w a t e r T i - C u p 1 M a s s o f C u p 2 M a s s o f C u p 2 + w a r m w a t e r T i - C U P 2 T e q - s y s t e m P r e d i c t e d v a l u e S h o w w o r k t o p r e d i c t T 9 q W t i o n - ( H e a t L o s t = H e a t G a i n e d ) 1 8 5 L a b 7 - M i x i n g H o t W a t e r a n d C o l d W a t e r — S t u d e n t E d i t i o n — C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n s T r i a l 1 T r i a l 2 1 . M a s s o f c o l d w a t e r 2 . A T f o r c o l d w a t e r 3 . Q f o r c o l d w a t e r ( h e a t fi n e d ) 4 . M a s s o f w a r m w a t e r 5 . A T f o r w a r m w a t e r 6 . 0 f o r w a r m w a t e r ( h e a t l o s t ) 7 . D i f f e r e n c e b e t w e e n h e a t l o s t a n d h e a t g a i n e d 8 . % d i f f e r e n c e 9 . D i f f e r e n c e b e t w e e n t h e p r e d i c t e d a n d m e a s u r e d T e q 1 0 . % e r r o r i n T e q 1 8 6 L a b 7 — M i x i n g H o t W a t e r a n d C o l d W a t e r — S t u d e n t E d i t i o n N e e d s a m p l e c a l c u l a t i o n s h e r e T r i a l 1 o r T r i a l 2 C a l c u l a t i o n s T r i a l 1 . M a s s o f c o l d w a t e r 2 . A T f o r c o l d w a t e r 3 . Q f o r c o l d w a t e r ( h e a t _ g a i n e d ) 4 . M a s s o f w a r m w a t e r 5 . A T f o r w a r m w a t e r 6 . Q f o r w a r m w a t e r ( h e a t l o s t ) 7 . D i f f e r e n c e b e t w e e n h e a t l o s t a n d h e a t g a i n e d 8 . % d i f f e r e n c e 9 . D i f f e r e n c e b e t w e e n t h e p r e d i c t e d a n d m e a s u r e d T e q 1 0 . % e r r o r i n T 6 , : C o n c l u s i o n : 1 . W h e n y o u t h i n k a b o u t m i x i n g v e r y h o t a n d v e r y c o l d w a t e r t o g e t h e r w h a t a r e s o m e o f t h e t h i n g s y o u w o n d e r a b o u t ? 2 . H o w w a s t h i s t y p e o f e x p e r i m e n t s i m i l a r t o a n o t h e r t y p e o f e x p e r i m e n t w e h a v e a l r e a d y a c c o m p l i s h e d ? H o w i s i t d i f f e r e n t ? 3 . D e s c r i b e a t o a v o i d w h e n t h i s 1 8 7 ? “ 1 9 5 : 9 ’ ° . “ . ° ° . L a b 8 — M i x i n g H o t W a t e r a n d C o l d W a t e r l l - S t u d e n t E d i t i o n _ P u r p o s e : T o fi n d t h e e f f e c t o f m i x i n g u n e q u a l a m o u n t s o f h o t a n d c o l d w a t e r . P r o c e d u r e : S a m e a s p r e v i o u s e x p e r i m e n t b u t c h a n g e t h e a m o u n t s o f h o t a n d c o l d w a t e r u s e d . ( A l l s t u d e n t s w i l l s e l e c t t h e i r o w n v a l u e s ) . F i n d m a s s o f c a l o r i m e t e r . F i n d m a s s o f c a l o r i m e t e r 1 / 3 f u l l o f c o l d w a t e r , 5 - 8 ° C ( 5 0 t o 7 5 9 ) F i n d T . f o r t h e c o l d w a t e r . R e p e a t s t e p s 1 - 3 w i t h v e r y w a r m w a t e r , 9 0 ° C ( 1 0 0 t o 1 2 5 9 ) P o u r w a t e r t o g e t h e r i n t o 2 " d c u p , s t i r a n d fi n d t h e e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e ( p o u r c o l d w a t e r i n t o h o t w a t e r ) . D o e s e q u i l i b r i u m a g r e e w i t h p r e d i c t e d v a l u e ? - D o a s e c o n d t r i a l a n d r e v e r s e t h e a m o u n t o f c o l d a n d h o t w a t e r . % d i f f e r e n c e = t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n v a l u e s / t h e a v e r a g e o f v a l u e s . D a t a : D a t a T r i a l 1 T r i a l 2 1 . M a s s o f c u p 1 2 . M a s s o f c u p 1 + c o o l e r w a t e r 3 . T ; - c o o l e r w a t e r 4 . M a s s o f c u p 2 5 . M a s s o f c u p 2 + h o t w a t e r 6 . T ; — h o t w a t e r 7 . T c g - m i x t u r e S h o w w o r k f o r p r e d i c t e d v a l u e h e r e f o r T r i a l 1 a n d T r i a l 2 T r i a l 1 T r i a l 2 1 8 8 L a b 8 - M i x i n g H o t W a t e r a n d C o l d W a t e r l l - S t u d e n t E d i t i o n C a l c u l a t i o n s : T r i a l 1 T r i a l 2 1 . M a s s o f w a t e r — c u p 1 2 . A T f o r w a t e r - c u p 1 3 . H e a t g a i n e d b y w a t e r i n c u p 1 4 . M a s s o f w a t e r — c u p 2 5 . A T f o r w a t e r i n c u p 2 6 7 8 9 1 . H e a t l o s t b y w a t e r i n c u p 2 . D i f f e r e n c e . ° / o d i f f e r e n c e . P r e d i c t e d T e q f r o m i n i t i a l m e a s u r e m e n t s 0 . % e r r o r i n T e q l N e e d s a m p l e c a l c u l a t i o n s h e r e T r i a l 1 o r T r i a l 2 C a l c u l a t i o n s T r i a l 1 . M a s s o f c o l d w a t e r 2 . A T f o r c o l d w a t e r 3 . Q f o r c o l d w a t e r ( h e a t ‘ _ g a i n e d ) 4 . M a s s o f w a r m w a t e r 5 . A T f o r w a r m w a t e r 6 . Q f o r w a r m w a t e r ( h e a t l o s t ) 7 . D i f f e r e n c e b e t w e e n h e a t l o s t a n d h e a t g a i n e d 8 . % d i f f e r e n c e 9 . D i f f e r e n c e b e t w e e n t h e p r e d i c t e d a n d m e a s u r e d T e q 1 0 . % e r r o r 1 8 9 L a b 8 — M i x i n g H o t W a t e r a n d C o l d W a t e r l l - — S t u d e n t E d i t i o n — C o n c l u s i o n : 1 . H o w f a r w a s y o u r e x p e r i m e n t a l T e q f r o m i d e a l c o n d i t i o n s ? 2 . W h a t s o u r c e s o f e r r o r c o u l d h a v e a f f e c t e d y o u r fi n a l r e s u l t s ? 3 . H o w d i d t h e % d i f f e r e n c e c o m p a r e t o t h e % e r r o r ? 4 . W h a t i s t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n a ° / o e r r o r a n d a % d i f f e r e n c e ? 1 9 0 L a b 9 - M i x i n g H o t W a t e r a n d C o l d W a t e r l l l — S t u d e n t E d i t i o n P u r p o s e : T o r e - e m p h a s i z e t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n h e a t e n e r g y a n d t e m p e r a t u r e w h e n u n e q u a l v o l u m e s a t t h e s a m e t e m p e r a t u r e a r e m i x e d . E q u i p m e n t : 1 . S t y r o f o a m c a l o r i m e t e r 2 . T h e r m o m e t e r s 3 . B a l a n c e o r g r a d u a t e 4 . W a r m w a t e r ( s u p p l y o f ) P r o c e d u r e : 1 . C o m b i n e u n e q u a l v o l u m e s o f w a t e r a t t h e s a m e t e m p e r a t u r e . 2 . C a r e f u l l y m e a s u r e t h e q u a n t i t y o f w a t e r w i t h a g r a d u a t e o r b a l a n c e . 3 . P o u r 3 0 m l o f w a r m w a t e r i n t o c a l o r i m e t e r c u p 1 ( m o r e i f c u p i s l a r g e r ) . R e c o r d t h e t e m p e r a t u r e . 4 . P o u r i n 6 0 m l o r t w i c e t h e fi r s t v o l u m e i n t o t h e s a m e c u p . R e c o r d t h e t e m p e r a t u r e . 5 F o r T r i a l 2 r e v e r s e t h e a m o u n t s o f w a r m a n d c o l d w a t e r . D a t a : M e a s u r e m e n t T r i a l 1 T r i a l 2 1 . V o l u m e 1 ‘ n w a r m w a t e r 2 . V o l u m e 2 " “ w a r m w a t e r 3 . T e m p o f 1 ’ " v o l u m e 4 . T e m p o f 2 " d v o l u m e 5 . T e m p o f m i x t u r e 6 . V o l u m e o f m i x t u r e 1 9 1 L a b 9 — M i x i n g H o t W a t e r a n d C o l d W a t e r l l l — S t u d e n t E d i t i o n _ C o n c l u s i o n : 1 . W e r e t h e t e m p e r a t u r e o f t h e w a r m w a t e r p u t i n t o t h e c u p t h e s a m e ? 2 . H o w d o e s t h e a v a i l a b l e e n e r g y f r o m 6 0 m l o f w a t e r c o m p a r e w i t h t h e e n e r g y a v a i l a b l e f r o m 3 0 m l ( b o t h a t t h e s a m e t e m p e r a t u r e ) ? 3 . W h e n w e a d d a s u p p l y o f w a t e r t h a t h a s t w i c e t h e e n e r g y a n d t w i c e t h e m a s s d o e s t h e n o t r i s e ? 1 9 2 L a b 1 0 - C a l o r i m e t e r C o n s t a n t - P u r p o s e : S t u d e n t E d i t i o n T o d e t e r m i n e t h e c a l o r i m e t e r c o n s t a n t f o r a d o u b l e c u p S t y r o f o a m c o n s t a n t p r e s s u r e c a l o r i m e t e r . B a c k g r o u n d : T h e c a l o r i m e t e r i s a n i n s u l a t e d c o n t a i n e r t h a t c a n b e u s e d t o s t u d y c h e m i c a l a n d p h y s i c a l c h a n g e s t h a t i n v o l v e c h a n g e s i n e n e r g y . T h e s e c h a n g e s a r e a l l o w e d t o o c c u r i n s i d e t h e c a l o r i m e t e r a n d m e a s u r e m e n t s o f m a s s a n d c h a n g e s i n t e m p e r a t u r e a l l o w t h e u s e r t o c a l c u l a t e t h e h e a t e x c h a n g e t h a t o c c u r s . T h e u s e o f t h i s d e v i c e i s b a s e d o n t h e fi r s t l a w o f t h e r m o d y n a m i c s ( L a w o f C o n s e r v a t i o n o f E n e r g y ) . B a s e d o n t h e p r i n c i p l e t h a t , “ E n e r g y c a n n e i t h e r b e c r e a t e d o r d e s t r o y e d b u t m a y b e c o n v e r t e d f r o m o n e f o r m t o a n o t h e r ” . I n o u r e x p e r i m e n t s t h e h e a t l o s t o r g a i n e d i n a p h y s i c a l o r c h e m i c a l c h a n g e w i l l b e e q u a l t o t h e h e a t l o s t o r g a i n e d b y t h e s o l u t i o n i n t h e c a l o r i m e t e r . B e c a u s e n o s y s t e m i s p e r f e c t , s o m e o f t h e e n e r g y t r a n s f e r r e d i s a b s o r b e d o r l o s t b y t h e m a t e r i a l t h a t m a k e s u p t h e c a l o r i m e t e r . B a c k g r o u n d f o r p r o c e d u r e : 1 . W e w i l l m i x h o t a n d c o l d w a t e r ( k n o w m a s s ) . 2 . D e t e r m i n e t h e e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e a n d t h e c h a n g e i n t e m p e r a t u r e ( A T ) . 3 . W e w i l l c a l c u l a t e t h e e n e r g y l o s t a n d e n e r g y g a i n e d . 4 . R e l a t i o n s h i p : A Q H o t = A Q c o l d + A Q c a l o r i m e t e r ( c a l . a b s o r b s s o m e o f t h e h e a t f r o m h o t w a t e r ) 5 . W e w i l l fi n d t h e e n e r g y g a i n e d o r l o s t b y t h e c a l o r i m e t e r . a . U n i t ( c a l o r i e s / ° C ) b . U n i t ( J o u l e s / ° C ) c . T h e c a l o r i m e t e r c o n s t a n t r e p r e s e n t s t h e a m o u n t o f e n e r g y a b s o r b e d o r l o s t b y t h e c a l o r i m e t e r f o r e v e r y 1 ° C c h a n g e i n t e m p e r a t u r e . 6 . T o c a l c u l a t e t h i s c o n s t a n t w e u s e t h e f o l l o w i n g f o r m u l a . C a l o r i m e t e r c o n s t a n t = A 9 n o ; - A Q w i g = c a l o r i e s A T h m ° C W e c a n d o t h i s t r i a l , d e t e r m i n e t h e c a l o r i m e t e r c o n s t a n t a n d u s e t h e c a l c u l a t e d v a l u e i n s u b s e q u e n t e x p e r i m e n t s . 1 9 3 L a b 1 0 - C a l o r i m e t e r C o n s t a n t - S t u d e n t E d i t i o n E q u i p m e n t : 1 . 2 c a l o r i m e t e r s 2 . B a l a n c e 3 1 0 m l g r a d u a t e o r 1 0 m l s y r i n g e C o l d t a p w a t e r W a r m t a p w a t e r 2 t h e r m o m e t e r s P a p e r t o w e l N 9 3 9 ” ? P r o c e d u r e : L a b e l c a l o r i m e t e r s ( c o l d w a t e r - w a r m w a t e r ) F i n d t h e m a s s o f e a c h c a l o r i m e t e r . A d d 6 0 m l o f ( 7 - 1 0 ° C ) c o l d w a t e r t o p r o p e r c a l o r i m e t e r . A d d 6 0 m l o f ( 4 0 - 4 5 ° C ) h o t w a t e r t o p r o p e r c a l o r i m e t e r . F i n d t h e m a s s o f e a c h c a l o r i m e t e r a n d i t s w a t e r . M e a s u r e t h e t e m p e r a t u r e o f e a c h s a m p l e o f w a t e r . P o u r t h e c o l d w a t e r i n t o t h e w a r m w a t e r a n d r e c o r d t h e e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e ( T e , q ) R e p e a t t h e e x p e r i m e n t t o v e r i f y t h e r e s u l t s . 9 ° 5 1 9 5 9 3 9 5 9 1 ” ? D a t a : M e a s u r e m e n t s T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 1 . M a s s o f c o l d w a t e r c a l o r i m e t e r 2 . M a s s o f c a l + c o l d w a t e r 3 . T i c o l d w a t e r 4 . M a s s o f w a r m w a t e r c a l o r i m e t e r 5 . M a s s o f c a l . + w a r m w a t e r 6 . T i w a r m w a t e r 7 . F i n a l t e m p a f t e r m i x i n g T . . . l 1 9 4 L a b 1 0 - C a l o r i m e t e r C o n s t a n t — S t u d e n t E d i t i o n C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n s T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 1 . M a s s o f c o l d w a t e r 2 . C o l d w a t e r A T 3 . M a s s o f w a r m w a t e r 4 . W a r m w a t e r A T 5 . E n e r g y g a i n e d ( Q ) b y t h e c o l d w a t e r 6 . E n e r g y l o s t ( Q ) b y t h e w a r m w a t e r 7 . A b s o l u t e d i f f e r e n c e I A Q y a w n - A Q L o o u l 8 . C a l o r i m e t e r c o n s t a n t 9 . A v e r a g e c a l o r i m e t e r c o n s t a n t S a m p l e c a l c u l a t i o n s f o r t r i a l 2 ( n e x t p a g e ) . 1 9 5 L a b 1 0 - C a l o r i m e t e r C o n s t a n t — S t u d e n t E d i t i o n — C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n s T r i a l 2 1 . M a s s o f c o l d w a t e r 2 . C o l d w a t e r A T 3 . M a s s o f w a r m w a t e r 4 . W a r m w a t e r A T 5 . ( Q ) E n e r g y g a i n e d b y t h e c o l d w a t e r 6 . ( Q ) E n e r g y l o s t b y t h e w a r m w a t e r 7 . A b s o l u t e d i f f e r e n c e I A Q fi r m ' A Q I c o l d ) 8 . C a l o r i m e t e r c o n s t a n t 9 . A v e r a g e c a l o r i m e t e r c o n s t a n t 1 9 6 L a b 1 0 - C a l o r i m e t e r C o n s t a n t - S t u d e n t E d i t i o n C o n c l u s i o n : 1 . W h y d i d w e d o t h i s i n v e s t i g a t i o n ? 2 . H o w d i d c o n s t a n t s c o m p a r e l a b s t a t i o n t o l a b s t a t i o n ? 3 . W h e n w i l l w e u s e t h i s c a l c u l a t e d v a l u e ? 1 9 7 L a b 1 1 - T h e M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t - S t u d e n t E d i t i o n — P u r p o s e : T o d e t e r m i n e t h e m e c h a n i c a l e q u i v a l e n t o f h e a t ( 1 c a l o r i e = 4 . 1 8 7 J o u l e s ) U n i v e r s a l m e a s u r e o f e n e r g y H i s t o r y : B e n j a m i n T h o m p s o n ( C o u n t R u m f o r d ) 1 7 5 3 t o 1 8 1 4 - A t t h i s p o i n t s c i e n t i s t s ( n a t u r a l p h i l o s o p h e r s ) b e l i e v e d m e c h a n i c a l e n e r g y a n d h e a t w e r e t w o d i f f e r e n t t h i n g s . - T h o m p s o n w a s h i r e d b y t h e E l e c t o r o f B a v a r i a t o m a k e c a n n o n s . F r o m T h o m p s o n ' s p e r s p e c t i v e t h e w o r k p u t i n t o t u r n i n g t h e d r i l l s e e m e d t o d i s a p p e a r r a t h e r t h a n b e c o m i n g s t o r e d a s E p o r E k . T h e d r i l l a n d t h e c a n n o n g o t h o t w i t h n o a p p a r e n t s o u r c e o f h e a t . - T h o m p s o n s u g g e s t e d t h a t t h e w o r k d o n e o n t h e c a n n o n ( f o r c e a p p l i e d o v e r a d i s t a n c e ) w a s t h e s o u r c e o f t h e h e a t . T h e m e c h a n i c a l w o r k w a s c h a n g e d i n t o h e a t e n e r g y t h r o u g h t h e p r o c e s s o f f r i c t i o n . T h e r e f o r e , h e a t w a s n o t s e p a r a t e ( w o r k w a s c o n v e r t e d t o h e a t e n e r g y ) . J a m e s P . J o u l e ( 1 8 1 8 t o 1 8 8 9 — D o e s t h e q u a n t i t a t i v e w o r k t o e s t a b l i s h t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n w o r k a n d h e a t . - W i t h s o m e u n i q u e a p p a r a t u s h e w a s a b l e t o t r a n s f o r m a k n o w n a m o u n t o f w o r k i n t o a m e a s u r a b l e q u a n t i t y o f h e a t . - J o u l e s h o w e d : 0 H e a t w a s a f o r m o f e n e r g y 0 C a l o r i e s a n d J o u l e s w e r e d i f f e r e n t s i z e d u n i t s o f t h e s a m e t h i n g a n d c o u l d b e c o n v e r t e d ( 1 c a l o r i e = 4 . 1 8 7 J o u l e s ) 0 H i s i n v e s t i g a t i o n s d e t e r m i n e d t h e m e c h a n i c a l e q u i v a l e n t o f h e a t . H i s d e v i c e s d i d a k n o w a m o u n t o f w o r k a g a i n s t f r i c t i o n a n d i n t h e p r o c e s s m e a s u r e d t h e a m o u n t o f h e a t p r o d u c e d . B a c k g r o u n d - T h e o r y : I n o u r d e v i c e t w o s u r f a c e s s l i d e o v e r o n e a n o t h e r ( n y l o n r o p e o v e r c o p p e r d r u m ) 1 . A f o r c e o f f r i c t i o n ( F f ) a r i s e s p a r a l l e l t o t h e s u r f a c e . 2 . T h e F f m u s t b e o p p o s e d b y a n e q u a l p a r a l l e l - a p p l i e d f f o r c e i f m o t i o n a t a c o n s t a n t s p e e d ( a n g u l a r ) i s t o b e m a i n t a i n e d . * 3 . T h e a p p l i e d f o r c e d o e s w o r k e q u a l t o t h e m a g n i t u d e o f t h e w e i g h t l i f t e d t i m e s t h e d i s t a n c e t h r o u g h w h i c h t h a t f o r c e m o v e s i n p u s h i n g o n e s u r f a c e o v e r t h e o t h e r . 4 . T h e w o r k d o n e i s n o t s t o r e d a s E D a n d d o e s n o t a p p e a r a s a n i n c r e a s e i n E x o f t h e m o v i n g b o d y . 1 9 8 L a b 1 1 - T h e M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t — S t u d e n t E d i t i o n 5 . 6 . T h e s l i d i n g s u r f a c e s g e t h o t ( f r i c t i o n ) a n d t h i s f r i c t i o n t r a n s f o r m s m e c h a n i c a l w o r k i n t o h e a t ( a d i f f e r e n t f o r m o f e n e r g y ) . J o u l e c o l l e c t e d e v i d e n c e t h a t t h e a m o u n t o f h e a t t h a t a p p e a r s i s p r o p o r t i o n a l t o t h e w o r k d o n e a g a i n s t f r i c t i o n . T h i s e x p e r i m e n t w i l l a l l o w t h e s t u d e n t t o d o w o r k t o l i f t t h e 5 K g m a s s , w h i c h w i l l t r a n s l a t e i n t o f r i c t i o n t h a t h e a t s t h e s y s t e m a n d t h e r e f o r e a l l o w s u s t o m e a s u r e t h e h e a t p r o d u c e d . O u r d e v i c e - F o r d e m o p u r p o s e s b . A n y l o n r o p e ( c o r d ) w r a p p e d a r o u n d a C u c a l o r i m e t e r w i t h a 5 . 0 k g m a s s h a n g i n g f r o m t h e o t h e r e n d . A h a n d c r a n k t u r n s t h e d r u m a n d t h e u s e r a t t e m p t s t o h o i s t t h e 5 . 0 k g m a s s . ( H o w e v e r , t h e n y l o n r o p e s l i p s o n t h e d r u m b u t t h e r e i s e n o u g h f r i c t i o n t o s u s p e n d t h e 5 . 0 k g m a s s o f f t h e f l o o r . ) T h e f r i c t i o n b e t w e e n t h e r o p e a n d t h e d r u m p r o d u c e d b y t h e w o r k b e i n g d o n e t o t r y t o l i f t t h e 5 . 0 m g m a s s i s c o n v e r t e d t o h e a t e n e r g y , w h i c h r a i s e s t h e t e m p e r a t u r e o f t h e c u c a l o r i m e t e r a n d t h e w a t e r i n s i d e . T h e 5 . 0 k g m a s s ( 4 9 . 8 5 N ) F M = m g i s t h e f o r c e t h a t i s o v e r c o m e b y t h e c r a n k a n d i s e q u a l t o t h e f o r c e o f f r i c t i o n . T h e d i s t a n c e t h r o u g h w h i c h t h i s f o r c e a c t s i s e q u a l t o t h e d i s t a n c e m o v e d b y a n y p o i n t o n t h e d r u m . i . D = 1 : 0 d 0 r e v . i i . W o r k = m g x d i s t a n c e ( f o r c e = w e i g h t = m g ) i i i . W o r k = ( m g ) ( 1 t d r e v ) T h e C u c a l o r i m e t e r ( d r u m ) i s i n s u l a t e d f r o m t h e b a s e b y a p l a s t i c h o l d e r . i . T h e n y l o n c o r d i s i n t h e r m a l c o n t a c t ( f r i c t i o n a l c o n t a c t ) w i t h t h e d r u g . i i . T h e C u c a l o r i m e t e r i s fi l l e d w i t h w a t e r . i i i . A t h e r m o m e t e r i s i n s e r t e d i n t o t h e c a l o r i m e t e r t o m o n i t o r t h e t e m p e r a t u r e o f t h e w a t e r a n d C u . T h e h e a t p r o d u c e d b y t h e f r i c t i o n a l w o r k i s t r a n s f e r r e d t o t h e w a t e r a n d C u . U s i n g Q = g - c - A T w e c a n c a l c u l a t e t h e h e a t p r o d u c e d f r o m t h i s f r i c t i o n a l w o r k . W h e n m e a s u r e m e n t s a r e t a k e n a n d c a l c u l a t i o n s o f w o r k d o n e a n d h e a t p r o d u c e d a r e c o m p l e t e d , fi n d t h e r a t i o H e a t p r o d u c e d ( H 2 0 a n d C u ) = W o r k d o n e 1 9 9 ‘ . N ’ P P I P ’ 9 ” ! 5 . 9 - 9 . 9 L a b 1 1 - T h e M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t — S t u d e n t E d i t i o n P r o c e d u r e : L a b e l t h e d i a g r a m o f t h e a p p a r a t u s . F i n d t h e m a s s o f t h e c a l o r i m e t e r a n d s e a l i n g f e r u l e . F i l l t h e c a l o r i m e t e r w i t h d i s t i l l e d w a t e r a n d fi n d t h e m a s s . U s e a V e r n i e r c a l i p e r t o fi n d t h e d i a m e t e r o f t h e C u c a l o r i m e t e r . I n s e r t t h e t h e r m o m e t e r t h r o u g h t h e s e a l i n t o t h e d r u m a n d t i g h t e n t h e s e a l i n g f e r u l e . S e t u p t h e a p p a r a t u s . A n c h o r t h e d e v i c e t o t h e c o r n e r o f a t a b l e ( r i g h t f r o n t ) A t t a c h t h e 5 . 0 k g m a s s t o t h e e n d o f t h e n y l o n r o p e . H a v e t h e c a l o r i m e t e r a n d w a t e r 3 . 0 ° C E b e l o w r o o m t e m p e r a t u r e . M e a s u r e t h e i n i t i a l t e m p e r a t u r e o f t h e w a t e r a n d c a l o r i m e t e r . C r a n k t h e h a n d l e 5 0 t u r n s a t a t i m e ( t h e 5 . 0 k g w i l l l i f t o f f t h e fl o o r ) a n d r e c o r d t h e r i s e i n t e m p e r a t u r e e v e r y 5 0 t u r n s ) . D a t a : M e a s u r e m e n t s T r i a l 1 T r i a l 2 1 . M a s s o f c a l o r i m e t e r 2 . M a s s o f c a l o r i m e t e r p l u s w a t e r 3 . I n i t i a l t e m p e r a t u r e o f r o o m ( T . ) 4 . I n i t i a l t e m p e r a t u r e o f w a t e r + C o p p e r c a l o r i m e t e r 5 . T e m p e r a t u r e a f t e r 5 0 t u r n s 6 . T e m p e r a t u r e a f t e r 1 0 0 t u r n s 7 . T e m p e r a t u r e a f t e r 1 5 0 t u r n s 8 . T e m p e r a t u r e a f t e r 2 0 0 t u r n s 9 . T e m p e r a t u r e a f t e r 2 5 0 t u r n s C a l c u l a t i o n s : 1 . C a l c u l a t e t h e w o r k d o n e o n t h e 5 . 0 k g m a s s i n t h e a t t e m p t t o l i f t i t s o m e d i s t a n c e ( 2 5 0 t u m s ) C a l c u l a t i o n T r i a l 1 T r i a l 2 1 . D i s t a n c e l i f t e d 2 . W e i g h t l i f t e d 3 . F o r c e o f f r i c t i o n 4 . W o r k d o n e 2 0 0 L a b 1 1 - T h e M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t - — S t u d e n t E d i t i o n D o t h e s a m p l e c a l c u l a t i o n s f o r t r i a l 1 . S a m p l e C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n T r i a l 1 1 . D i s t a n c e l i f t e d 2 . W e i g h t l i f t e d 3 . F o r c e o f f r i c t i o n 4 . W o r k d o n e 2 . C a l c u l a t e t h e h e a t e n e r g y t h a t w a s p r o d u c e d b y t h e f r i c t i o n a l w o r k a n d a b s o r b e d b y t h e c o p p e r c a l o r i m e t e r a n d w a t e r . C a l c u l a t i o n T r i a l 1 T r i a l 2 1 . H e a t a b s o r b e d b y c o p p e r c a l o r i m e t e r 2 . H e a t a b s o r b e d b y w a t e r 3 . T o t a l h e a t a b s o r b e d S h o w a s a m p l e c a l c u l a t i o n f o r t r i a l 1 C a l c u l a t i o n T r i a l 1 1 . H e a t a b s o r b e d b y c o o p e r c a l o r i m e t e r 2 . H e a t a b s o r b e d b y w a t e r 3 . T o t a l h e a t a b s o r b e d 3 . C a l c u l a t e t h e r a t i o : C a l c u l a t i o n T r i a l 1 1 . W o r k d o n e / h e a t a b s o r b e d 2 0 1 L a b 1 1 - T h e M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t - S t u d e n t E d i t i o n — C o n c l u s i o n : I n 1 0 - 1 5 l i n e s o r m o r e w r i t e t h e t h i n g s y o u k n o w , t h i n g s y o u t h i n k y o u k n o w a n d h a v e a b o u t t h e m e c h a n i c a l o f h e a t . 2 0 2 L a b 1 2 - M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t ( S e c o n d T e c h n i q u e ) — S t u d e n t E d i t i o n C a l c u l a t i o n s : T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 T o t a l p o t e n t i a l e n e r g y o f b u c k s h o t T e m p e r a t u r e c h a n g e S p e c i fi c h e a t o f b u c k s h o t C a l o r i e s fl i e d b y b u c k s h o t M e c h a n i c a l e q u i v a l e n t o f h e a t , e x p e r i m e n t a l M e c h a n i c a l e q u i v a l e n t o f h e a t , a c c e p t e d v a l u e % e r r o r C A L C U L A T I O N S S h o w t h e c a l c u l a t i o n s f o r T r i a l 1 i n t h e s p a c e s p r o v i d e d b e l o w . E n t e r t h e r e s u l t s o f t h e c a l c u l a t i o n s f o r a l l t r i a l s i n t h e c a l c u l a t i o n s t a b l e . C a l c u l a t i o n s : T r i a l 1 T o t a l p o t e n t i a l e n e r g y o f b u c k s h o t T e m p e r a t u r e c h a n g e S p e c i fi c h e a t o f b u c k s h o t C a l o r i e s g a i n e d b y b u c k s h o t M e c h a n i c a l e q u i v a l e n t o f h e a t , e x p e r i m e n t a l M e c h a n i c a l e q u i v a l e n t o f h e a t , a c c e p t e d v a l u e % e r r o r 2 0 3 L a b 1 2 - M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t ( S e c o n d T e c h n i q u e ) - S t u d e n t E d i t i o n C o n c l u s i o n : , 1 . W r i t e d o w n t w o t h i n g s y o u f o u n d i n t e r e s t i n g a b o u t t h i s i n v e s t i g a t i o n . 2 . W h a t w e r e t w o o r m o r e t h i n g s y o u f o u n d a b i t c o n f u s i n g ? 3 . W h a t p a r t o f t h i s e x p e r i m e n t w o u l d b e d i f fi c u l t t o e x p l a i n t o s o m e o n e e l s e ? W h y ? 4 . B a s e d o n a n s w e r s t o 1 , 2 a n d 3 , w h a t t h i n g s d o y o u k n o w , w h a t d o t h i n k k n o w a n d w h a t d o h a v e ? 2 0 4 L a b 1 3 — S p e c i fi c H e a t o f a M e t a l - P u r p o s e : S t u d e n t E d i t i o n T o e x p e r i m e n t a l l y d e t e r m i n e t h e s p e c i fi c h e a t o f c o p p e r a n d a l u m i n u m a n d t h e n u s e t h e p r o c e d u r e t o d e t e r m i n e t h e s p e c i fi c h e a t o f a n u n k n o w n m e t a l a n d i d e n t i f y t h e m e t a l f r o m t h i s v a l u e . B a c k g r o u n d : S p e c i fi c h e a t c i s d e fi n e d a s t h e a m o u n t o f h e a t e n e r g y ( J o u l e s o r c a l o r i e s ) n e e d e d t o r a i s e 1 g r a m o f a s u b s t a n c e 1 ° C . T h i s v a l u e i s a c h a r a c t e r i s t i c p r o p e r t y o f a s u b s t a n c e a n d i f c a r e f u l l y m e a s u r e d c a n b e u s e d t o i d e n t i f y t h a t s u b s t a n c e . I n t h i s i n v e s t i g a t i o n : 1 . V a r i o u s m e t a l s w i l l b e h e a t e d t o b e t w e e n 9 5 a n d 9 8 ° C u s i n g s t e a m . 2 . T h e s e m e t a l s w i l l t h e n b e p l a c e d i n a p r e p a r e d c a l o r i m e t e r w h e r e t h e m e t a l w i l l l o s e i t s e n e r g y t o t h e w a t e r a n d c a l o r i m e t e r . 3 . U s i n g t h e m e t h o d o f m i x t u r e s , s t u d e n t s w i l l b a s e c a l c u l a t i o n s o n h e a t l o s t ( b y t h e m e t a l ) , w i l l e q u a l h e a t g a i n e d b y t h e w a t e r a n d c a l o r i m e t e r . 4 . W r t h c a r e f u l m e a s u r i n g a n d a t t e n t i o n t o d e t a i l , s t u d e n t s w i l l b e a b l e t o c a l c u l a t e t h e s p e c i fi c h e a t o f t h e m e t a l . Q = g 0 A T 0 c ( s p e c i fi c h e a t ) P r o c e d u r e : ( U s i n g t h e s t e a m b o i l e r ) A P P N 9 9 A @ N e F i n d t h e m a s s o f t h e m e t a l u s e d . M e a s u r e t h e T i o f t h e m e t a l - ( a f t e r i t h a s b e e n h e a t e d ) . M e a s u r e t h e m a s s o f t h e c a l o r i m e t e r c u p ( u s e S t y r o f o a m o r a l u m i n u m ) . M e a s u r e t h e m a s s o f t h e c a l o r i m e t e r c u p a n d w a t e r ( 1 / 2 t o 2 1 3 s f u l l o f w a t e r ) . F i n d t h e i n i t i a l t e m p e r a t u r e o f t h e w a t e r . F i n d t h e e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e a f t e r t h e h o t m e t a l i s p o u r e d i n t o t h e w a t e r a n d t h e s y s t e m i s a l l o w e d t o c o m e t o a s t e a d y s t a t e . C a l c u l a t e t h e h e a t g a i n e d b y t h e w a t e r . C a l c u l a t e t h e h e a t g a i n e d b y t h e c a l o r i m e t e r . W r i t e a n e q u a t i o n f o r t h e h e a t l o s t b y t h e m e t a l . H e a t g a i n e d b y t h e w a t e r + h e a t g a i n e d b y c a l o r i m e t e r = h e a t l o s t b y c o o l i n g m e t a l . 2 0 5 1 0 . S m o l v e e t a l . f o r c f o r t h e L a b 1 3 — S p e c i fi c H e a t o f a M e t a l — S t u d e n t E d i t i o n — D a t a : F M e a s u r e m e n t A l C u X 1 . M a s s o f h e a t i g q c u p 2 . M a s s o f c u p + m e t a l 3 . T i — m e t a l ( a f t e r i t i s h e a t e d ) 4 . M a s s o f c a l o r i m e t e r c u p 5 . M a s s o f c a l o r i m e t e r c u p + w a t e r 6 - T i — H 2 0 i n c a l o r i m e t e r 7 . T E l - C u p , H 2 0 a n d m e t a l C a l c u l a t i o n s : C u 1 - M a s s o f m e t a l 2 . A T — m e t a l ( T i - T e q ) 3 . E q u a t i o n f o r h e a t l o s t b y t h e m e t a l 4 . M a s s o f H 2 0 j i f o r H 2 0 6 - H e a t g a i n e d b y H 2 0 — 4 0 : 9 ; t h . c ) 7 - A T f o r c a l . C u p 4 ‘ 5 9 : T i 1 3 - H e a t g a i n e d b y c a l . C u ( c a l c o n s t a n t 0 A T ) 9 - T O t a l h e a p g a i n e d % e r r o r 2 0 6 L a b 1 3 — S p e c i fi c H e a t o f a M e t a l - S t u d e n t E d i t i o n % e r r o r = | K V = E V | o 1 0 0 K V D o s a m p l e c a l c u l a t i o n s f o r c o p p e r b e l o w . C a l c u l a t i o n s : C u 1 . M a s s o f m e t a l 2 . A T - m e t a l ( T i - T e q ) 3 . E q u a t i o n f o r h e a t l o s t b y t h e m e t a l 4 . M a s s o f H 2 0 5 . A T f o r H 2 0 6 . H e a t g a i n e d b y H 2 0 — ( Q = Q O A T c c ) 7 . A T f o r c a l . C u p ( T a r T i ) 8 . H e a t g a i n e d b y c a l . C u p ( c a l c o n s t a n t 0 A T ) 9 . T o t a l h e a t fi n e d 1 0 . S o l v e f o r c f o r t h e m e t a l . _ 1 1 . % e r r o r 2 0 7 L a b 1 3 — S p e c i fi c H e a t o f a M e t a l - S t u d e n t E d i t i o n _ C o n c l u s i o n : 1 . W h a t h a p p e n s t o t h e t h e r m a l e n e r g y o f t h e m e t a l w h e n i t i s p l a c e d i n t h e w a t e r a n d c a l o r i m e t e r ? W h a t d o w e a s s u m e o c c u r s d u r i n g t h e p r o c e s s d i s c u s s e d i n q u e s t i o n 1 ? H o w m u c h e n e r g y w a s l o s t b y t h e m e t a l ? H o w m u c h e n e r g y w a s g a i n e d b y t h e w a t e r a n d c a l o r i m e t e r ? H o w d o e s t h e c a l c u l a t e d c c o m p a r e t o t h e k n o w n v a l u e ? A r e t h e r e s o u r c e s o f e r r o r i n t h i s ? 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 2 0 8 L a b 1 4 — S p e c i fi c H e a t o f a M e t a l ( l l ) — S t u d e n t E d i t i o n P u r p o s e : 1 . 2 . B a c k g r o u n d : P r o c e d u r e : 1 . 2 . 3 . I n t h i s e x p e r i m e n t w e w i l l u s e a p r o c e d u r e s i m i l a r t o t h e fi r s t e x p e r i m e n t t o m e a s u r e c f o r 5 d i f f e r e n t m e t a l s . U s i n g a s t r e a m l i n e d p r o c e s s , s t u d e n t s w i l l m e a s u r e 0 f o r C u , Z n , F e , A l a n d S n a n d c o m p a r e t h e i r c a l c u l a t i o n s w i t h t h e k n o w n v a l u e . - S p e c i fi c h e a t c i s d e fi n e d a s t h e a m o u n t o f h e a t e n e r g y ( J o u l e s o r c a l o r i e s ) n e e d e d t o r a i s e 1 g r a m o f a s u b s t a n c e 1 ° C . T h i s v a l u e i s a c h a r a c t e r i s t i c p r o p e r t y o f a s u b s t a n c e a n d i f c a r e f u l l y m e a s u r e d c a n b e u s e d t o i d e n t i f y t h a t s u b s t a n c e . - I n t h i s i n v e s t i g a t i o n : 1 . V a r i o u s m e t a l s w i l l b e h e a t e d t o b e t w e e n 9 5 a n d 9 8 ° C u s i n g h o t w a t e r . 2 . T h e s e m e t a l s w i l l t h e n b e p l a c e d i n a p r e p a r e d c a l o r i m e t e r w h e r e t h e m e t a l w i l l l o s e i t s e n e r g y t o t h e w a t e r a n d c a l o r i m e t e r . 3 . U s i n g t h e m e t h o d o f m i x t u r e s , s t u d e n t s w i l l b a s e c a l c u l a t i o n s o n h e a t l o s t ( b y t h e m e t a l ) , w i l l e q u a l h e a t g a i n e d b y t h e w a t e r a n d c a l o r i m e t e r . 4 . W i t h c a r e f u l m e a s u r i n g a n d a t t e n t i o n t o d e t a i l , s t u d e n t s w i l l b e a b l e t o c a l c u l a t e t h e s p e c i fi c h e a t o f t h e m e t a l . Q = g 0 A T 0 c ( s p e c i fi c h e a t ) F i n d t h e m a s s o f t h e i n d i v i d u a l s a m p l e s o f m e t a l . H e a t t h e m e t a l s a m p l e s i n a 4 0 0 m l t a l l b e a k e r u n t i l t h e y a r e a t t h e t e m p e r a t u r e o f t h e b o i l i n g w a t e r ( 9 7 - 9 9 ° C ) . P r e p a r e 5 c a l o r i m e t e r s e a c h w i t h e n o u g h w a t e r t o c o v e r t h e m e t a l s a m p l e s w h e n t h e y a r e p l a c e d i n t h e c a l o r i m e t e r . ( A l u m i n u m w i l l p r e s e n t t h e m o s t p r o b l e m — m a y n e e d t o u s e a l a r g e r c a l o r i m e t e r . ) A s s u m e a l l t h e m e t a l s a m p l e s a r e a t t h e t e m p e r a t u r e o f t h e b o i l i n g w a t e r b e f o r e t h e y a r e p l a c e d i n t h e c a l o r i m e t e r . M e a s u r e t h e i n i t i a l t e m p e r a t u r e o f t h e w a t e r i n e a c h c a l o r i m e t e r j u s t b e f o r e t h e m e t a l i s a d d e d . A d d t h e h o t m e t a l ( 9 7 - 9 9 ° C ) t o t h e p r e p a r e d c a l o r i m e t e r . A l l o w t h e s y s t e m t o r e a c h t h e r m a l e q u i l i b r i u m a n d r e c o r d t h e e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e f o r e a c h o f t h e fi v e s y s t e m s ( T e q ) . C a l c u l a t e t h e h e a t g a i n e d b y t h e w a t e r . C a l c u l a t e t h e h e a t g a i n e d b y t h e c a l o r i m e t e r . 2 0 9 L a b 1 4 - S p e c i fi c H e a t o f a M e t a l ( l l ) — S t u d e n t E d i t i o n — 9 . W r i t e a n e q u a t i o n f o r t h e h e a t l o s t b y e a c h m e t a l t h a t c o n t a i n s t h e u n k n o w n s p e c i fi c h e a t ( c ) . 1 0 . U s i n g h e a t l o s t = h e a t g a i n e d , s o l v e f o r t h e s p e c i fi c h e a t o f e a c h m e t a l . D a t a ( S p e c i fi c H e a t o f F i v e S a m p l e s ) : M e t a l U s e d A l C u Z n S n F e M e a s u r e m e n t T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 T r i a l 4 T r i a l 5 1 . M a s s o f m e t a l 2 . T i — m e t a l ( t e m p e r a t u r e o f b o i l i I L q u a t e r ) 3 . M a s s o f c a l o r i m e t e r c u p 4 . M a s s o f c a l o r i m e t e r c u p + H 2 0 5 . T a - H 2 0 6 . T . q - H 2 0 a n d m e t a l 2 1 0 L a b 1 4 - S p e c i fi c H e a t o f a M e t a l ( l l ) - S t u d e n t E d i t i o n — C a l c u l a t i o n s ( P r o c e s s i n t h e D a t a ) : M e t a l U s e d A l C u Z n S n F e C a l c u l a t i o n s T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 T r i a l 4 T r i a l 5 1 . A T f o r t h e m e t a l 2 . H e a t l o s t b y t h e m e t a l ( w i l l c o n t a i n u n k n o w n ) 3 . A T - H 2 0 a n d c a l o r i m e t e r 4 . M a s s o f H 2 0 5 . H e a t g a i n e d b y t h e w a t e r . 6 . H e a t g a i n e d b y c a l o r i m e t e r 7 . S p e c i fi c h e a t o f m e t a l 8 . K n o w n v a l u e 9 . % e r r o r 2 1 1 L a b 1 4 - S p e c i fi c H e a t o f a M e t a l ( l l ) - S t u d e n t E d i t i o n C a l c u l a t i o n s ( P r o w s s i n g i h e D a t a ) : C a l c u l a t i o n s C a l c u l a t i o n s f o r C u 1 . A T f o r t h e m e t a l 2 . H e a t l o s t b y t h e m e t a l ( w i l l c o n t a i n u n k n o w n ) 3 . A T - H 2 0 a n d c a l o r i m e t e r 4 . M a s s o f H 2 0 5 . H e a t g a i n e d b y t h e w a t e r . 6 . H e a t g a i n e d b y c a l o r i m e t e r 7 . S p e c i fi c h e a t o f m e t a l 8 . K n o w n v a l u e 9 . % e r r o r 2 1 2 9 5 3 0 . 3 4 . 9 9 L a b 1 4 — S p e c i fi c H e a t o f a M e t a l ( l l ) - S t u d e n t E d i t i o n _ C o n c l u s i o n : 1 . W h a t h a p p e n s t o t h e t h e r m a l e n e r g y o f t h e m e t a l w h e n i t i s p l a c e d i n t h e w a t e r a n d c a l o r i m e t e r ? W h a t d o w e a s s u m e o c c u r s d u r i n g t h e p r o c e s s d i s c u s s e d i n q u e s t i o n 1 ? H o w m u c h e n e r g y w a s l o s t b y t h e m e t a l ? H o w m u c h e n e r g y w a s g a i n e d b y t h e w a t e r a n d c a l o r i m e t e r ? H o w d o e s t h e c a l c u l a t e d c ( s p e c i fi c h e a t ) c o m p a r e t o t h e k n o w n v a l u e ? A r e t h e r e a n y p o s s i b l e s o u r c e s o f e r r o r i n t h i s p r o c e s s ? 2 1 3 ? " S ’ P N P L a b 1 5 - T e m p e r a t u r e o f a H o t B o d y — S t u d e n t E d i t i o n — P u r p o s e : ‘ T o u s e t h e p r i n c i p l e s o f h e a t e x c h a n g e t o d e t e r m i n e t h e i n i t i a l t e m p e r a t u r e o f a r e d - h o t p i e c e o f m e t a l . ( T h e e n e r g y p r e s e n t i n t h e r e d - h o t m e t a l w i l l b e a b s o r b e d b y t h e w a t e r i n a p r e p a r e d c a l o r i m e t e r a s w e l l a s b y t h e c a l o r i m e t e r ) . P r o c e d u r e : 1 . S e t u p a s t e a m b o i l e r t o b e u s e d a s a h o l d e r f o r t h e p i e c e o f m e t a l t o b e h e a t e d . 2 . U s i n g a c o a t h a n g e r , p r e p a r e a p i e c e o f w i r e t h a t w i l l s u s p e n d t h e i r o n s a m p l e i n a g a s b u r n e r fl a m e . 3 . W h i l e t h e m e t a l i s b e i n g h e a t e d , p r e p a r e a m e t a l c a l o r i m e t e r ( A l ) t h a t i s 2 1 3 s f u l l o f 5 0 ° C w a t e r . W h e n t h e m e t a l i s r e d - h o t ( t u r n o f f r o o m l i g h t s ) , d u m p t h e s a m p l e i n t o t h e p r e p a r e d c a l o r i m e t e r . ( T h e r e w i l l b e s o m e b u m p i n g . ) A l l o w t h e s y s t e m t o r e a c h t h e r m a l e q u i l i b r i u m a n d r e a c h t h e e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e ( T . q ) . C a l c u l a t e t h e e n e r g y a b s o r b e d b y t h e w a t e r . C a l c u l a t e t h e e n e r g y a b s o r b e d b y t h e c a l o r i m e t e r ( A l ) . W r i t e a n e q u a t i o n t h a t a d d r e s s e s t h e h e a t l o s t b y t h e i r o n s a m p l e t h a t i n c l u d e s A T a s X f o r t h e u n k n o w n t e r m . U s i n g h e a t l o s t = h e a t g a i n e d s o l v e t h e e x p r e s s i o n f o r t h e A T f o r t h e i r o n s a m p l e . 1 0 . A d d A T + T . q a n d fi n d t h e T i f o r t h e r e d - h o t m e t a l . C o n v e r t t h e t e m p e r a t u r e t o : 5 ° F = ( 9 1 5 0 ) + 3 2 2 1 4 L a b 1 5 - T e m p e r a t u r e o f a H o t B o d y — S t u d e n t E d i t i o n D a t a : M e a s u r e m e n t s T r i a l 1 T r i a l 2 1 . M a s s o f t h e F e s a m p l e 2 . S p e c i fi c h e a t o f F e 3 . M a s s o f c a l . C & ( A I ) 4 . M a s s o f c a l . C u p + H 2 0 . 5 . T ; o f H 2 0 6 . T . q o f s y s t e m ( m e t a l , H 2 0 a n d c a l c u p ) C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n s T r i a l 1 T r i a l 2 1 . M a s s o f H 2 0 2 . A T f o r H 2 0 + c a l c u p 3 . H e a t g a i n e d b y H 2 0 4 . H e a t g a i n e d b y c a l c u p 5 . T o t a l h e a t g a i n e d b y s y s t e m 6 . E x p r e s s i o n f o r h e a t l o s t b y m e t a l 7 . A T f o r h o t m e t a l s a m p l e 8 . T ; f o r h o t - b o d y T 9 ; , + A T = T | 9 . T ; f o r h o t b o d y i n ° F D o t h e s a m p l e c a l c u l a t i o n s o n t h e n e x t p a g e f o r t r i a l o f y o u r c h o i c e . 2 1 5 L a b 1 5 - T e m p e r a t u r e o f a H o t B o d y - S t u d e n t E d i t i o n — C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n s T r i a l 1 1 . M a s s o f H 2 0 2 . A T f o r H 2 0 + c a l c u p 3 . H e a t g a i n e d b y H 2 0 4 . H e a t g a i n e d b y A l c a l c u p 5 . T o t a l h e a t g a i n e d b y s y s t e m 6 . E x p r e s s i o n f o r h e a t l o s t b y m e t a l 7 . A T f o r h o t m e t a l s a m p l e 8 . T i f o r h o t - b o d y T 9 ; ; A T = T i 9 . T ; f o r h o t b o d y i n ° F 2 1 6 L a b 1 5 - T e m p e r a t u r e o f a H o t B o d y — S t u d e n t E d i t i o n _ C o n c l u s i o n : 2 1 7 ” . 9 9 ‘ 9 L a b 1 6 - P h a s e C h a n g e s ( F r e e z i n g a n d M e l t i n g ) — S t u d e n t E d i t i o n P u r p o s e : 1 . T o q u a l i t a t i v e l y a n a l y z e w h a t h a p p e n s t o w a t e r w h e n i t f r e e z e s t o 2 . 3 . E q u i p m e n t : ’ 1 . 2 . 3 . P r o c e d u r e : f o r m i c e . A d d i t i o n a l l y o b s e r v e w h a t h a p p e n s w h e n i c e t h a t f o r m e d i s m e l t e d t o r e f o r m t h e w a t e r . R e p e a t t h e e x p e r i m e n t a n d q u a n t i t a t i v e l y a n a l y z e w h a t h a p p e n s t o t h e w a t e r w h e n i t i s f r o z e n a n d w h e n i t i s a l l o w e d t o r e t u r n t o i t s l i q u i d s t a t e . 2 5 0 m l b e a k e r 4 . R o c k s a l t o r i c e m e l t ( K C I ) 2 0 X 1 5 0 t e s t t u b e 5 . I c e T h e r m o m e t e r 6 . T a p w a t e r P a r t I ( Q u a l i t a t i v e ) - Y o u m a y w a n t t o i g n o r e t h i s s e c t i o n a n d d o p a r t I I o n l y 1 . P l a c e 1 - 2 m l o f t a p w a t e r i n t e s t t u b e . P l a c e t h e t e s t t u b e i n a b e a k e r t h a t h a s a m i x t u r e o f r o c k s a l t a n d i c e . ( C a n u s e i c e m e l t a n d w a t e r ) . M a k e a l i s t o f a l l q u a l i t a t i v e o b s e r v a t i o n s t h a t o c c u r w h i l e t h e c o o l i n g p r o c e s s i s o c c u r r i n g . ( W h a t d o y o u t h i n k i s h a p p e n i n g ? ) R e m o v e t h e t e s t t u b e w i t h t h e i c e i n i t f r o m t h e r o c k s a l t a n d i c e m i x t u r e a n d p l a c e i t i n a b e a k e r o f r o o m t e m p e r a t u r e w a t e r . M a k e o b s e r v a t i o n s o f w h a t i s h a p p e n i n g w h i l e t h e t e s t t u b e i s w a r m i n g . A f t e r y o u c o m p l e t e t h e c o o l i n g a n d w a r m i n g p r o c e s s e s e x p l a i n ( u s i n g y o u r o w n t h o u g h t s ) w h a t y o u t h i n k i s h a p p e n i n g t o t h e w a t e r a n d i c e i n b o t h p r o c e s s e s . P a r t I I ( Q u a n t i t a t i v e ) 1 . P l a c e 1 - 2 m l o f t a p w a t e r i n a t e s t t u b e a n d p l a c e a t h e r m o m e t e r i n t h e t e s t t u b e . ( U s e a # 2 o n e - h o l e s t o p p e r t o c e n t e r t h e t h e r m o m e t e r i n t h e t e s t t u b e a n d r e c o r d t h e i n i t i a l t e m p e r a t u r e o f t h e w a t e r . ) P l a c e t h e t e s t t u b e a n d w a t e r i n t h e b e a k e r o f r o c k s a l t a n d i c e a n d r e a d t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s y s t e m a t 1 5 - s e c o n d i n t e r v a l s f o r 1 0 m i n u t e s . ( P l a c e a s e c o n d t h e r m o m e t e r i n t h e r o c k s a l t a n d i c e m i x t u r e a n d r e c o r d t h e t e m p e r a t u r e o f t h e i c e b a t h . ) 2 1 8 t - N G P m e m o ‘ L — o L — a t w — h w — fi h - m A — m L — w L m — t o — L o — a N N m M N w L a b 1 6 - P h a s e C h a n g e s ( F r e e z i n g a n d M e l t i n g ) - S t u d e n t E d i t i o n — 3 . R e m o v e t h e t e s t t u b e f r o m t h e r o c k s a l t a n d i c e a n d p l a c e t h e t e s t t u b e i n a b e a k e r o f r o o m t e m p e r a t u r e w a t e r r e a d i n g t h e t e m p e r a t u r e e v e r y 1 5 s e c o n d s f o r 1 0 m i n u t e s . ( U s e a s e c o n d t h e r m o m e t e r t o m e a s u r e t h e w a t e r t e m p e r a t u r e i n t h e b e a k e r . ) 4 . G r a p h t h e r e s u l t s o f s t e p s 2 a n d 3 ( t e m p e r a t u r e a s a f u n c t i o n o f t i m e ) . D a t a - P a r t I - O b s e r v a t i o n s : 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . D a t a : P a r t I I : ( S a m p l e d a t a i s i n c l u d e d o n t h e l a s t p a g e ) . G r a p h i s i n c l u d e d o n 4 p a g e F T i m e - T e m p e r a t u r e - F r e e z i n g T i m e - T e m p e r a t u r e - M e l t i n g F 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 1 9 2 2 2 2 2 2 4 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 1 4 5 6 7 8 9 2 0 3 4 5 6 7 8 9 0 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 1 4 5 5 7 8 9 0 2 3 4 5 5 7 3 9 o L a b 1 6 - P h a s e C h a n g e s ( F r e e z i n g a n d M e l t i n g ) — S t u d e n t E d i t i o n 2 2 0 L a b 1 6 - P h a s e C h a n g e s ( F r e e z i n g a n d M e l t i n g ) - S t u d e n t E d i t i o n C o n c l u s i o n : 1 . H o w d i d P a r t I I d i f f e r f r o m P a r t I ? 2 . W h a t h a p p e n s t o t h e s y s t e m ’ s t e m p e r a t u r e w h e n t h e w a t e r f r e e z e s ? W h e n t h e i c e m e l t s ? 3 . W h a t d o y o u t h i n k i s h a p p e n i n g t o t h e e n e r g y t h a t i s b e i n g e x c h a n g e d i n b o t h s y s t e m s ? ( W h a t h a p p e n s t o t h e h e a t e n e r g y a s t h e w a t e r f r e e z e s i n t h e fi r s t s i t u a t i o n a n d i c e m e l t s i n t h e s e c o n d s fi u a fl o n 2 2 1 L a b 1 7 - H e a t o f F u s i o n — S t u d e n t E d i t i o n P u r p o s e : T o m e a s u r e t h e a m o u n t o f h e a t e n e r g y ( c a l o r i e s o r J o u l e s ) a s s o c i a t e d w i t h t h e c h a n g e o f p h a s e o f w a t e r a s i t c h a n g e s f r o m s o l i d t o l i q u i d p h a s e . H 2 0 ( s ; + e n e r g y — b H 2 0 ( L ; ( H r ) B a c k g r o u n d : 1 . F i l l a g l a s s w i t h i c e ( 0 ° C ) a n d a l l o w i t t o s t a n d i n a w a r m r o o m u n t i l t h e l a s t b i t m e l t s . T h e t e m p i s s t i l l 0 ° C . a . T e m p e r a t u r e — n o t c h a n g e d b . W e k n o w t h e s y s t e m ( g l a s s o f i c e ) h a s a b s o r b e d e n e r g y . c . W h e r e d i d t h e e n e r g y g o ? d . W h a t w a s t h e e f f e c t o f t h i s e n e r g y ? 2 . W e c a n e a s i l y s e e i c e h a s c h a n g e d t o w a t e r . H e a t e n e r g y g o e s i n t o t h e i c e , b r e a k s t h e b o n d i n g i n t h e s o l i d ( h y d r o g e n b o n d s ) a n d c o n v e r t s i c e t o w a t e r . 3 . L ; ( l a t e n t h e a t o f f u s i o n ) d e fi n e d a s t h e a m o u n t o f h e a t e n e r g y r e q u i r e d t o c h a n g e a u n i t m a s s ( g r a m s o r m o l e ) o f a s u b s t a n c e f r o m s o l i d t o l i q u i d p h a s e . I c e 7 9 . 7 c a l / g r a m 4 . W e c a n u s e w a r m w a t e r t o m e l t i c e . L o g i c h e r e i s t h a t t h e w a r m w a t e r g i v e s u p h e a t e n e r g y t h a t i s u s e d t o m e l t t h e i c e . 5 . D o t h e h e a t e x c h a n g e i n a n i n s u l a t e d c a l o r i m e t e r . a . I n t h e c a l o r i m e t e r h e a t g a i n e d = h e a t l o s t b . H e a t g a i n e d i n c l u d e s h e a t t o m e l t i c e c . H e a t l o s t i n c l u d e s h e a t l o s t b y w a r m w a t e r + h e a t l o s t b y c a l o r i m e t e r ( s m a l l a n d i s s o m e t i m e s i g n o r e d ) . A s s u m e s y s t e m c o o l s t o a r o u n d 5 ° a f t e r a l l t h e i c e m e l t s . P r o c e d u r e : 1 . N e e d w a r m w a t e r 1 5 - 2 0 ° C a b o v e r o o m t e m p e r a t u r e ( u s e 4 0 4 3 ° C t a p w a t e r ) . 2 . N o t e t h e t y p e o f c a l o r i m e t e r ( c o n s t a n t p r e s s u r e ) t h a t y o u a r e u s i n g . a . 2 S t y r o f o a m c u p s w i t h a l i d ( o r b ) 6 . A l u m i n u m w i t h a n i n n e r a n d o u t e r c u p ( D o n o t fi n d m a s s o f t h e r i n g ) 3 . F i n d t h e m a s s o f t h e c a l o r i m e t e r c u p . 4 . A d d w a t e r t o t h e c u p 4 0 - 4 3 ° C a n d fi n d t h e m a s s o f t h e c u p a n d t h e w a r m w a t e r . 5 . F i n d t h e T ; f o r t h e w a r m w a t e r b e f o r e y o u s t a r t t o a d d t h e i c e ( s t i r w a t e r a n d m e a s u r e t h e t e m p e r a t u r e ) . 2 2 2 L a b 1 7 - H e a t o f F u s i o n - S t u d e n t E d i t i o n O b t a i n y o u r i c e i n a t y r o o a m c u p , d r y t h e s u a c e o f t h e i c e w i t h a p a p e r t o w e l a n d t h e n a d d t o t h e w a r m w a t e r . ( D o n o t s p l a s h ) . 7 . C o n t i n u e t o a d d i c e u n t i l t h e t e m p e r a t u r e i s a r o u n d 5 ° C ( T h i s i s a b o u t a s l o w a s i s n e e d e d ) , l o w e r t e m p e r a t u r e m a y c a u s e c o n d e n s a t i o n o n t h e c a l o r i m e t e r . 8 . C o n t r o l t h e i c e a d d i t i o n o f t h e e n d s o i t m e l t s a n d d o e s n o t n e e d t o b e r e m o v e d . 9 . M e a s u r e t h e fi n a l t e m p e r a t u r e a n d fi n d t h e m a s s o f t h e c a l o r i m e t e r , w a r m w a t e r a n d i c e ( n o w i c e w a t e r ) . 1 0 . C o m p u t e t h e h e a t l o s t a n d h e a t g a i n e d a n d c o m p u t e t h e h e a t o f f u s i o n . 1 1 . P a r t n e r s s h o u l d w o r k t o g e t h e r w i t h o n e a n o t h e r e a c h d o i n g t h e i r o w n t r i a l . D a t a : M e a s u r e m e n t s T r i a l 1 T r i a l 2 1 . M a s s o f c a l o r i m e t e r c u p 2 . M a s s o f c a l o r i m e t e r c u p + w a r m w a t e r 3 . M a s s o f c a l o r i m e t e r c u p + w a r m w a t e r + i c e w a t e r ( a f t e r i c e m e l t s ) 4 . T ; - w a r m w a t e r + c a l o r i m e t e r 5 . T ; - w a t e r + c a l o r i m e t e r + i c e w a t e r 2 2 3 L a b 1 7 - H e a t o f F u s i o n - S t u d e n t E d i t i o n C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n s T r i a l 1 T r i a l 2 1 . M a s s o f w a r m w a t e r 2 . M a s s o f i c e 3 . C = c a l o r i m e t e r 4 . A T - w a r m w a t e r + c a l o r i m e t e r 5 . C a l o r i e s l o s t b y c a l o r i m e t e r 6 . C a l o r i e s l o s t b y w a t e r 7 . T o t a l c a l o r i e s l o s t 8 . C a l o r i e s u s e d t o w a r m w a t e r f o r m e d b y m e l t e d i c e 9 . C a l o r i e s u s e d t o m e l t i c e 1 0 . C a l o r i e s u s e d t o m e l t 1 g r a m o f i c e 1 1 . C a l o r i e s u s e d t o m e l t 1 m o l e o f i c e 1 2 . K n o w n v a l u e o f H ; 1 3 . A b s o l u t e e r r o r 1 4 . % e r r o r 2 2 4 L a b 1 7 - H e a t o f F u s i o n - S t u d e n t E d i t i o n S a m p l e C a l c u l a t i o n f o r B e s t T r i a l : C a l c u l a t i o n s T r i a l 2 1 . M a s s o f w a r m w a t e r 2 . M a s s o f i c e 3 . C = c a l o r i m e t e r 4 . A T — w a r m w a t e r + c a l o r i m e t e r 5 . C a l o r i e s l o s t b y c a l o r i m e t e r 6 . C a l o r i e s l o s t b y w a t e r 7 . T o t a l c a l o r i e s l o s t 8 . C a l o r i e s u s e d t o w a r m w a t e r f o r m e d b y m e l t e d i c e 9 . C a l o r i e s u s e d t o m e l t i c e 1 0 . C a l o r i e s u s e d t o m e l t 1 g r a m o f i c e 1 1 . C a l o r i e s u s e d t o m e l t 1 m o l e o f i c e 1 2 . K n o w n v a l u e o f H ; 1 3 . A b s o l u t e e r r o r 1 4 . % e r r o r 2 2 5 “ . 9 9 N L a b 1 7 - H e a t o f F u s i o n - S t u d e n t E d i t i o n C o n c l u s i o n : 1 . 2 . 3 . W h a t h a p p e n s t o t h e t e m p e r a t u r e o f t h e i c e a s y o u o b s e r v e i t c h a n g e f r o m s o l i d t o l i q u i d ? W h a t b e c o m e s o f t h e h e a t e n e r g y t h a t i s u s e d t o m e l t t h e i c e ? W h y d i d t h e s t u d e n t d r y t h e i c e b e f o r e d r o p p i n g i t i n t o t h e c a l o r i m e t e r ? H o w w o u l d t h e i n v e s t i g a t i o n b e a f f e c t e d i f t h e i c e w e r e n o t d r i e d ? W h a t i s H ; - h e a t o f f u s i o n ? W h a t i s t h e v a l u e o f H ; ? W h a t a r e t h e p r i n c i p l e s o u r c e s o f e r r o r i n t h i s e x p e r i m e n t ? R e fl e c t o n t h e r e a s o n y o u d i d t h e i n v e s t i g a t i o n a n d i f y o u w e r e a b l e t o a c h i e v e t h e 2 2 6 L a b 1 8 - B o i l i n g P o i n t o f a L i q u i d - S t u d e n t E d i t i o n P u r p o s e : T o u s e t h e l a b o r a t o r y s e t u p d e m o n s t r a t e d i n c l a s s t o m e a s u r e t h e b o i l i n g p o i n t s o f f o u r u n k n o w n l i q u i d s . P r o p e r t e c h n i q u e s h o u l d a l l o w t h e i d e n t i fi c a t i o n o f e a c h l i q u i d . P r o c e d u r e : S t u d e n t s w i l l w r i t e o u t t h e p r o c e d u r e b a s e d o n t h e i r c l a s s n o t e s . S t u d e n t s w i l l i n c l u d e a d i a g r a m o f t h e a p p a r a t u s t h a t w a s s e t u p i n c l a s s ( i m i t a t i o n i s t h e s i n c e r e s t f o r m o f fl a t t e r y ) . 2 2 7 L a b 1 8 - B o i l i n g P o i n t o f a L i q u i d - S t u d e n t E d i t i o n o r u s e E x c e l . u i d 2 d a t a o n 2 2 8 L a b 1 8 — B o i l i n g P o i n t o f a L i q u i d - C o n c l u s i o n : 1 . S t u d e n t E d i t i o n W h a t h a p p e n s t o t h e t e m p e r a t u r e o f e a c h l i q u i d a s i t s t a r t s t o b o i l ? W h a t i s h a p p e n i n g t o h e a t e n e r g y f r o m t h e b u r n e r a s t h e l i q u i d b e g i n s t o b o i l ? W h a t h a p p e n s t o h e a t e n e r g y a s a v a p o r ( g a s ) c o n d e n s e s t o f o r m a l i q u i d ? I f i t t a k e s l o n g e r f o r a l i q u i d t o b o i l d o e s i t m e a n t h e l i q u i d g e t s h o t t e r ? E x p l a i n . D o a l l t h e g r a p h s l o o k t h e s a m e ? H o w a r e t h e y t h e s a m e ? H o w a r e t h e y d i f f e r e n t ? D o a l l t h e g r a p h s h a v e a fl a t s e c t i o n ? W h a t a r e t h e t e m p e r a t u r e s o f t h e fl a t s e c t i o n ? 2 2 9 L a b 1 8 - B o i l i n g P o i n t o f a L i q u i d - S t u d e n t E d i t i o n 7 . W a s t h e t e m p e r a t u r e t h e s a m e i n a l l t h e t e s t t u b e s o n c e t h e l i q u i d s t a r t e d t o b o i l ? 8 . D o e s t h e b o i l i n g t e m p e r a t u r e d e p e n d o n t h e a m o u n t o f l i q u i d u s e d ? W h a t i f y o u u s e d 3 m l i n o n e t r i a l a n d 1 2 m l i n t h e n e x t t r i a l ? W h a t w o u l d t h e g r a p h o f e a c h t r i a l l o o k l i k e ? ( s k e t c h t h e g r a p h ) 3 m l 1 2 m l 9 . W h a t d o e s a d i f f e r e n c e i n b o i l i n g p o i n t s r e v e a l ? 1 0 . I s b o i l i n g p o i n t a c h a r a c t e r i s t i c p r o p e r t y ? W h y ? 2 3 0 L a b 1 9 — H e a t o f V a p o r i z a t i o n - S t u d e n t E d i t i o n P u r p o s e : 1 T o o b s e r v e t h e a m o u n t o f h e a t e n e r g y ( c a l o r i e s o r J o u l e s ) a s s o c i a t e d w i t h t h e c h a n g e o f p h a s e o f w a t e r a s i t c h a n g e s f r o m l i q u i d t o v a p o r p h a s e . M e a s u r e t h e a m o u n t o f h e a t a s s o c i a t e d w i t h t h e v a p o r i z a t i o n o f 1 g r a m o r 1 m o l e o f w a t e r . B a c k g r o u H 2 0 ( q u - * H 2 0 ( g a s ) + e n e r g y n d W h e n w a t e r i s h e a t e d a n d t e m p e r a t u r e r i s e s t o w a r d t h e b o i l i n g p o i n t , b u b b l e s f o r m i n t h e l i q u i d ( w a t e r b u b b l e s fi l l e d w i t h H 2 0 ) r i s e t h r o u g h t h e l i q u i d a n d b r e a k a t t h e s u r f a c e . T h e f o r m a t i o n o f t h e b u b b l e s i s t e r m e d b o i l i n g a n d t h e b r e a k i n g o f t h e b u b b l e s a t t h e s u r f a c e ( a l l o w i n g t h e m o l e c u l e s t o e n t e r t h e g a s p h a s e ) i s c a l l e d e v a p o r a t i o n . T h e c o m b i n a t i o n o f b o i l i n g a n d e v a p o r a t i o n i s t e r m e d v a p o r i z a t i o n . W e h a v e n o t i c e d t h a t t h e b o i l i n g w a t e r a n d t h e v a p o r a r e a t t h e s a m e t e m p e r a t u r e ( 1 0 0 ° C ) — 2 1 2 ° F I t i s e v i d e n t t h a t h e a t i s b e i n g a b s o r b e d . H o w e v e r , t h e p h a s e c h a n g e o c c u r s w i t h n o c h a n g e i n t e m p e r a t u r e . T h e e n e r g y i s u s e d t o d o w o r k t o o v e r c o m e t h e f o r c e s t h a t h o l d t h e m o l e c u l e s t o g e t h e r ( D i p o l e - d i p o l e ) h y d r o g e n b o n d i n g . A d d i t i o n a l l y , t h e a i r t h a t s u r r o u n d s t h e v e s s e l ( e n d o f h o s e ) i s a l s o p u s h e d b a c k t o m a k e r o o m f o r t h e e s c a p i n g m o l e c u l e s ( r e m e m b e r w a t e r d i s p l a c e s t h e a i r a n d i s n o t a b s o r b e d b y t h e a i r ) . W h e n m o l e c u l e s o f t h e v a p o r c o n d e n s e b a c k t o l i q u i d p h a s e t h e e x t r a h e a t t h a t w a s s t o r e d i n t h e m o l e c u l a r g a s p h a s e i s r e l e a s e d t o t h e l o c a l e n v i r o n m e n t ( i n o u r c a s e , w a t e r i n t h e c a l o r i m e t e r ) . T h e h e a t o f v a p o r i z a t i o n i s t h e a m o u n t o f e n e r g y ( i n t h e f o r m o f h e a t ) n e e d e d t o c h a n g e 1 g r a m o r 1 m o l e o f w a t e r f r o m t h e l i q u i d t o t h e g a s p h a s e w i t h n o c h a n g e i n t e m p e r a t u r e . T h e h e a t o f c o n d e n s a t i o n ( e q u a l t o H y a p ) c a n b e m e a s u r e d b y a l l o w i n g a k n o w n m a s s o f s t e a m a t a k n o w t e m p e r a t u r e ( 1 0 0 ° C ) t o c o n d e n s e i n t o a k n o w n c a l o r i m e t e r w i t h a k n o w n m a s s o f w a t e r a n d n o t i n g t h e r i s e i n t e m p e r a t u r e . T o e v a l u a t e t h e e x c h a n g e w e u s e t h e f o l l o w i n g e x p r e s s i o n : H e a t l o s t b y + h e a t l o s t b y H 2 0 ( L ) = h e a t g a i n e d b y H 2 0 + h e a t g a i n e d b y v a p o r b y c a l o r i m e t e r 2 3 1 L a b 1 9 - H e a t o f V a p o r i z a t i o n — S t u d e n t E d i t i o n — P r o c e d u r e : 1 . S e t u p a s t e a m b o i l e r a b o u t 1 / 3 f u l l o f w a t e r . a . P r e p a r e t h e c a l o r i m e t e r 2 / 3 f u l l o f 5 ° C w a t e r b . R e c o r d t h e a i r p r e s s u r e 2 . W e n e e d t o s e t u p a w a t e r t r a p b e t w e e n t h e b o i l e r a n d c a l o r i m e t e r . a . W e o n l y w a n t s t e a m t o e n t e r t h e c a l o r i m e t e r . b . N e e d t o p r e v e n t h o t w a t e r t h a t m a y c o n d e n s e a l o n g t h e w a y t h r o u g h t h e t u b e f r o m e n t e r i n g t h e c a l o r i m e t e r . c . W a t e r t e m p e r a t u r e w i l l c o l l e c t t h e c o n d e n s e d w a t e r a n d p e r m i t t h e s t e a m t o c o n t i n u e . 3 . F i n d t h e m a s s o f t h e e m p t y c a l o r i m e t e r c u p . 4 . A d d 5 ° C w a t e r t o t h e c u p a n d fi n d t h e m a s s o f t h e c u p a n d w a t e r . 5 . M e a s u r e t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s t e a m . 6 . R e a d T ; f o r t h e c o l d w a t e r , i n t r o d u c e t h e s t e a m t o t h e c o l d w a t e r a n d a l l o w t h e t e m p e r a t u r e t o r i s e a s f a r a b o v e r o o m t e m p e r a t u r e a s i t w a s b e l o w r o o m t e m p e r a t u r e . 7 . R e m o v e t h e h o s e - - a l l o w s y s t e m t o r e a c h e q u i l i b r i u m a n d r e a d t h e e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e T ; q 8 . F i n d t h e m a s s o f t h e c a l o r i m e t e r a n d w a t e r a n d c o n d e n s e d s t e a m . 9 . C o m p u t e t h e v a l u e o f H m a n d c o m p a r e t o a c c e p t e d v a l u e o f 5 3 9 . 6 c a l / g r a m . D a t a : M e a s u r e m e n t s T r i a l 1 T r i a l 2 1 . M a s s o f c a l o r i m e t e r c u p 2 . M a s s o f c a l o r i m e t e r c u p + 3 - 5 ° C w a t e r ( i c e w a t e r ) 3 . T i - c a l 4 ’ H 2 0 4 . T ; — s t e a m 5 . T n — w a t e r + c a l fi n a l 6 . M a s s o f w a t e r + c a l . c u p + c o n d e n s e d s t e a m 2 3 2 L a b 1 9 — H e a t o f V a p o r i z a t i o n - S t u d e n t E d i t i o n C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n s T r i a l 1 T r i a l 2 1 . M a s s o f w a t e r 2 . C a l o r i m e t e r c o n s t a n t 3 . M a s s o f s t e a m 4 . A T f o r w a t e r a n d c a l o r i m e t e r 5 . A T f o r w a t e r f r o m c o n d e n s e d s t e a m 6 . C a l o r i e s g a i n e d b y c a l o r i m e t e r 7 . C a l o r i e s g a i n e d b y w a t e r 8 . T o t a l c a l o r i e s g a i n e d 9 . C a l o r i e s l o s t b y w a t e r f o r m e d f r o m c o n d e n s e d s t e a m a s i t c o o l s f r o m T ; - s t e a m t o T E ; L 1 0 . C a l o r i e s l o s t b y s t e a m a s i t c o n d e n s e s a t 1 0 0 ° C . 1 1 . H m o f w a t e r = h e a t o f c o n d e n s a t i o n 1 2 . A c c e p t e d v a l u e f o r v a g 1 3 . A b s o l u t e e r r o r + 1 4 . % e r r o r 2 3 3 L a b 1 9 - H e a t o f V a p o r i z a t i o n — S t u d e n t E d i t i o n S a m p l e C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n s T r i a l 1 1 . M a s s o f w a t e r 2 . C a l o r i m e t e r c o n s t a n t 3 . M a s s o f s t e a m 4 . A T f o r w a t e r a n d c a l o r i m e t e r 5 . A T f o r w a t e r f r o m c o n d e n s e d s t e a m 6 . C a l o r i e s g g i n e d b y c a l o r i m e t e r 7 . C a l o r i e s g a i n e d b y w a t e r 8 . T o t a l c a l o r i e s g a i n e d 9 . C a l o r i e s l o s t b y w a t e r f o r m e d f r o m c o n d e n s e d s t e a m a s i t c o o l s f r o m T ; - s t e a m t o T a g 1 0 . C a l o r i e s l o s t b y s t e a m a s i t c o n d e n s e s a t 1 0 0 ° C . 1 1 . H m o f w a t e r = h e a t o f c o n d e n s a t i o n 1 2 . A c c e p t e d v a l u e f o r H m , 1 3 . A b s o l u t e e r r o r + 1 4 . % e r r o r 2 3 4 L a b 1 9 - H e a t o f V a p o r i z a t i o n — S t u d e n t E d i t i o n C o n c l u s i o n : 1 . W h a t h a p p e n s t o t h e t e m p e r a t u r e o f t h e w a t e r a s i t c h a n g e s f r o m l i q u i d t o v a p o r ? 2 . W h a t d o e s t h e h e a t f r o m t h e g a s b u r n e r d o t o t h e w a t e r i n t h e b o i l e r ? W h a t i s t h i s h e a t e n e r g y u s e d f o r ? 3 . W h a t h a p p e n s w h e n t h e w a t e r v a p o r f r o m t h e b o i l e r c o n d e n s e s i n t h e c a l o r i m e t e r ( 2 t h i n g s ) ? 4 . W h a t a r e t h e h e a t o f v a p o r i z a t i o n a n d t h e h e a t o f c o n d e n s a t i o n ? 5 . W h y d i d w e u s e a w a t e r t r a p ? 6 . H o w w o u l d i t s a b s e n c e a f f e c t r e s u l t s ? 2 3 5 » ! ? s g n i r r a e L a b 2 0 - M o l a r H e a t o f V a p o r i z a t i o n o f L i q u i d N i t r o g e n S t u d e n t E d i t i o n P u r p o s e : U s i n g t h e c o n s e r v a t i o n p r i n c i p l e “ h e a t l o s t e q u a l s h e a t g a i n e d ” s t u d e n t s w i l l e x p e r i m e n t a l l y d e t e r m i n e t h e h e a t o f v a p o r i z a t i o n o f l i q u i d n i t r o g e n . B a c k g r o u n d : I n t h i s i n v e s t i g a t i o n s t u d e n t s w i l l a g a i n a p p l y t h e l a w o f e n e r g y c o n s e r v a t i o n t o t h e v a p o r i z a t i o n o f l i q u i d n i t r o g e n . I n t h e i n v e s t i g a t i o n t h e e n e r g y t o v a p o r i z e t h e l i q u i d n i t r o g e n w i l l b e p r o v i d e d b y a m e a s u r e d a m o u n t o f w a t e r i n a p r e p a r e d c a l o r i m e t e r . H e a t l o s t b y t h e w a t e r i s u s e d t o v a p o r i z e t h e l i q u i d n i t r o g e n . F r o m p r e v i o u s h e a t l a b s s t u d e n t s s h o u l d b e a b l e t o w r i t e t h e e q u a t i o n s f o r h e a t l o s t b y t h e w a t e r a n d h e a t g a i n e d b y t h e l i q u i d n i t r o g e n f r o m t h e i r l a b o r a t o r y m e a s u r e m e n t s ( d a t a ) . A d d i t i o n a l l y , s t u d e n t s s h o u l d r e c o g n i z e w h i c h p r o c e s s e s a r e e n d o t h e r m i c a n d e x o t h e r m i c . W r t h r e g a r d t o s a f e t y , l i q u i d n i t r o g e n o n s k i n c o n t a c t c a n c a u s e s e r i o u s f r o s t b i t e . S t u d e n t s a r e n o t a l l o w e d t o s i t d u r i n g t h i s l a b a s t h e l i q u i d n i t r o g e n c o u l d p o o l i n h i s / h e r l a p i f i t w e r e t o s p i l l . S t u d e n t s m u s t a l w a y s w e a r t h e i r g o g g l e s a n d a p r o n s . D o n o t s t i r t h e s o l u t i o n w i t h a t h e r m o m e t e r a n d m a k e c e r t a i n t h e t h e r m o m e t e r i s r e m o v e d b e f o r e t h e l i q u i d n i t r o g e n i s a d d e d t o t h e c a l o r i m e t e r . P r e - L a b D i s c u s s i o n : ( C e r t a i n c o n c e p t s n e e d t o b e i n p l a c e f o r a s u c c e s s i n t h i s i n v e s t i g a t i o n ) 1 . . 9 9 9 9 ! “ D e fi n e t h e f o l l o w i n g t e r m s E x o t h e n n i c E n d o t h e r r n i c F i r s t l a w o f t h e r m o d y n a m i c s S p e c i fi c h e a t H e a t o f v a p o r i z a t i o n H e a t o f f u s i o n C a l c u l a t i o n o f h e a t e n e r g y ( e q u a t i o n ) W h a t i s m e a n t b y t h e s p e c i fi c h e a t o f w a t e r ? W h a t u n i t s a r e u s e d ? W h a t I s t h e v a l u e I n t e r m s o f c a l o r i e s a n d J o u l e s ? W h a t i s t h e e q u a t i o n u s e d t o c a l c u l a t e t h e h e a t e n e r g y r e l e a s e d b y w a t e r w h e n t h e l i q u i d n i t r o g e n i s a d d e d ? W h a t i s t h e n u m e r i c a l r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e h e a t e n e r g y l o s t b y t h e h o t w a t e r a n d t h e h e a t e n e r g y g a i n e d b y t h e l i q u i d n i t r o g e n ? W h a t i s m e a n t b y h e a t o f v a p o r i z a t i o n ? H o w w o u l d t h e h e a t o f v a p o r i z a t i o n b e c a l c u l a t e d i n t h i s e x p e r i m e n t ? 2 3 6 L a b 2 0 - M o l a r H e a t o f V a p o r i z a t i o n o f L i q u i d N i t r o g e n S t u d e n t E d i t i o n 1 . S t u d e n t s n e e d t o p r e p a r e t h e c a l o r i m e t e r ( u s e t h e v e r y l a r g e c u p s ) . a . F i n d t h e m a s s o f a n e s t e d p a i r o f S t y r o f o a m c u p s . b . A d d 1 0 0 m l o f 6 5 ' 0 w a t e r f r o m t h e h o t w a t e r s u p p l y t o y o u r c a l o r i m e t e r . c . F i n d t h e m a s s o f t h e c a l o r i m e t e r a n d t h e h o t w a t e r . 2 . D e t e r m i n e t h e m a s s o f a s e c o n d s e t o f S t y r o f o a m c u p s ( u s e d t o g e t l i q u i d n i t r o g e n ) . a . 8 0 m l + o f l i q u i d n i t r o g e n n e e d s t o b e a d d e d t o t h i s c u p . , b . T h e l i q u i d n i t r o g e n w i l l e v a p o r a t e a n d y o u n e e d t o s e t i t o n a b a l a n c e t h a t i s s e t t o t e l l y o u w h e n a p p r o x i m a t e l y 6 0 g o f l i q u i d n i t r o g e n r e m a i n s i n t h e c u p . 3 . S t u d e n t s n e e d t o d e t e r m i n e t h e t e m p e r a t u r e o f t h e w a t e r ( : I : . 1 ° C ) b e f o r e t h e N 2 ( L ) i s a d d e d . D o n o t p l a c e t h e r m o m e t e r i n l i q u i d w h e n a d d i n g N 2 ( L ) . a . Q u i c k l y a d d t h e N 2 ( L ) t o t h e w a t e r i n t h e c a l o r i m e t e r . b . M a k e g o o d o b s e r v a t i o n s . N 2 M w i l l b o i l — s i z z l e a n d c r e a t e a f o g a b o v e t h e c u p ( c o o l s w a t e r v a p o r i n t h e a i r ) . c . S t u d e n t s n e e d s w i r l t h e c u p s t o m e l t a n y i c e t h a t m a y h a v e f o r m e d . d . D o n o t p u t t h e t h e r m o m e t e r i n u n t i l a l l ( a , b a n d e s p e c i a l l y c ) h a v e b e e n a c c o m p l i s h e d . e . R e c o r d t h e fi n a l t e m p e r a t u r e o f t h e c u p a n d c o o l w a t e r . W h e n t h e l i q u i d n i t r o g e n b o i l s i t c a u s e s s o m e o f t h e w a t e r t o s p l a t t e r a n d t h e r e f o r e t h e fi n a l m a s s i s l e s s t h a n t h e i n i t i a l m a s s . S t u d e n t s w i l l a v e r a g e t h e t w o v a l u e s a n d t h e n u s e t h e a v e r a g e m a s s t o c a l c u l a t e t h e h e a t l o s t b y t h e w a r m w a t e r . 2 3 7 L a b 2 0 — M o l a r H e a t o f V a p o r i z a t i o n o f L i q u i d N i t r o g e n S t u d e n t E d i t i o n D a t a : D a t a - T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 1 . M a s s o f c a l o r i m e t e r 2 . M a s s o f c a l o r i m e t e r & h o t w a t e r 3 . M a s s o f 2 " d c a l o r i m e t e r 4 . M a s s o f 2 ' “ [ c a l o r i m e t e r & l i q u i d n i t r o g e n 5 . T ; - h o t w a t e r 6 . T ; — c o o l w a t e r 7 . M a s s o f c a l o r i m e t e r 8 . c o o l w a t e r . 2 3 8 L a b 2 0 - M o l a r H e a t o f V a p o r i z a t i o n o f L i q u i d N i t r o g e n S t u d e n t E d i t i o n C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n s T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 1 . M a s s o f h o t w a t e r 2 . M a s s o f c o l d w a t e r 3 . M a s s O f N 2 “ ) 4 . A v e r a g e m a s s o f h o t l & c o l d w a t e r I 5 . A T f o r h o t w a t e r 6 . H e a t e n e r g y r e l e a s e d b y h o t w a t e r 7 . T o t a l h e a t a b s o r b e d b y N 2 0 . ) 8 . H e a t e n e r g y a b s o r b e d b y N 2 ; ; _ ; / g 9 . H e a t e n e r g y a b s o r b e d b y N 2 ( L ) / m 0 1 9 1 0 . K n o w n v a l u e ( J l m o l e ) 1 1 . A b s o l u t e e r r o r 1 2 . % e r r o r 2 3 9 L a b 2 0 - M o l a r H e a t o f V a p o r i z a t i o n o f L i q u i d N i t r o g e n S t u d e n t E d i t i o n C a l c u l a t i o n s — S a m p l e C a l c u l a t i o n s ( D o e r r o r d i s c u s s i o n ) C a l c u l a t i o n s S a m p l e C a l c u l a t i o n 1 . M a s s o f h o t w a t e r 2 . M a s s o f c o l d w a t e r 3 . M a s s O f N 2 ( L ) 4 . A v e r a g e m a s s o f h o t & c o l d w a t e r 5 . A T f o r h o t w a t e r 6 . H e a t e n e r g y r e l e a s e d b y h o t w a t e r 7 . T o t a l h e a t a b s o r b e d b y N 2 ( L ) 8 . H e a t e n e r g y a b s o r b e d b y N 2 ( L ) / g 9 . H e a t e n e r g y a b s o r b e d b y N a n / 1 1 1 0 1 6 1 0 . K n o w n v a l u e ( J l m o l e ) 1 1 . A b s o l u t e e r r o r 1 2 . % e r r o r 2 4 0 L a b 2 0 - M o l a r H e a t o f V a p o r i z a t i o n o f L i q u i d N i t r o g e n S t u d e n t E d i t i o n C o n c l u s i o n : W r i t e a n a r r a t i v e a c c o u n t e x p l a i n i n g h o w y o u d i d t h e e x p e r i m e n t a n d t h e p r o c e s s e s t h a t o c c u r r e d d u r i n g t h e i n v e s t i g a t i o n . D i s c u s s i o n o f e r r o r — T h e f o l l o w i n g p r o b l e m s c o u l d o c c u r d u r i n g t h e p r o c e s s o f d o i n g t h i s i n v e s t i g a t i o n . H o w w o u l d t h e s e p r o b l e m s a f f e c t t h e v a l u e o f t h e c a l c u l a t e d h e a t o f v a p o r i z a t i o n ? 1 . W a t e r i n c a l o r i m e t e r 1 c o o l s b e f o r e t h e l i q u i d n i t r o g e n i s a d d e d . 2 . T h e l i q u i d n i t r o g e n c o n t i n u e s t o v a p o r i z e a f t e r t h e m a s s o f ( N 2 ( L , ) i s r e c o r d e d . 3 . S o m e N 2 ( L ) i s s p i l l e d p o u r i n g i t i n t o t h e w a t e r . 4 . W a t e r i s l o s t f r o m t h e c u p d u e t o s p l a t t e r i n g . 5 . M o i s t u r e c o n d e n s e s o n t h e o u t s i d e o f t h e c u p w h e n t h e fi n a l m a s s i s m e a s u r e d . 6 . H e a t i s g a i n e d b y N 2 ( L ) f r o m t h e e n v i r o n m e n t . 7 . S t u d e n t s d i d n o t m e a s u r e t h e fi n a l m a s s o f w a t e r a n d u s e d t h e i n i t i a l m a s s o f h o t w a t e r i n t h e i r c a l c u l a t i o n s . 2 4 ] L a b 2 0 - M o l a r H e a t o f V a p o r i z a t i o n o f L i q u i d N i t r o g e n S t u d e n t E d i t i o n P r e - L a b D i s c u s s i o n : 1 . D e fi n e t h e f o l l o w i n g t e r m s a . E x o t h e r m i c b . E n d o t h e r m i c c . F i r s t l a w o f t h e r m o d y n a m i c s d . S p e c i fi c h e a t e . H e a t o f v a p o r i z a t i o n f . H e a t o f f u s i o n 9 . C a l c u l a t i o n o f h e a t e n e r g y ( e q u a t i o n ) 2 . W h a t i s m e a n t b y t h e s p e c i fi c h e a t o f w a t e r ? W h a t u n i t s a r e u s e d ? W h a t i s t h e v a l u e i n t e r m s o f c a l o r i e s a n d J o u l e s ? 3 . W h a t i s t h e e q u a t i o n u s e d t o c a l c u l a t e t h e h e a t e n e r g y r e l e a s e d b y w a t e r w h e n t h e l i q u i d n i t r o g e n i s a d d e d ? 4 . W h a t i s t h e n u m e r i c a l r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e h e a t e n e r g y l o s t b y t h e h o t w a t e r a n d t h e h e a t e n e r g y g a i n e d b y t h e l i q u i d n i t r o g e n ? 5 . W h a t i s m e a n t b y h e a t o f v a p o r i z a t i o n ? 6 . H o w w o u l d t h e h e a t o f v a p o r i z a t i o n b e c a l c u l a t e d i n t h i s e x p e r i m e n t ? 2 4 2 ” . 5 . 9 - 9 . 9 L a b 2 1 - L i n e a r E x p a n s i o n o f S o l i d s — S t u d e n t E d i t i o n P u r p o s e : S t u d e n t s w i l l u s e t h e I n t r o d u c t o g y P h y § i c a l S c i e n c e , t h e r m a l e x p a n s i o n o f s o l i d s i n v e s t i g a t i o n t o i l l u s t r a t e t h e c a l c u l a t i o n o f t h e c o e f fi c i e n t o f l i n e a r e x p a n s i o n , a r e a e x p a n s i o n a n d v o l u m e e x p a n s i o n . 1 . E a c h g r o u p s h o u l d d o t h r e e t u b e s a n d t h e n p o o l t h e d a t a . 2 . Q u e s t i o n s : W h a t i s t h e e f f e c t o f s u b s t a n c e o n e x p a n s i o n ? W h a t i s t h e e f f e c t o f d i a m e t e r ? W h a t i s t h e e f f e c t o f w a l l t h i c k n e s s ? W h a t i s t h e e f f e c t o f l e n g t h ? W h a t i s t h e c o e f fi c i e n t o f l i n e a r , a r e a , a n d v o l u m e e x p a n s i o n b a s e d o n t h e c h a n g e i n l e n g t h a n d d i a m e t e r ? P r o c e d u r e : 1 . O n e e n d o f t h e t u b e i s fi x e d i n p l a c e u s i n g a C l o t h e s p i n . ( T a p e a r o u n d t h e t u b e w i l l h e l p s e c u r e i t m o r e fi r m l y i n t h e C l o t h e s p i n ) . 2 . T h e m o v i n g e n d i s d r a w n d o w n t i g h t l y o n t h e m o v i n g e n d o f t h e r o d a t t a c h e d t o a t h u m b t a c k u n d e r t h e p l y w o o d ( S e e d i a g r a m a n d p a y a t t e n t i o n t o t h e d e m o n s t r a t i o n ) 3 . T o m e a s u r e t h e c h a n g e i n t h e l e n g t h o f t h e r o d d u e t o i t s c h a n g e i n t e m p e r a t u r e , a n a m p l i f y i n g d e v i c e t o m a g n i f y t h e s m a l l c h a n g e m u s t b e u s e d . S t u d e n t s w i l l u s e a n i n d i c a t o r d i a l t a p e d t o a p i n . T h e d i a l w i l l r o t a t e a s t h e p i n r o l l s . 4 . T h e r o d i s p u l l e d d o w n s e c u r e l y o n t h e p i n ( u s i n g t h e r u b b e r b a n d ) a n d t h e p i n i s p l a c e d o n a s a n d p a p e r e d fi b e r b o a r d t h a t i n s u r e s t h a t i t r o l l s a n d d o e s n o t s l i p . ( I n t h e s e t u p t h e d i a l p o r t i o n m u s t n o t t o u c h a n y p a r t o f t h e a p p a r a t u s o r t a b l e . T h e d i a l m u s t b e f r e e t o r o t a t e a s t h e p i n t u r n s d u e t o t h e e x p a n s i o n o f t h e r o d . ) 5 . T h e r o d w i l l b e h e a t e d u s i n g s t e a m g e n e r a t e d f r o m b o i l i n g w a t e r . T h i s p r o c e s s w i l l c a u s e t h e t e m p e r a t u r e o f t h e r o d t o c h a n g e 7 0 + “ C a n d i n t h e p r o c e s s c a u s e i t t o e x p a n d i n o n e d i r e c t i o n ( t o t h e r i g h t ) . 6 . S t u d e n t s n e e d t o s e t t h e a p p a r a t u s u p s o i t m i r r o r s t h e s a m p l e s e t u p a n d t h e d i a g r a m t h a t i s p r o v i d e d . W h e n e v e r y t h i n g i s s e t u p t h e d i a l i s s e t a t 0 ° a n d t h e h e a t i n g o f w a t e r s t a r t s . S t u d e n t s w i l l m e a s u r e t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s t e a m a s i t e x i t s t h e r o d ( 9 8 ‘ C ) a n d l e t t h e r o d e x p e r i e n c e 9 8 C f o r 2 - 3 m i n u t e s ( t h i s m a k e s c e r t a i n t h e r o d i s c o m p l e t e l y e x p a n d e d ) . 2 4 3 L a b 2 1 - L i n e a r E x p a n s i o n o f S o l i d s - S t u d e n t E d i t i o n 7 . 1 0 . 1 1 . 1 2 . U s i n g a 2 5 x 2 0 0 m m t e s t t u b e a b o u t ‘ / 4 f u l l o f w a t e r a n d b o i l i n g c h i p s , s t u d e n t s c a n p r o d u c e t h e s t e a m n e e d e d a n d n o t f o r c e h o t w a t e r i n t o t h e t u b e . S t u d e n t s s h o u l d n o t e t h e w a y t h e t h e r m o m e t e r i s a t t a c h e d t o t h e e n d o f t h e t u b e t o m e a s u r e t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s t e a m . T h e s h o r t p i e c e o f r u b b e r t u b i n g s h o u l d fi t l o o s e l y a r o u n d b o t h t h e t u b e a n d t h e r m o m e t e r ( n o t i g h t fi t s - c o n s e q u e n c e i s p r e s s u r e b u i l d u p a n d p o p p i n g o f s t o p p e r i n t h e t e s t t u b e a n d p o s s i b l e s C a l d i n g b y h o t w a t e r ) . S t u d e n t s n e e d t o m e a s u r e t h e d i a m e t e r o f t h e p i n a n d t h e t u b e d i a m e t e r b e f o r e a n d a f t e r h e a t i n g . S t u d e n t s n e e d t o e x a m i n e t h e d i a g r a m p r o v i d e d w h e n t h e t u b e e x p a n d s t h e n e e d l e i s r o l l e d . I f t h e n e e d l e r o l l e d 3 6 0 ° i t h a s m o v e d 1 c i r c u m f e r e n c e w i t h r e s p e c t t o i t s s t a r t i n g p o i n t o n t h e t a b l e . H o w e v e r t h e t u b e h a s e x p a n d e d a d i s t a n c e t h a t i s e q u a l t o t w i c e t h e c i r c u m f e r e n c e . T h i s m e a n s i f t h e p i n r o t a t e s 1 8 0 ° o r ‘ / — . » a t u r n t h e r o d h a s m o v e d 1 f u l l t u r n o r T r D . I f t h e p i n r o t a t e s 3 6 0 ' o r 1 f u l l t u r n t h e r o d h a s m o v e d 2 T T D o r t w i c e t h e c i r c u m f e r e n c e . F o r 1 ° o f r o t a t i o n t h e t u b e w i l l e x p a n d 2 1 r D / 3 6 0 ' o r T r D / 1 8 0 ° . F o r x d e g r e e s o f r o t a t i o n t h e c h a n g e i n l e n g t h i s 2 ' e r x o r T r D x 3 6 0 ° 1 8 0 ° T h i s v a l u e i s e q u a l t o t h e c h a n g e i n l e n g t h d u e t o A T T o fi n d t h e c o e f fi c i e n t o f l i n e a r a r e a a n d v o l u m e e x p a n s i o n f o r e a c h r o d w e u s e t h e f o l l o w i n g f o r m u l a s : a = A L v = . A _ A B = . A _ \ ! . L A T A A T V A T W h e n A L , A A o r A V i s t h e c h a n g e i n l e n g t h , a r e a o r v o l u m e L , A , o r V i s t h e l e n g t h ( f r o m t h e c l o t h e s p i n t o t h e p i n ) , a r e a o r v o l u m e . A T i s t h e c h a n g e i n t e m p e r a t u r e o f t h e r o d 2 4 4 t — N Q P I ' O Q V G D C L a b 2 1 - L i n e a r E x p a n s i o n o f S o l i d s - 1 3 . S t u d e n t E d i t i o n W e w i l l d o a s p e c i a l c a s e w h e r e w e m e a s u r e t h e e x p a n s i o n a t v a r i o u s p o i n t s a l o n g t h e r o d u s i n g 3 d i a l s s i m u l t a n e o u s l y . T h i s w i l l b e d o n e a f t e r y o u h a v e c o m p l e t e d t h e m e a s u r e m e n t s a n d i n i t i a l c a l c u l a t i o n s f o r y o u r s e t o f 5 r o d s . A s a c l a s s w e w i l l c a l c u l a t e t h e e x p a n s i o n o f t h e r o d a t e a c h p o i n t , m e a s u r e t h e l e n g t h o f t h e r o d f r o m t h e c l a m p t o t h a t p o i n t , m e a s u r e T ; , T ; f o r t h e r o d a n d t h e n c a l c u l a t e a f o r e a c h p o i n t t h a t w a s e v a l u a t e d . W e c a n d o t h i s w i t h o n e o f o u r m e t a l r o d s u s e d i n t h e i n i t i a l t r i a l s a n d w i t h a g l a s s r o d 3 t i m e s t h e l e n g t h o f t h e i n i t i a l g l a s s r o d . D a t a ( M e a s u r e m e n t s a n d O b s e r v a t i o n s ) : T r i a l 1 T r i a l 2 T u b e T u b e P i n R o d W a l l I n d i c a t o r I n d i c a t o r D i a D i a L g t h T h i c k T ; T ; ' T u m T ; T ; ' T u m C u A l A l A l G l a s s C a l c u l a t i o n s ( D o n e o n E x c e l a n d t r a n s f e r r e d t o c h a r t ) : C a l c u l a t i o n ( 6 m m ( 6 m m ( 8 m m C u A l A l A l G l a s s t h i n ) t h i c k ) t h i n ) . A T f o r r o d . C i r c u m f e r e n c e o f p i n . L i n e a r e x p . A L . N e w l e g g t h . R o d ’ s i n i t i a l a r e a . R o d ’ s fi n a l a r e a . R o d ’ s A A . R o d ’ s i n i t i a l v o l u m e . R o d ’ s fi n a l v o l u m e 1 0 . R o d ' s A V 1 1 . a - I i n e a r 1 2 . y - a r e a 1 3 . B - v o l u m e 1 4 . K n o w n a 1 5 . K n o w n y 2 4 5 ) 0 # I ' U J O V G O L a b 2 1 — L i n e a r E x p a n s i o n o f S o l i d s - S t u d e n t E d i t i o n 1 6 . K n o w n p 1 7 . E r r o r i n a 1 8 . E r r o r i n y 1 9 . E r r o r i n B 2 0 . R a t i o a z y : [ 3 S a m p l e C a l c u l a t i o n C a l c u l a t i o n T r i a l 1 . A T f o r r o d N . C i r c u m f e r e n c e o f p i n . L i n e a r e x p . A L . N e w l e n g t h . R o d ’ s i n i t i a l a r e a . R o d ’ s fi n a l a r e a . R o d ’ s A A . R o d ’ s i n i t i a l v o l u m e . R o d ' s fi n a l v o l u m e 1 0 . R o d ’ s A V 1 1 . o — l i n e a r 1 2 . y - a r e a 1 3 . B - v o l u m e 1 4 . K n o w n o 1 5 . K n o w n y 1 6 . K n o w n B 2 4 6 L a b 2 1 - L i n e a r E x p a n s i o n o f S o l i d s - S t u d e n t E d i t i o n 1 7 . E r r o r i n a 1 8 . E r r o r i n y 1 9 . E r r o r i n B 2 0 . R a t i o ( 1 : y : B Q u e s t i o n s : 1 . H o w d i d t h e a p p a r a t u s a l l o w y o u t o s e e t h e t h e r m a l e x p a n s i o n ? 2 . W h a t a r e t h e f a c t o r s t h a t d e t e r m i n e t h e p r e c i s i o n o f t h e m e a s u r e m e n t s m a d e i n t h i s e x p e r i m e n t ? 3 . C a n y o u e x p l a i n i n s i m p l e t e r m s w h y t h e r o d ’ s l i n e a r e x p a n s i o n i s e q u a l t o t w i c e t h e r o t a t i o n o f t h e p i n ? 4 . H o w d i d t h e a , y , 6 c o m p a r e i n a n a p p r o x i m a t e w h o l e n u m b e r r a t i o ? 5 . C o u l d y o u a p p l y t h e r e s u l t s o f t h i s i n v e s t i g a t i o n t o a n y r e a l w o r l d a p p l i c a t i o n s ? G i v e e x a m p l e s . C o n c l u s i o n : 2 4 7 L a b 2 2 - H e a t o f C r y s t a l l i z a t i o n o f W a x S t u d e n t E d i t i o n P u r p o s e : S t u d e n t s w i l l u s e c a l o r i m e t r y t e c h n i q u e s t o fi n d t h e h e a t r e l e a s e d w h e n w a x t u r n s f r o m a l i q u i d t o a s o l i d . ( T h e h e a t o f c r y s t a l l i z a t i o n . ) B a c k g r o u n d : W h e n a l i q u i d c h a n g e s t o a s o l i d ( s o l i d i fi c a t i o n o r c r y s t a l l i z a t i o n ) t h e p r o c e s s r e l e a s e s h e a t e n e r g y . T h i s i s a n e x o t h e r m i c p r o c e s s a n d i s t h e e x a c t o p p o s i t e o f t h e m e l t i n g p r o c e s s w h e r e h e a t e n e r g y ( c a l l t h e h e a t o f f u s i o n ) i s r e l e a s e d w h e n t h e s o l i d c h a n g e s b a c k t o i t s l i q u i d f o r m . I n t h e h e a t o f f u s i o n o f i c e s t u d e n t s u s e d a k n o w n a m o u n t o f w a r m w a t e r t o m e l t a k n o w n m a s s o f i c e i n a c a l o r i m e t e r . T h e s a m e t e c h n i q u e ( c a l o r i m e t r y ) c a n b e u s e d i f t h e p r o c e s s o f c r y s t a l l i z a t i o n i s a l l o w e d t o t a k e p l a c e i n a c a l o r i m e t e r . T h e h e a t r e l e a s e d b y t h e p r o c e s s o f s o l i d i fi c a t i o n w i l l b e a b s o r b e d b y t h e w a t e r i n t h e c a l o r i m e t e r c a u s i n g t h e t e m p e r a t u r e o f t h e w a t e r t o i n c r e a s e . B y c a l c u l a t i n g t h e t o t a l h e a t r e l e a s e d b y t h e w a x s a m p l e s t u d e n t s w i l l c a l c u l a t e t h e h e a t l o s t p e r g r a m o f w a x t h a t i s t h e h e a t o f c r y s t a l l i z a t i o n . P r o c e d u r e : 1 . U s e a 4 0 0 m l b e a k e r t o b r i n g 3 0 0 m l o f w a t e r ( a d d b o i l i n g c h i p s ) t o a b o i l . W h e n t h e w a t e r b e g i n s t o b o i l c o n t r o l t h e h e a t t h e p r e v e n t b u m p i n g ( f o r m a t i o n o f l a r g e r b u b b l e s ) . 2 . N e e d a 1 0 - 1 2 g r a m s a m p l e o f w a x i n a 2 5 x 1 5 0 m m t e s t t u b e . D e t e r m i n e t h e e x a c t m a s s o f t h e w a x u s e d b e f o r e i t i s p l a c e d i n t h e t e s t t u b e . 3 . P l a c e t h e t e s t t u b e o f w a x i n t h e b o i l i n g w a t e r r o t a t i n g t h e t u b e u n t i l t h e w a x c o m p l e t e l y m e l t s . 4 . P r e p a r e a c a l o r i m e t e r b y p u t t i n g 1 0 0 m l o f c o l d w a t e r i n t o a S t y r o f o a m c a l o r i m e t e r m a d e f r o m 2 n e s t e d c u p s . 5 . U s i n g a t e s t t u b e h o l d e r r e m o v e t h e t e s t t u b e a n d w a x s a m p l e f r o m t h e b o i l i n g w a t e r . O b s e r v e t h e s a m p l e i n a l i g h t a n d l o o k f o r t h e fi r s t s i g n s o f c l o u d i n e s s . ( T h i s i s a n i n d i c a t i o n o f t h e s t a r t o f s o l i d i fi c a t i o n ) . 6 . T h e m o m e n t s o l i d i fi c a t i o n b e g i n s m e a s u r e T ; f o r t h e w a t e r i n t h e c a l o r i m e t e r a n d p l a c e t h e t e s t t u b e i n t h e c a l o r i m e t e r . 7 . R o t a t e t h e t e s t t u b e w h i l e t h e l i q u i d w a x s o l i d i fi e s a n d k e e p t r a c k o f t h e t e m p e r a t u r e o f t h e w a t e r . S t u d e n t s n e e d t o r e c o r d t h e m a x i m u m t e m p e r a t u r e ( T ; ) r e a c h e d b y t h e w a t e r . 2 4 8 L a b 2 2 - H e a t o f C r y s t a l l i z a t i o n o f W a x S t u d e n t E d i t i o n D a t a : D a t a T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 1 . M a s s o f b o a t 2 . M a s s o f b o a t & w a x 3 . M a s s o f c o k e c a n 4 . M a s s o f c a n & w a t e r ( 1 0 0 m l ) 5 . T ; f o r w a t e r 6 . T ; f o r w a t e r 7 . S p e c i fi c h e a t o f H 2 0 C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n s T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 1 . M a s s o f w a t e r 2 . A T f o r w a t e r 3 . H e a t g a i n e d b y w a t e r 4 . M a s s o f w a x 5 . H e a t o f c r y s t a l l i z a t i o n ( c a l / g o r J l g ) 6 . K n o w n v a l u e 7 . A b s o l u t e e r r o r 8 . % e r r o r 2 4 9 L a b 2 2 - H e a t o f C r y s t a l l i z a t i o n o f W a x S t u d e n t E d i t i o n C a l c u l a t i o n s - S a m p l e C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n s S a m p l e C a l c u l a t i o n 1 . M a s s o f w a t e r 2 . A T f o r w a t e r 3 . H e a t g a i n e d b y w a t e r 4 . M a s s o f w a x 5 . H e a t o f c r y s t a l l i z a t i o n ( c a l / g a r J l g ) 6 . K n o w n v a l u e 7 A b s o l u t e e r r o r 8 . % E r r o r Q u e s t i o n s : 1 . E x p l a i n w h a t i s m e a n t b y h e a t o f f u s i o n a n d h e a t o f c r y s t a l l i z a t i o n . H o w d o t h e y c o m p a r e w i t h o n e a n o t h e r ? 2 . W h a t u n i t s a r e u s e d t o e x p r e s s t h e s e t w o p r o p e r t i e s ? 3 . W h a t w o u l d h a p p e n t o t h e v a l u e i f t h e t e s t t u b e w e r e p l a c e d i n t h e c a l o r i m e t e r i m m e d i a t e l y a f t e r r e m o v a l f r o m t h e b o i l i n g w a t e r ? C o n c l u s i o n : 2 5 0 ? " 1 ’ 9 ? ‘ 9 L a b 2 3 - E n e r g y C o n t e n t o f F o o d s - S t u d e n t E d i t i o n P u r p o s e : S t u d e n t s w i l l b u r n a p o r t i o n o f f o o d a n d c a p t u r e t h e h e a t e n e r g y t h a t i s r e l e a s e d u s i n g a c o k e c a n c a l o r i m e t e r fi l l e d w i t h a k n o w n m a s s o f w a t e r . T h e a m o u n t o f h e a t e n e r g y p r o d u c e d b y b u r n i n g 1 . 0 g r a m o f a s u b s t a n c e i s k n o w n a s t h e h e a t o r c o m b u s t i o n o r t h e c a l o r i fi c v a l u e . P r o c e d u r e : . ‘ 1 . 9 ’ F i n d t h e m a s s o f t h e f o o d h o l d e r a n d t h e n a d d t h e f o o d s a m p l e . F i n d t h e m a s s o f t h e h o l d e r a n d t h e f o o d s a m p l e . F i n d t h e m a s s o f t h e e m p t y c o k e c a n a n d t h e n a d d 5 0 m l o f 6 - 8 ° C w a t e r . F i n d t h e m a s s o f t h e c a n a n d w a t e r . T h e c a n s h o u l d b e p l a c e d i n y o u r i n s u l a t i o n d e v i c e a n d t h e n a d j u s t e d s o i t i s 1 i n c h a b o v e t h e f o o d s a m p l e . A t h e r m o m e t e r n e e d s t o b e s u s p e n d e d i n t h e w a t e r s o i t d o e s n o t t o u c h t h e b o t t o m o f t h e c a n . R e c o r d t h e r o o m t e m p e r a t u r e . S t u d e n t s a g a i n n e e d t o h e a t t h e s a m p l e t o a t e m p e r a t u r e a s m u c h a b o v e r o o m t e m p e r a t u r e a s i t s t a r t e d b e l o w r o o m t e m p e r a t u r e t o c a n c e l t h e e f f e c t o f t h e r o o m . L i g h t t h e f o o d s a m p l e , p l a c e i t u n d e r t h e c a n a l l o w i n g t h e h e a t e n e r g y p r o d u c e d t o h e a t t h e w a t e r u n t i l t h e f o o d s t o p s b u r n i n g . R e c o r d T ; f o r t h e w a t e r a n d c a n . F i n d t h e m a s s o f t h e f o o d h o l d e r a n d r e m a i n i n g f o o d . R e p e a t t h e i n v e s t i g a t i o n f o r a s e c o n d f o o d s a m p l e a n d a d d n e w w a t e r . 2 5 1 L a b 2 3 - E n e r g y C o n t e n t o f F o o d s - S t u d e n t E d i t i o n D a t a ( T y p e o f f o o d ) : D a t a T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 ( F o o d ) ( F o o d ) ( F o o d ) 1 . M a s s o f f o o d h o l d e r 2 . M a s s o f f o o d h o l d e r & f o o d 3 . M a s s o f e m p t y c a n 4 . M a s s o f c a n & w a t e r ( 5 0 - 1 0 0 m l ) 5 . T ; H 2 0 6 . T m ; 7 . T ; H 2 0 C a l c u l a t i o n s C a l c u l a t i o n s T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 1 . A T f o r w a t e r 2 . M a s s o f w a t e r 3 . H e a t e n e r g y g a i n e d b y w a t e r 4 . G r a m s o f f o o d b u r n e d 5 . E n e r g y c o n t e n t o f f o o d i n c a l / g & J / g 6 . K n o w n v a l u e 7 . % e r r o r 2 5 2 L a b 2 3 - E n e r g y C o n t e n t o f F o o d s - C a l c u l a t i o n s ( S a m p l e ) C a l c u l a t i o n s T r i a l 1 1 . A T f o r w a t e r 2 . M a s s o f w a t e r 3 . H e a t e n e r g y g a i n e d b y w a t e r 4 . G r a m s o f f o o d b u r n e d 5 . E n e r g y c o n t e n t o f f o o d i n c a l / g & % q 6 . K n o w n v a l u e 7 . % e r r o r Q u e s t i o n s 1 . W h a t h a p p e n s t o t h e c a l c u l a t e d v a l u e f o r h e a t o f c o m b u s t i o n i f h e a t e s c a p e s t h e a p p a r a t u s a n d d o e s n o t h e a t t h e c a n ? 2 . H o w d i d y o u r v a l u e s c o m p a r e t o t h e k n o w n v a l u e f o r y o u r f o o d t y p e ? 3 . E x p l a i n w h a t h a p p e n e d i n t h i s e x p e r i m e n t ? C o n c l u s i o n 2 5 3 L a b 2 4 - H e a t o f C o m b u s t i o n o f C a n d l e W a x — S t u d e n t E d i t i o n _ P u r p o s e : T h i s i n v e s t i g a t i o n d e a l s w i t h t h e h e a t t r a n s f e r f r o m t h e c o m b u s t i o n o f a b u r n i n g c a n d l e t o a c o k e c a n ( c a l o r i m e t e r ) fi l l e d w i t h a m e a s u r e d a m o u n t o f w a t e r . T h e h e a t l o s s w i t h i n t h e s y s t e m i s d u e t o t h e p h y s i c a l a n d c h e m i c a l c h a n g e s t h a t o c c u r a s a r e s u l t o f e n e r g y t r a n s f o r m a t i o n s . B a c k g r o u n d : S t u d e n t s w e r e e x p o s e d t o h e a t t r a n s f e r d u r i n g t h e d e m o n s t r a t i o n s o n c o n d u c t i o n , c o n v e c t i o n a n d r a d i a t i o n . A d d i t i o n a l e x p e r i m e n t s w e r e d o n e t o m e a s u r e t h e h e a t r e l e a s e d a n d t r a n s f e r r e d w h e n w a t e r v a p o r c o n d e n s e s o r w h e n i c e f r e e z e s . I n t h u n d e r s t o r m s w h e n w a t e r v a p o r c o n d e n s e s t h e h e a t o f c o n d e n s a t i o n i s r e l e a s e d a n d t h i s e n e r g y p o w e r s t h e w e a t h e r c e l l . A d d i t i o n a l l y t h e e a r t h a b s o r b s s o l a r r a d i a t i o n a n d r e - r e l e a s e s i t t o t h e a t m o s p h e r e ( g r e e n h o u s e e f f e c t - s h o r t w a v e U V i s c h a n g e d t o l o n g e r w a v e I R ) . F i n a l l y , i n b i o l o g i c a l s y s t e m s f o o d s t o r i n g t h e e n e r g y o f p h o t o s y n t h e s i s i s b u m e d t o p r o v i d e e n e r g y f o r t h e o r g a n i s m s t o u s e . S t u d e n t s w i l l n e e d t o b e a b l e t o d e s i g n a n i n s u l a t e d s y s t e m t h a t m i n i m i z e s h e a t l o s t t o o r g a i n e d f r o m t h e e n v i r o n m e n t . I n t h i s i n v e s t i g a t i o n h e a t e n e r g y f r o m a b u r n i n g c a n d l e i s d i r e c t e d t o w a r d a c o k e c a n t h a t c o n t a i n s 1 5 0 m l o f w a t e r . T h e e l e v a t i o n i n w a t e r t e m p e r a t u r e a s t h e c a n d l e b u m s p r o v i d e s e v i d e n c e t h a t h e a t e n e r g y i s b e i n g t r a n s f e r r e d . S t u d e n t s s h o u l d b e a b l e t o s e e t h e p r i n c i p l e o f h e a t e x c h a n g e i n t h i s d e m o n s t r a t i o n ( h e a t l o s t = h e a t g a i n e d ) . S t u d e n t s w i l l b e e x p e c t e d t o d e s i g n a p r o c e d u r e w i t h e q u i p m e n t n e c e s s a r y t o p r e v e n t h e a t l o s s o r g a i n f r o m t h e e n v i r o n m e n t . F r o m m e a s u r e m e n t s s t u d e n t s s h o u l d b e a b l e t o c a l c u l a t e t h e h e a t o f c o m b u s t i o n o f c a n d l e w a x . S t u d e n t s w i l l p r o v i d e a d i a g r a m a n d e x p l a n a t i o n o f t h e i r e x p e r i m e n t a l t e c h n i q u e t h a t w i l l e l i m i n a t e h e a t l o s s o r g a i n f r o m t h e e n v i r o n m e n t . ( S i m p l e i n s u l a t i o n m a y n o t b e e n o u g h — s t u d e n t s n e e d t o u s e a l l t h e i r k n o w l e d g e . ) 2 5 4 L a b 2 4 - H e a t o f C o m b u s t i o n o f C a n d l e W a x - S t u d e n t E d i t i o n — P r o c e d u r e : 1 . F i n d t h e m a s s o f t h e c a n d l e a n d b a s e . 2 . F i n d t h e m a s s o f t h e e m p t y c a n . 3 . M a s s o f t h e c a n + 1 5 0 m l o f w a t e r . 4 . R e c o r d t h e i n i t i a l t e m p e r a t u r e o f t h e r o o m . 5 . A p p l y y o u r d e s i g n a n d r e m e m b e r t h a t o x y g e n m u s t g e t t o t h e fl a m e . 6 . R e c o r d t h e i n i t i a l t e m p e r a t u r e o f t h e w a t e r i n t h e c a n ( s h o u l d b e 6 - 8 ° C ) 7 . H e a t t h e w a t e r t o a t e m p e r a t u r e a s m u c h a b o v e r o o m t e m p e r a t u r e a s i t w a s b e l o w r o o m t e m p e r a t u r e . S t i r t h e w a t e r i n t h e c a n a s i t i s h e a t e d . 8 . E x t i n g u i s h t h e fl a m e g e n t l y - R e c o r d T ; f o r t h e w a t e r . ( T e m p e r a t u r e w i l l c o n t i n u e t o r i s e a f t e r t h e fl a m e i s o u t . ) 9 . C a l c u l a t e A T . 1 0 . F i n d t h e m a s s o f t h e c a n d l e a n d b a s e a f t e r t h e fl a m e i s e x t i n g u i s h e d . T h e c h a n g e i n m a s s o f t h e c a n d l e i s n e e d e d t o d e t e r m i n e t h e a m o u n t o f w a x t h a t b u r n s . D a t a D a t a T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 1 . M a s s o f c a n d l e & b a s e ; 2 . M a s s o f c a n d l e & b a s e ; 3 . M a s s o f c a n 4 . M a s s o f c a n 8 ; w a t e r 5 . R o o m t e m p e r a t u r e ( f o r r e f ) 6 . I n i t i a l w a t e r t e m p e r a t u r e T ; 7 . F i n a l w a t e r t e m p e r a t u r e T ; 2 5 5 L a b 2 4 - H e a t o f C o m b u s t i o n o f C a n d l e W a x - S t u d e n t E d i t i o n C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n s T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 1 . M a s s o f w a t e r 2 . A T f o r w a t e r 3 . S p e c i fi c h e a t f o r w a t e r 4 . H e a t t r a n s f e r r e d t o w a t e r 5 . M a s s o f w a x t h a t b u r n e d 6 . H e a t o f c o m b u s t i o n f o r w a x 7 . A b s o l u t e e r r o r ( k n o w n v a l u e 4 2 1 J l g ) 8 . % e r r o r 2 5 6 L a b 2 4 - H e a t o f C o m b u s t i o n o f C a n d l e W a x — S t u d e n t E d i t i o n C a l c u l a t i o n s ( S a m p l e C a l c u l a t i o n s ) : C a l c u l a t i o n s S a m p l e C a l c u l a t i o n s 1 . M a s s o f w a t e r 2 . A T f o r w a t e r 3 . S p e c i fi c h e a t f o r w a t e r 4 . H e a t t r a n s f e r r e d t o w a t e r 5 . M a s s o f w a x t h a t b u r n e d 6 . H e a t o f c o m b u s t i o n f o r w a x 7 . A b s o l u t e e r r o r ( k n o w n v a l u e 4 2 1 . L / q ) 8 . % e r r o r C o n c l u s i o n : 2 5 7 ‘ . N P 5 : “ 9 ’ 9 N ° 9 9 L a b 2 5 - C o m p a r i s o n o f t h e E n e r g y C o n t e n t o f F u e l s — S t u d e n t E d i t i o n P u r p o s e : T h i s i s a n o t h e r a p p r o a c h t o t h e h e a t o f c o m b u s t i o n o r t h e c a l o r i fi c c o n t e n t o f a s u b s t a n c e . S t u d e n t s h a v e a n a l y z e d c a n d l e w a x a n d a v a r i e t y o f f o o d s a m p l e s . I n t h i s i n v e s t i g a t i o n s t u d e n t s c a n u s e t h e c o k e c a n c a l o r i m e t e r t o m e a s u r e t h e h e a t e n e r g y r e l e a s e d w h e n v a r i o u s t y p e s o f f u e l a r e b u r n e d . ( T h e s e s u b s t a n c e s w i l l b u r n t o r e l e a s e r e l a t i v e l y l a r g e a m o u n t s o f h e a t e n e r g y . ) B a c k g r o u n d : B u r n i n g f u e l i s a c o m b u s t i o n r e a c t i o n b e t w e e n t h e f u e l a n d o x y g e n . O u r f u e l s a r e h y d r o c a r b o n s t h a t w i l l b u r n t o r e l e a s e c a r b o n d i o x i d e , w a t e r a n d h e a t e n e r g y . T h e r e a c t i o n i s e x o t h e r m i c a n d t h e h e a t e n e r g y r e l e a s e d w i l l b e c a p t u r e d b y t h e i n s u l a t e d c o k e c a n c a l o r i m e t e r . I n t h i s e x p e r i m e n t s t u d e n t s w i l l b u r n a v a i l a b l e a l c o h o l s a n d k e r o s e n e . T h e a l c o h o l s a r e p a r t i a l l y o x i d i z e d b e c a u s e t h e y a l r e a d y c o n t a i n o x y g e n w h i l e k e r o s e n e ( C 1 0 H 2 2 ) i s n o t . T h e h e a t a b s o r b e d b y t h e w a t e r i s e q u a l t o t h e e n e r g y r e l e a s e d b y h a v i n g a k n o w n a m o u n t o f f u e l . S t u d e n t s c a n t h e n c a l c u l a t e t h e e n e r g y r e l e a s e d p e r g r a m o f f u e l b u r n e d i n c a l / g o r J l g . T h i s i s t h e h e a t o f c o m b u s t i o n o r t h e c a l o r i fi c v a l u e o f t h e f u e l . P r o c e d u r e : . 3 4 . ; 1 9 . - ‘ 9 F i n d t h e m a s s o f t h e c a n . A d d 1 0 0 m l o f w a t e r t o t h e c a n ( 6 8 ' C ) . F i n d t h e m a s s o f t h e c a n a n d w a t e r t o a l l o w d e t e r m i n a t i o n o f t h e m a s s o f w a t e r I n t h e c a n . P l a c e t h e c a l o r i m e t e r ( c a n a n d w a t e r ) i n t h e a p p a r a t u s a n d s e t u p t h e i n i t i a l t r i a l . M e a s u r e T ; o f t h e w a t e r ( n e a r e s t . 1 ° C ) . F i n d t h e m a s s o f t h e f u e l b u r n e r ( w i t h f u e l ) t o t h e n e a r e s t 0 . 1 g o r m o r e a c c u r a t e i f p o s s i b l e . P l a c e t h e f u e l b u r n e r u n d e r t h e c a n s o t h e w i c k i s 2 - 3 c m f r o m t h e b o t t o m o f t h e c a n a n d l i g h t t h e b u r n e r . M a k e c e r t a i n t h e fl a m e i s j u s t b e l o w t h e b o t t o m o f t h e c a n . H e a t t h e c a n u n t i l t h e t e m p e r a t u r e o f t h e w a t e r i s a s m u c h a b o v e r o o m t e m p e r a t u r e a s i t w a s b e l o w a t t h e b e g i n n i n g . B l o w o u t t h e fl a m e , s t i r t h e w a t e r u n t i l t h e t e m p e r a t u r e s t o p s r i s i n g a n d r e c o r d T 1 . R e m a s s t h e b u r n e r t o a l l o w d e t e r m i n a t i o n o f t h e m a s s o f f u e l t h a t b u r n e d . R e p e a t t h e e x p e r i m e n t w i t h o t h e r f u e l s i f t i m e p e r m i t s . 2 5 8 L a b 2 5 - C o m p a r i s o n o f t h e E n e r g y C o n t e n t o f F u e l s — S t u d e n t E d i t i o n D a t a : D a t a F u e l 1 F u e l 2 F u e l 3 1 . M a s s o f p o p c a n 2 . M a s s o f p o p c a n & w a t e r 3 . R o o m t e m p ( f o r r e f e r e n c e ) 4 . T ; - i n i t i a l t e m p H 2 0 5 . T ; — fi n a l t e m p H 2 0 6 . M a s s o f b u r n e r m i ) 7 . M a s s o f b u r n e r ( M a ) 2 5 9 L a b 2 5 - C o m p a r i s o n o f t h e E n e r g y C o n t e n t o f F u e l s - S t u d e n t E d i t i o n C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n s F u e l 1 F u e l 2 F u e l 3 1 . M a s s o f w a t e r h e a t e d 2 . A T f o r w a t e r 3 . H e a t g a i n e d b y w a t e r 4 . M a s s o f f u e l b u r n e d 5 . C a l c u l a t i o n f o r h e a t o f c o m b u s t i o n 6 . K n o w n h e a t o f c o m b u s t i o n 7 . A b s o l u t e e r r o r 8 . % e r r o r 9 . C l a s s a v e r a g e f o r e a c h f u e l 1 0 . A b s o l u t e e r r o r ( c l a s s ) 1 1 . % e r r o r ( c l a s s ) 2 6 0 N O C L a b 2 5 - C o m p a r i s o n o f t h e E n e r g y C o n t e n t o f F u e l s - S t u d e n t E d i t i o n C a l c u l a t i o n s ( S a m p l e C a l c u l a t i o n ) : C a l c u l a t i o n s S a m p l e C a l c u l a t i o n 1 . M a s s o f w a t e r h e a t e d . A T f o r w a t e r . H e a t g a i n e d b y w a t e r ( e q u a l s h e a t l o s t b u r n i n g f u e l ) 4 . M a s s o f f u e l b u r n e d 5 . H e a t o f c o m b u s t i o n 6 . K n o w n h e a t o f c o m b u s t i o n 7 . A b s o l u t e e r r o r 8 . % e r r o r 9 . C l a s s a v e r a g e f o r e a c h f u e l 1 0 . A b s o l u t e e r r o r ( c l a s s ) 1 1 . % e r r o r g l a s s ) 2 6 1 L a b 2 S t u d C o n c L a b 2 5 - C o m p a r i s o n o f t h e E n e r g y C o n t e n t o f F u e l s - S t u d e n t E d i t i o n C o n c l u s i o n : 1 . U s e ° / o c o m p o s i t i o n t o d e t e r m i n e t h e % o f o x y g e n i n e a c h f u e l . H o w i s t h i s p e r c e n t a g e r e l a t e d t o t h e h e a t o f c o m b u s t i o n ? 2 . C o m p a r e t h e h e a t l i b e r a t e d i n t h e c a n d l e w a x e x p e r i m e n t t o t h e h e a t e n e r g y f r o m r u b b i n g a l c o h o l . 3 . H o w d o y o u r r e s u l t s c o m p a r e w i t h t h e a c c e p t e d v a l u e f o r e a c h o f t h e f u e l s ? W h a t a r e t h e s o u r c e s o f e r r o r i n t h i s e x p e r i m e n t ? ( S e e i f y o u c a n s p o t 5 . ) 4 . L i s t t h e e r r o r s i n o r d e r f r o m l a r g e s t e f f e c t t o s m a l l e s t a n d i n d i c a t e h o w t h e e r r o r w o u l d a f f e c t t h e c a l c u l a t e d v a l u e f o r h e a t o f c o m b u s t i o n . E r r o r E f f e c t 2 6 2 A P P E N D I X E 2 6 3 N ’ P P Q @ L a b 1 - H e a t E x c h a n g e : H o t B r i c k P l a c e d i n C o o l W a t e r - T e a c h e r ’ s E d i t i o n P u r p o s e : P a r t I ( Q u a l i t a t i v e ) 1 . 2 . 3 . 4 . M a k e q u a l i t a t i v e o b s e r v a t i o n s o f a s y s t e m t h a t u n d e r g o e s h e a t e x c h a n g e . P l a c e a h o t b r i c k i n S t y r o f o a m c o o l e r c o n t a i n i n g c o l d w a t e r . O b s e r v a t i o n s a r e q u a l i t a t i v e ( w h a t y o u s e e , h e a r , f e e l , s m e l l o r t a s t e ) . I f y o u t r y t o e x p l a i n t h e p r o c e s s y o u a r e i n t e r p r e t i n g a n d a r e n o t m a k i n g o b s e r v a t i o n s . W r i t e a t y p e 1 r e s p o n s e t h a t i n c l u d e s y o u r o b s e r v a t i o n s . P a r t I I ( Q u a n t i t a t i v e ) 1 . E q u i p m e n t : P ' P P ’ N . ‘ H a v e a c l a s s d i s c u s s i o n t h a t a d d r e s s e s q u a n t i t i e s t h a t c o u l d b e p h y s i c a l l y m e a s u r e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n . D e c i d e w i t h l a b p a r t n e r w h a t m e a s u r e m e n t s w i l l b e m a d e . ( R e p e a t t h e i n v e s t i g a t i o n a n d m a k e t h e m e a s u r e m e n t s t h a t i n t e r e s t y o u . ) C a n y o u u s e t h e s e m e a s u r e m e n t s t o m a k e a n y c a l c u l a t i o n s ? I f y o u c a n c a l c u l a t e s o m e t h i n g , e x p l a i n y o u r r e a s o n i n g . W h e n t h e c l a s s d i s c u s s e s e v e r y o n e ’ s w o r k , m a k e a r e c o r d o f s o m e t h i n g s y o u m a y w a n t t o t r y y o u r s e l f . D o a t h i r d t r i a l i f n e c e s s a r y a n d d o a n y a d d i t i o n a l m e a s u r i n g n e e d e d . U s e t h e s e m e a s u r e m e n t s t o w r i t e a s e c o n d t y p e 1 r e s p o n s e . S t y r o f o a m c o o l e r 6 . B a l a n c e W a t e r 7 . G r a d u a t e d c y l i n d e r l a r g e r ) B r i c k 8 . S m a l l e r b r i c k s a m p l e s O v e n 9 . S t y r o f o a m c a l o r i m e t e r ( 2 c u p s ) T h e r m o m e t e r 1 0 . R u l e r P l a c e w a r m b r i c k i n c o o l w a t e r ( b r i c k p i e c e a n d S t y r o f o a m c u p s ) . U s i n g o n l y q u a l i t a t i v e t e c h n i q u e s ( s e e , h e a r , f e e l , s m e l l a n d t a s t e ) d e s c r i b e w h a t i s h a p p e n i n g i n t h i s s y s t e m . W r i t e a t y p e 1 r e s p o n s e t h a t i s a s u m m a r y o f y o u r o b s e r v a t i o n s . H a v e a c l a s s d i s c u s s i o n t h a t a d d r e s s e s w h a t c o u l d b e p h y s i c a l l y m e a s u r e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n ( m a k e a l i s t ) . D e c i d e w i t h y o u r l a b p a r t n e r w h i c h m e a s u r e m e n t s y o u w i l l m a k e . R e p e a t t h e i n v e s t i g a t i o n a n d m a k e t h e m e a s u r e m e n t s t h a t i n t e r e s t y o u . U s e t h e s e m e a s u r e m e n t s t o w r i t e a t y p e 1 s u m m a r y o f c h a n g e s t h a t o c c u r r e d d u r i n g t h e c o u r s e o f t h i s i n v e s t i g a t i o n . 2 6 4 L a b 1 - H e a t E x c h a n g e : H o t B r i c k P l a c e d i n C o o l W a t e r — T e a c h e r ’ s E d i t i o n — 7 . S h a r e y o u r w o r k w i t h o t h e r l a b g r o u p s a n d s e e i f t h e r e a r e s o m e t h i n g s y o u w o u l d l i k e t o i n c l u d e i n y o u r l a b t h a t y o u m a y n o t h a v e a c c o m p l i s h e d . 8 . D o a t h i r d t r i a l ( i f n e e d e d ) t o m a k e a n y a d d i t i o n a l m e a s u r e m e n t s y o u t h i n k n e e d t o b e a c c o m p l i s h e d . 9 . C a n y o u u s e t h e s e m e a s u r e m e n t s t o c a l c u l a t e a n y t h i n g ? M e a s u r e m e n t s C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n s 1 . 2 . L 3 - 4 - C o n c l u s i o n ( S u m m a r y ) : T y p e 1 S u m m a r y - i n i t i a l e x p e r i m e n t T y p e 2 S u m m a r y — b a s e d o n y o u r m e a s u r e m e n t s 2 6 5 J ‘ ! 9 ' 9 5 1 ‘ 9 L a b 1 - H e a t E x c h a n g e : H o t B r i c k P l a c e d i n C o o l W a t e r - T e a c h e r ’ s E d i t i o n ( T e a c h e r s — g i v e t h e s t u d e n t s a t y p e 2 w r i t i n g a s s i g n m e n t a s a n a s s e s s m e n t t o o l f o r s t u d e n t r e fl e c t i o n o n t h i s a c t i v i t y . ) A T e a c h e r T i p s : T e a c h e r s n e e d a S t y r o f o a m c o o l e r a n d a l a r g e b r i c k f o r t h e d e m o n s t r a t i o n . S t u d e n t s n e e d s m a l l p i e c e s o f b r i c k a n d l a r g e S t y r o f o a m c u p s f o r t h e i r i n v e s t i g a t i o n H e a t t h e b r i c k s i n a d r y i n g o v e n a n d h a n d l e w i t h t o n g s o r h o t p a d s . P r o v i d e r u l e r s , b a l a n c e s , t h e r m o m e t e r s a n d g r a d u a t e d c y l i n d e r s f o r p a r t I I . T e a c h e r s n e e d t o r e v i e w t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t y p e 1 a n d t y p e 2 w r i t i n g s t y l e s . T h e s e a r e s u m m a r i z e d i n t h e l a b . 2 6 6 L a b 1 — H e a t E x c h a n g e : H o t B r i c k P l a c e d i n C o o l W a t e r — T e a c h e r ’ s E d i t i o n T h e f o l l o w i n g i n f o r m a t i o n w a s g l e a n e d f r o m t h e J o h n J . C o l l i n s , E d . D . E d u c a t i o n A s s o c i a t e s p u b l i c a t i o n D e v e l o p i n g W r i t i n g a n d T h i n k i n g S k i l l s A c r o s s t h e C u r r i c u l u m : A P r a c t i c a l P r o g r a m f o r S c h o o l s . T y p e 1 W r i t i n g : S t u d e n t s a r e e n c o u r a g e d t o g e t t h e i r i d e a s o n p a p e r ( b r a i n s t o r m i n g ) . T h i s i s t h e i d e a g e n e r a t i n g , r e c o l l e c t i n g , d a t a g a t h e r i n g , e x p l o r i n g o r q u e s t i o n i n g p h a s e o f t h e w r i t i n g a n d t h i n k i n g p r o c e s s . 1 . C o m p l e t e d i n 7 - 1 0 m i n u t e s . 2 . D o n e i n d i v i d u a l l y ( m a y b e w i t h n o c l a s s d i s c u s s i o n ) . 3 . S t u d e n t s g e t t i m e t o t h i n k a b o u t a t o p i c ( c a n q u i e t t h e r o o m ) . 4 . G i v e s i n s i g h t a b o u t h o w m u c h e a c h s t u d e n t k n o w s a b o u t t h e t o p i c . C a n r e p l a c e o r p r e c e d e c l a s s r o o m d i s c u s s i o n . C a n b e u s e d a t t h e b e g i n n i n g o f a u n i t ( w h a t d o y o u k n o w a b o u t t h i s t o p i c ? ) S o m e t i m e s t e a c h e r s c a n h a v e a f e w s t u d e n t s r e a d t h e i r p a p e r s a n d a l l o w t h e c l a s s t o o r g a n i z e t h e i d e a s ( 3 c o l u m n s ) 1 . F a c t s 2 . Q u e s t i o n s 3 . M i s c e l l a n e o u s T h i s a c t i v i t y m a k e s s t u d e n t s a c t i v e l i s t e n e r s , a s t h e y n e e d t o c a t e g o r i z e a n d e v a l u a t e i d e a s a s t h e y a r e r e a d ( s t u d e n t s t a l k , l i s t e n a n d t h i n k a b o u t t h e t o p i c u n d e r i n v e s t i g a t i o n ) . F o r m a t 1 . O n l y o n e d r a f t . 2 . U s e t h e s h e e t p r o v i d e d ( n a m e s o n r i g h t a n d t y p e 1 o n l e f t ) 3 . S t u d e n t s n e e d t o r e m e m b e r t o s k i p l i n e s . G r a d i n g 1 . S e e i f t h e a m o u n t o f w r i t i n g w a s g e n e r a t e d . 2 . R e a d i n g i s o p t i o n a l ( c r e a t e a t m o s p h e r e o f n o r i s k ) . 3 . O b j e c t i v e i s t o h e l p s t u d e n t s d i s c o v e r w h a t t h e y k n o w . 4 . G r a d e i s u s u a l l y a \ l . . 0 9 9 1 2 6 7 L a b 1 - H e a t E x c h a n g e : H o t B r i c k P l a c e d i n C o o l W a t e r — T e a c h e r ’ s E d i t i o n T y p e 2 W r i t i n g : T y p e 2 w r i t i n g s h o w s t h a t t h e w r i t e r k n o w s s o m e t h i n g a b o u t t h e t o p i c o r h a s t h o u g h t a b o u t t h e t o p i c ; i t i s b e s t u s e d a s a q u i z . I t i s t h e c o r r e c t a n s w e r t o a t e a c h e r ’ s p r o m p t . 1 . E v a l u a t i o n c r i t e r i a ; t h e c o n t e n t m u s t b e c o r r e c t ( a s k f o r d e fi n i t i o n s , f a c t s , e x p l a n a t i o n s , o r o p i n i o n s s u p p o r t e d w i t h d e t a i l s ) . 2 . S p e l l i n g , p u n c t u a t i o n a n d c a p i t a l i z a t i o n d o n o t c o u n t . a . I f w r i t i n g i s r e a l l y p o o r , g o o d i d e a s m a y b e l o s t . b . E v a l u a t e t h e c o n t e n t , n o t t h e w a y t h e c o n t e n t i s e x p r e s s e d . 3 . K e y s f o r s u c c e s s f u l t y p e 2 w r i t i n g . a . P r o m p t o r q u e s t i o n i s c l e a r a n d h a s a d e fi n i t e a n s w e r . b . S t u d e n t s m a k e t h e i r o w n m e a n i n g b y t r a n s l a t i n g c o n c e p t s i n t o t h e i r o w n w o r d s . c . V a g u e q u e s t i o n g e t s a v a g u e a n s w e r a n d i s h a r d t o e v a l u a t e . F o r m a t f o r t y p e 2 1 . B e c a u s e i t s p r i m a r y u s e i s t o q u i z s t u d e n t s , t y p e 2 f r e q u e n t l y t a k e s t h e f o r m o f a n e s s a y , l i s t o r d e fi n i t i o n . a . S t u d e n t s s h o u l d b e e n c o u r a g e d t o w r i t e w h a t t h e y k n o w , o r h o w t h e y f e e l i n r e s p o n s e t o a p r o m p t . b . S t u d e n t s s h o u l d b e d i s c o u r a g e d f r o m a d d i n g l i n e s o r p a g e s t o p a d a n s w e r s . G o o d a n s w e r s o r i d e a s c a n b e o b s c u r e d i n t h e f o g o f t h e i r o w n w o r d s . C . A s s t u d e n t s e x p e r i e n c e t y p e 2 w r i t i n g , t h e y w i l l I e a m t h e d i s t i n c t i o n b e t w e e n p a d d i n g a r e s p o n s e a n d u s i n g w r i t i n g a s a t o o l t o d e v e l o p a n d e l a b o r a t e o n i d e a s . A u d i e n c e — T h e t e a c h e r h a s h i g h e x p e c t a t i o n s a b o u t t h e c o n t e n t o f t h e w r i t i n g b u t n o t a b o u t h o w s k i l l f u l l y o r p e r f e c t l y t h e c o n t e n t i s e x p r e s s e d . E v a l u a t i o n 2 6 8 6 . 0 . 9 L a b 1 - H e a t E x c h a n g e : H o t B r i c k P l a c e d i n C o o l W a t e r — T e a c h e r ’ s E d i t i o n — 1 . B e s t f o r a q u e s t i o n t h a t r e q u i r e s a l i m i t e d , s p e c i fi c a n d p r e d i c t a b l e r e s p o n s e . 2 . Q u e s t i o n s o r p r o m p t s w i t h a n u m b e r i n t h e m a r e g o o d f o r t y p e 2 . a . L i s t 3 p o s s i b l e c a u s e s . b . D e fi n e 3 o f t h e t e r m s o n o v e r h e a d . c . E x p l a i n t h e t w o m a i n p o i n t s . 3 . K e e p e v a l u a t i o n a s s i m p l e a s p o s s i b l e . a . T e a c h e r c a n s k i m p a p e r t o fi n d c o r r e c t r e s p o n s e . U s e p a s s / f a i l . W a k e u p c a l l f o r s t u d e n t s . T e a c h e r c h o i c e - n e e d t o b e s i m p l e , q u i c k a n d r e q u i r e t e a c h e r t o s k i m w r i t t e n w o r k t o g e t c o r r e c t r e s p o n s e 4 . T y p e 2 i s q u i z w r i t i n g a n d i s n o t u s e d f o r a m a j o r t e s t . a . C a n b e p a r t o f a r e p o r t c a r d g r a d e . b . C a n b e u s e d f o r t h e e f f o r t g r a d e . 5 . A s t h e f r e q u e n c y o f t y p e 2 i n c r e a s e s , t h e n u m b e r o f p a p e r s t h a t n e e d t o b e e v a l u a t e d d e c r e a s e s . a . . M a y a s s i g n 2 0 w r i t i n g s a n d c o l l e c t o n l y 1 0 . b . S t u d e n t s n e e d t o b e e n g a g e d , n e v e r k n o w i n g i f a n a s s i g n m e n t w i l l b e c o l l e c t e d . T e a c h e r s - y o u n e e d t o g e t a c o p y o f D e v e l o p i n g W r i t i n g a n d T h i n k i n g S k i l l s A c r o s s t h e C u r r i c u l u m . T h e d i s t r i b u t o r i s t h e N E T W O R K , I n c a t 1 3 6 F e n n o D e r i v e , R o w l e y , M a s s a c h u s e t t s 0 1 9 6 9 , 1 - 8 0 0 - 8 7 7 - 5 4 0 0 . T h i s b o o k l e t w i l l a d d r e s s t h e 5 t y p e s o f w r i t i n g v e r s u s t y p e 1 a n d t y p e 2 t h a t w e h a v e u s e d i n t h i s a s s i g n m e n t . 2 6 9 L a b 1 — H e a t E x c h a n g e : H o t B r i c k P l a c e d i n C o o l W a t e r — T e a c h e r ’ s E d i t i o n — T y p e N a m e X T e m p e r a t u r e o f t h e b r i c k d e c r e a s e s . X B r i c k l o s e s h e a t ( b r i c k b e c o m e s c o o l e r ) l o s e s h e a t t o t h e w a t e r . X W a t e r t e m p e r a t u r e r i s e s . X W a t e r g a i n s h e a t ( f r o m t h e b r i c k ) . X B r i c k a n d w a t e r e v e n t u a l l y r e a c h t h e s a m e t e m p e r a t u r e . ( E q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e ) X S o m e s t u d e n t s w i l l h a v e a d d i t i o n a l r e s p o n s e s . M e a s u r e m e n t s - ( s t u d e n t s m a y o r m a y n o t c h o s e t o m a k e t h e f o l l o w i n g m e a s u r e m e n t s ) . D o n o t t e l l t h e m w h a t t o m e a s u r e . L e t t h e m m a k e t h e i r o w n c h o i c e s . 1 . M a s s o f b r i c k X 2 . M a s s o f c u p 3 . M a s s o f c u p a n d w a t e r . X 4 . V o l u m e o f w a t e r . 5 . C u p r a d i u s o r d i a m e t e r . X 6 . O v e n t e m p e r a t u r e . 7 . W a t e r t e m p e r a t u r e X 8 . W a t e r t e m p e r a t u r e a f t e r m i x i n g X C a l c u l a t i o n s - ? s o m e m a y d o s o m e r e s e a r c h . 2 7 0 " ? 9 1 ° 9 9 L a b 2 - H e a t L o s s ( M e a s u r i n g t h e R a t e o f C o o l i n g ) - T e a c h e r ’ s E d i t i o n P u r p o s e : T o m e a s u r e t h e i n s u l a t i n g v a l u e o f s e v e r a l m a t e r i a l s b y m e a s u r i n g t h e r a t e a t w h i c h t e m p e r a t u r e d e c r e a s e s a s h e a t i s l o s t . E q u i p m e n t : P r o c e d u r e : 1 . 2 . G r a d u a t e d c y l i n d e r s - 2 5 0 m l T h e r m o m e t e r T i m e r o r s t o p w a t c h S e v e r a l c u p s P a p e r C e r a m i c G l a s s M e t a l ( t i n , a l u m i n u m , s t e e l ) P l a s t i c S t y r o f o a m 5 9 9 9 9 ? S t u d e n t s w i l l w o r k i n g r o u p s o f f o u r ( e a c h s t u d e n t w i l l a n a l y z e t h e c o o l i n g o f a d i f f e r e n t c u p . S t u d e n t s m a y n e e d t o c h e c k t h e a c c u r a c y o f t h e i r t h e r m o m e t e r s b y p l a c i n g t h e m i n c o n s t a n t t e m p e r a t u r e w a t e r b a t h s . a . I c e w a t e r b a t h a t 0 ° C . b . B o i l w a t e r a t T e m p 9 9 - 1 0 0 ° C P l a c e t h e s a m e a m o u n t o f w a t e r ( 2 0 0 m l ) i n t o e a c h o f s e v e r a l d i f f e r e n t k i n d s o f c u p s ( 7 0 - 8 0 ° C h e a t e d w a t e r ) ( s t u d e n t s n e e d a h o t p a d ) R e a d t h e t e m p e r a t u r e o f t h e w a t e r a f t e r i t e q u a l i z e s . R e a d t h e t e m p e r a t u r e o f t h e w a t e r i n t h e c u p e v e r y 3 0 s e c o n d s f o r 1 2 - 1 5 m i n u t e s . ( M a k e c e r t a i n c u p s a r e s p r e a d a p a r t s o a l l c o o l a t a b o u t t h e s a m e r a t e ) . R e c o r d t e m p e r a t u r e v e r s u s t i m e a n d g r a p h t h e r e s u l t s . D r a w a l i n e o f b e s t fi t ( b e s t s t r a i g h t l i n e ) . a . F i n d t h e s l o p e o f e a c h g r a p h . ( T h i s s l o p e w i l l b e n e g a t i v e ) . b . T h e s l o p e w i l l i n d i c a t e t h e c o o l i n g r a t e . ( T h e n e g a t i v e s i g n m e a n s t h e w a t e r i s c o o l i n g d o w n ) . C . S t u d e n t s w i l l n e e d t o r e v i e w t h e c o n c e p t o f s l o p e a s i t r e l a t e s t o a r a t e o f c h a n g e . ( U n i t s w i l l b e ° C p e r m i n u t e ) . G r a p h t h e d a t a o n t h e g r a p h p a p e r p r o v i d e d . T h e g r a p h t h a t s h o w s t h e f a s t e s t d r o p t o t h e r i g h t ( s t e e p e s t s l o p e ) i s t h e o n e t h a t r e p r e s e n t s t h e f a s t e s t r a t e o f c o o l i n g . T h i s i s 2 7 1 L a b 2 - H e a t L o s s ( M e a s u r i n g t h e R a t e o f C o o l i n g ) - T e a c h e r ’ s E d i t i o n t h e r e f o r e t h e c u p t h a t l o s e s t h e m o s t h e a t p e r m i n u t e a n d i s t h e p o o r e s t i n s u l a t o r . T e a c h e r T i p s : 1 . S t u d e n t s m a y n e e d t o u s e o n l y f o u r c u p s v s . t h e e i g h t u s e d i n t h e e x a m p l e . 2 . P r o v i d e s t u d e n t s w i t h g r a p h p a p e r o r g r a p h w i t h E x c e l . 3 . R e v i e w t h e c o n c e p t o f s l o p e w i t h s t u d e n t s . T h e s l o p e f o r t h i s g r a p h w i l l b e n e g a t i v e . 4 . S t u d e n t s m a y n e e d t o c a l i b r a t e t h e i r t h e r m o m e t e r s u s i n g a n i c e b a t h a n d b o i l i n g w a t e r . ' 5 . T h e w a t e r i s h o t a n d t h e s t u d e n t s n e e d t o u s e h o t p a d s . 6 . T h e s a m p l e d a t a i n E x c e l g r a p h i n g i s i n c l u d e d w i t h t h e T e a c h e r E d i t i o n . Y o u m a y C h o o s e t o i n c l u d e i t w i t h y o u r s t u d e n t e d i t i o n i f y o u w i s h . D a t a : C 1 ( D m s l m m A w N - s 2 7 2 L a b 2 — H e a t L o s s ( M e a s u r i n g t h e R a t e o f C o o l i n g ) - T e a c h e r ’ s E d i t i o n — 2 3 2 4 2 5 1 5 m i n u t e s o f c o o l i n g C a l c u l a t i o n s : S t u d e n t s n e e d t o c a l c u l a t e t h e s l o p e o f e a c h l i n e ( e a c h i n d i v i d u a l c u p ) . E x c e l w i l l c a l c u l a t e t h e s l o p e o f t h e g r a p h i f y o u c h o o s e t o u s e E x c e l . C u p 1 C u p 2 C u p 3 C u p 4 C o n c l u s i o n : 1 . H o w a c c u r a t e w a s y o u r t h e r m o m e t e r ? 2 . H o w d o t h e c u p s l o s e h e a t ? 3 . W h a t d i d t h e e x p e r i m e n t a t t e m p t t o a c c o m p l i s h ? F a c t : S o m e i n s u l a t o r s c o n d u c t h e a t s o p o o r l y t h a t w a r m w a t e r i n s u l a t e d b y t h e i r u s e l o s e s o n l y o n e d e g r e e ( C ) p e r y e a r . 1 . H o w c l o s e w a s t h e c a l i b r a t e d t e m p e r a t u r e t o 0 ° C a n d 1 0 0 ° C w h e n p l a c e d i n t h e c a l i b r a t i n g i c e w a t e r a n d b o i l i n g w a t e r . 2 . C u p s l o s e h e a t b y c o n d u c t i o n , s l i g h t c o n v e c t i o n a n d r a d i a t i o n . 3 . T h i s i n v e s t i g a t i o n a t t e m p t s t o s h o w h o w t e m p e r a t u r e d e c r e a s e s a s h e a t i s l o s t f r o m t h e c u p . T h e d e c r e a s e i n t e m p e r a t u r e s h o w s t h e m o t i o n o f t h e m o l e c u l e s s l o w s d o w n a s t h e r m a l e n e r g y i s r e m o v e d f r o m t h e c u p . A d d i t i o n a l l y , t h i s i n v e s t i g a t i o n i l l u s t r a t e s t h a t d i f f e r e n t m a t e r i a l w i l l l o s e h e a t e n e r g y a t d i f f e r e n t r a t e s . 4 . T h e t w o i n c l u d e d e x a m p l e s s h o w t h e c o o l i n g o f w a t e r i n i t i a l l y a t 4 5 a n d 7 5 ° C . S t u d e n t s s h o u l d u s e 8 0 - 9 0 ° C w a t e r i f p o s s i b l e . 2 7 3 C I - a w - l ' O D O N G O C L a b 2 — H e a t L o s s ( M e a s u r i n g t h e R a t e o f C o o l i n g ) - T e a c h e r ’ s E d i t i o n T i m e C u p 1 4 1 . 2 3 9 . 9 3 9 . 3 3 8 . 9 3 8 . 5 3 8 . 2 3 7 . 9 3 7 . 6 3 7 . 3 3 7 3 6 . 8 3 6 . 5 3 6 . 3 C u p 2 4 1 . 3 4 0 . 8 4 0 . 5 4 0 . 1 3 9 . 8 3 9 . 5 3 9 . 2 3 8 . 9 3 8 . 6 3 8 . 3 3 8 3 7 . 8 3 7 . 6 C u p 3 4 0 . 7 4 0 . 3 4 0 3 9 . 6 3 9 . 3 3 9 3 8 . 7 3 8 . 4 3 8 . 1 3 7 . 8 3 7 . 6 3 7 . 3 3 7 C u p 4 4 1 . 4 4 0 . 9 4 0 . 6 4 0 . 2 3 9 . 9 3 9 . 5 3 9 . 1 3 8 . 8 3 8 . 3 3 8 3 7 . 7 3 7 . 2 3 6 . 9 2 7 4 C u p 5 4 1 . 8 4 1 . 4 4 0 . 8 4 0 . 3 3 9 . 7 3 9 . 2 3 8 . 7 3 8 . 3 3 7 . 8 3 7 . 4 3 7 3 6 . 6 3 6 . 3 C u p 6 4 2 . 8 4 2 . 4 4 2 4 1 . 6 4 1 . 2 4 0 . 9 4 0 . 5 4 0 . 2 3 9 . 9 3 9 . 6 3 9 . 3 3 9 . 1 3 9 C u p 7 4 3 . 2 4 2 . 6 4 2 . 1 4 1 . 7 4 1 . 3 4 0 . 9 4 0 . 6 4 0 . 4 4 0 3 9 . 7 3 9 . 4 3 9 . 1 3 8 . 7 C u p 8 4 3 4 2 . 5 4 2 . 4 4 2 4 1 . 6 4 1 . 2 4 0 . 8 4 0 . 7 4 0 . 3 4 0 3 9 . 7 3 9 . 3 3 9 ) C * ( . . . ; 3 1 L a b 2 - H e a t L o s s ( M e a s u r i n g t h e R a t e o f C o o l i n g ) - T e a c h e r ’ s E d i t i o n R a t e o f C o o l i n g # 1 4 y ’ = ’ - o . ’ 3 5 7 7 x + 4 0 4 . 2 5 4 ; = 4 3 3 7 1 4 ; ; + 4 1 . 3 4 4 y 4 = - 0 . 3 5 3 8 x + 4 2 8 6 9 i = - o . 3 0 5 5 x + 4 1 . 0 9 5 y = - 0 . 4 7 0 3 x + 4 1 . 6 9 1 y = - 0 . 3 0 3 3 x + 4 0 . 5 7 4 y = 4 1 3 2 6 4 ; ; 1 » 4 2 . 6 1 2 I y = - o . 3 2 9 1 x + 4 2 . 9 3 6 l 4 5 4 4 4 3 4 2 4 1 4 0 3 9 3 8 3 7 3 6 3 5 . “ ” 1 5 3 9 “ ? I I T i m e C u p 1 C u p 2 C u p 3 C u p 4 C u p 5 C u p 6 C u p 7 C u p 8 0 6 8 . 5 7 0 . 3 7 3 . 8 7 4 . 7 7 7 . 5 7 7 . 7 7 3 . 8 7 7 . 8 1 6 6 . 1 6 9 . 1 7 2 7 3 . 1 7 5 . 2 7 5 . 3 7 1 . 1 7 6 . 3 2 6 4 6 7 7 0 7 1 . 3 7 2 . 8 7 3 . 2 6 8 . 7 7 4 . 3 3 6 2 . 4 6 5 . 6 6 8 . 2 6 9 . 8 7 0 . 6 7 1 . 1 6 7 . 3 7 2 . 2 4 6 1 6 4 . 4 6 6 . 8 3 8 . 2 6 8 . 6 6 9 . 3 6 5 . 9 7 0 . 2 5 5 9 . 9 6 3 . 3 6 5 . 4 6 6 . 9 6 7 6 7 . 8 6 4 . 6 6 8 . 3 6 5 8 . 8 6 2 . 7 6 4 . 1 6 5 . 7 6 5 . 5 6 6 . 5 6 3 . 3 6 7 7 5 7 . 7 6 1 . 6 6 2 . 9 6 4 . 5 6 4 . 9 6 5 . 1 6 2 6 5 . 6 8 5 6 . 8 6 0 6 1 . 8 6 3 . 4 6 3 . 5 6 4 6 0 . 8 6 4 . 3 9 5 5 . 8 5 9 . 1 6 0 . 5 6 2 . 3 6 2 . 1 6 2 . 7 5 9 . 7 6 3 1 0 5 4 . 9 5 8 . 3 5 9 . 5 6 1 . 3 6 0 . 7 6 1 . 7 5 8 . 6 6 1 . 8 1 1 5 4 . 1 5 7 . 4 5 8 . 5 6 0 . 3 5 9 . 6 6 0 . 2 5 7 . 7 6 0 . 6 1 2 5 3 . 2 5 6 . 5 5 7 . 5 5 9 . 4 5 8 . 6 5 9 . 3 5 6 . 6 5 9 . 6 2 7 5 ) 6 ' ( u | p c 0 m e T L a b 2 — H e a t L o s s ( M e a s u r i n g t h e R a t e o f C o o l i n g ) - T e a c h e r ’ s E d i t i o n I n ; o f C o o l i n g # 2 4 y ” 4 1 3 0 1 4 1 ) ” 6 6 . 6 7 3 4 4 4 y = - 9 9 3 5 7 1 1 4 4 6 9 . 5 3 4 4 4 , 7 : 1 3 3 2 ; 3 ( 9 ) ) y = - 1 . 1 3 2 4 x + 6 9 . 5 1 V = - 1 - 5 2 5 3 x + 7 5 8 1 3 y = - 1 . 5 3 7 4 x + 7 6 . 9 9 3 y = - 1 , 3 3 4 6 x + 7 2 . 7 y = - - 1 . 4 8 5 7 x + 7 6 . 1 3 7 8 0 7 5 6 0 0 2 4 6 B 1 0 1 2 1 4 T l m e ( m l n u t e s ) I 4 i i I l I i I l i i 2 7 6 L a b 3 — H e a t L o s s ( M e a s u r i n g t h e R a t e o f C o o l i n g - S e c o n d ) - T e a c h e r ’ s E d i t i o n P u r p o s e : T o d e t e r m i n e t h e e f f e c t , i f a n y , o f t h e d i f f e r e n c e i n t e m p e r a t u r e b e t w e e n t h e i n s i d e a n d t h e o u t s i d e o f t h e c u p t h a t i s t h e p o o r e s t i n s u l a t o r . ( W e w i l l d e t e r m i n e t h e e f f e c t a d i f f e r e n c e i n t e m p e r a t u r e o n t h e t w o s i d e s o f a p o o r i n s u l a t o r h a s o n t h e r a t e o f c o o l i n g . ) E q u i p m e n t : 1 . C u p t h a t i s t h e p o o r e s t i n s u l a t o r ( o n e t h a t l o s e s h e a t t h e f a s t e s t ) . g 2 . S u p p l i e s o f w a t e r a t p r o p e r t e m p e r a t u r e s . 3 . G r a d u a t e d c y l i n d e r ( 2 5 0 m l ) . ‘ 4 . T h e r m o m e t e r . 5 . T i m e r . 6 . O v e n m i t t s o r p a p e r t o w e l s . P r o c e d u r e : 1 . U s e t h e s a m e a m o u n t o f w a t e r i n e a c h t r i a l ( 2 0 0 m l ) 2 . U s e t h e s a m e c u p o r i d e n t i c a l c u p s t h a t a l l o w a h o t l i q u i d t o c o o l r a t h e r q u i c k l y . 3 . F i r s t , s t a r t w i t h h o t w a t e r ( 9 5 t o 1 0 0 ° C ) 4 . S e c o n d , w a t e r a t 6 0 - 6 5 ° C 5 . T h i r d , w a t e r a t 3 5 - 3 8 ° C 6 . R e c o r d t h e t e m p e r a t u r e f o r t h e t h r e e d i f f e r e n t s i t u a t i o n s a s i n t h e fi r s t r a t e o f C o o l i n g e x p e r i m e n t . ( R e c o r d t h e t e m p e r a t u r e e v e r y 3 0 s e c o n d s ) 7 . G r a p h t h e d a t a f r o m e a c h t r i a l o n t h e s a m e p i e c e o f g r a p h p a p e r . D a t a : 9 5 — 1 0 0 ° C W a t e r 6 0 - 6 5 ° 3 5 — 3 7 ° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 2 7 7 L a b 3 - H e a t L o s s ( M e a s u r i n g t h e R a t e o f C o o l i n g — S e c o n d ) - T e a c h e r ’ s E d i t i o n — 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 C a l c u l a t i o n s : 1 . G r a p h t h e d a t a o n t h e g r a p h p a p e r p r o v i d e d a n d fi n d t h e s l o p e o f e a c h l i n e . ( W h a t i s t h e m e a n i n g o f e a c h s l o p e ) ? 2 . C a l c u l a t i o n s 9 5 — 1 0 0 ° C 6 0 - 6 5 ° C 3 5 — 3 7 ° C S l o p e S h o w s a m p l e c a l c u l a t i o n s f o r t h e 9 5 - 1 0 0 ° C t r i a l . C a l c u l a t i o n s 9 5 - 1 0 0 ° C S l o p e T e a c h e r T i p s : 1 . T e a c h e r s n e e d 1 2 - 1 5 c u p s t h a t l o s e h e a t q u i c k l y ( s o u p c a n s m a y w o r k w e l l ) 2 . N e e d t o p r o v i d e s t u d e n t s w i t h g r a p h p a p e r o r a c c e s s t o a c o m p u t e r t o u s e E x c e l . 3 . W a t e r i s v e r y h o t s o s t u d e n t s n e e d t o n g s o r h o t p a d s . 4 . T h e h o t t e s t w a t e r 9 5 - 1 0 0 ° C s h o u l d b e m e a s u r e d e x a c t l y i n a 2 5 0 m l b e a k e r a n d p o u r e d d i r e c t l y i n t o t h e c u p . 5 . T h e 6 0 - 6 5 ° C w a t e r c a n b e p r e p a r e d a n d p l a c e d i n a n i n s u l a t e d c o o l e r w i t h a s p o u t . 6 . T h e 3 5 - 3 7 ° C w a t e r c a n b e o b t a i n e d f r o m t h e t a p . 2 7 8 L a b 3 - H e a t L o s s ( M e a s u r i n g t h e R a t e o f C o o l i n g - S e c o n d ) — T e a c h e r ’ s E d i t i o n C o n c l u s i o n : 1 . W h a t i s t h e m e a n i n g o f t h e t h r e e g r a p h s i f t h e y a r e a l l p a r a l l e l ? 2 . W h a t i s t h e m e a n i n g i f s o m e o f t h e g r a p h s s l o p e u p w a r d t o t h e r i g h t ? 3 . W h a t i s t h e m e a n i n g o f a g r a p h t h a t i s p a r a l l e l t o t h e x - a x i s ? 4 . W h a t i s t h e m e a n i n g o f t h r e e g r a p h s t h a t h a v e d i f f e r e n t s l o p e s ? 5 . W o u l d y o u e x p e c t a l a r g e d i f f e r e n c e o r a s m a l l d i f f e r e n c e i n t h i s e x p e r i m e n t ? 6 . H o w c o u l d t h e g r a p h b e c h a n g e d t o s h o w s m a l l d i f f e r e n c e s m o r e d i s t i n c t l y ? 7 W h a t c o n c l u s i o n s d i d y o u r e a c h ? D o e s h o t w a t e r c o o l f a s t e r o r s l o w e r t h a n c o o l w a t e r ? 1 . I f t h e t h r e e g r a p h s a r e a l l p a r a l l e l i t m e a n s t h e i r r a t e o f t e m p e r a t u r e c h a r g e i s t h e s a m e i r r e g a r d l e s s o f t h e s t a r t i n g t e m p e r a t u r e . 2 . I f t h e g r a p h s s l o p e u p w a r d t o t h e r i g h t , i t w o u l d m e a n t h e t e m p e r a t u r e i s r i s i n g a n d t h e r e f o r e h e a t i s b e i n g g a i n e d a n d n o t l o s t . 3 . I f t h e g r a p h i s p a r a l l e l t o t h e x - a x i s , i t w o u l d m e a n t h e t e m p e r a t u r e i s r e m a i n i g g c o n s t a n t a n d n o h e a t i s b e i n g l o s t . 4 . T h r e e d i f f e r e n t s l o p e s i n d i c a t e t h a t a t d i f f e r e n t i n i t i a l t e m p e r a t u r e s w a t e r l o s e s t h e r m a l e n e r g y a t d i f f e r e n t r a t e s . 5 . A s m a l l d i f f e r e n c e . 6 . T o s h o w s m a l l d i f f e r e n c e s i n c o o l i n g r a t e s c l e a r l y t h e s c a l e s o n t h e g r a p h s c a n b e c h a n g e d t o s p r e a d o u t t h e d a t a . 7 . T h e r e s u l t s o f t h i s i n v e s t i g a t i o n s h o w t h a t h o t w a t e r c o o l s a t 2 ° C p e r m i n u t e , 6 5 ° w a t e r c o o l s a t . 9 ° C p e r m i n u t e w h i l e 4 0 ° w a t e r i n m y e x a m p l e c o o l e d a t . 3 ° C p e r m i n u t e . T h e l o w e r t h e s t a r t i n g t e m p e r a t u r e t h e s l o w e r t h e w a t e r c o o l s . 2 7 9 fi g . fi I I L a b 3 — H e a t L o s s ( M e a s u r i n g t h e R a t e o f C o o l i n g - S e c o n d ) — T e a c h e r ’ s E d i t i o n I T I I T i m e H o t W a t e r W a r m W a t e r C o l d W a t e r 0 8 5 . 4 6 0 4 0 . 6 1 8 3 5 9 4 0 . 2 2 7 9 . 9 5 8 4 0 3 7 7 . 5 5 7 . 1 3 9 . 7 4 7 5 . 3 5 6 . 2 3 9 . 3 5 7 3 . 3 5 5 . 3 3 9 6 7 1 . 5 5 4 . 4 3 8 . 7 7 6 9 . 6 5 3 . 5 3 8 . 3 8 6 8 5 2 . 7 3 8 . 1 9 6 6 . 6 5 1 . 9 3 7 . 8 1 0 6 5 . 3 5 1 1 3 7 . 5 C o o fl n g 0 4 3 1 ; . c . . . = - 2 . 0 1 2 7 4 x + 8 4 . 1 9 1 0 9 ) : ; 0 . 5 7 3 I 3 1 y = - 0 8 8 9 1 x + 5 9 . 8 2 7 y : ’ 0 ' 4 4 T E W C ) I I I I I I I I I I I I 4 6 8 1 o 1 2 T i m e ( m i n u t e s ) 2 8 0 L a b 3 — H e a t L o s s ( M e a s u r i n g t h e R a t e o f C o o l i n g - S e c o n d ) - T e a c h e r ’ s E d i t i o n : C o o l l n g o f a C o k e c a n y = - 2 . o 1 2 7 x + 8 4 . 1 9 1 I y = 9 . 3 1 0 9 2 ; + 4 0 . 5 7 3 T e m p ( * C ) 4 4 4 O N 4 6 8 1 0 1 2 T i m e ( m i n u t e s ) 2 8 1 ? 0 1 ° 9 9 L a b 4 — I n t r o d u c t i o n t o H e a t M e a s u r e m e n t - T e a c h e r ’ s E d i t i o n — P u r p o s e : W e n e e d t o b e a b l e t o d i s t i n g u i s h h e a t f r o m t e m p e r a t u r e . M a k i n g t h i s d i s t i n c t i o n a l l o w s u s t o u s e h e a t a s a m e a s u r e o f e n e r g y . W e n e e d t o u s e c h a n g e s i n t e m p e r a t u r e t o c a l c u l a t e c h a n g e s i n h e a t e n e r g y . B a c k g r o u n d : H e a t e n e r g y ( Q ) = M a s s o f m a t e r i a l ( g r a m s ) a c h a n g e i n t e m p - s p e c i fi c h e a t A T C ( c a l o r i e s C = 1 ) W e s h o u l d fi n d t h e m a s s o f t h e w a t e r u s e d ( m o r e a c c u r a t e ) t h a n u s i n g v o l u m e . T h e s t a r t i n g t e m p e r a t u r e m a y b e a n y v a l u e ( e a c h s t u d e n t m a y s e l e c t h i s / h e r o w n s t a r t i n g t e m p e r a t u r e - m a k e s f o r a g o o d e x p e r i m e n t ) . — T h e s t u d e n t m a k e s u p h i s / h e r o w n s t a r t i n g t e m p e r a t u r e s o m e w h e r e b e t w e e n 1 — 8 ° C . E q u i p m e n t : P r o c e d u r e : S t y r o f o a m c u p s ( l a r g e ) T h e r m o m e t e r s - 1 0 t o 1 1 0 ° C G r a d u a t e d c y l i n d e r s - 1 0 0 m l S u p p l y o f w a t e r o f k n o w n t e m p e r a t u r e ( c a n b e d i p p e d f r o m p a n t h a t h a s s t o o d i n t h e l a b - t h i s w a t e r w a s o r i g i n a l l y b e t w e e n 0 a n d 5 ° C a n d w a s a l l o w e d t o w a r m t o r o o m t e m p e r a t u r e ) . F i n d t h e t e m p e r a t u r e o f t h e 1 " t 1 0 0 m l s a m p l e ( 2 5 ° C ) . R e c o r d a n i m a g i n a r y s t a r t i n g t e m p e r a t u r e ( m u s t b e a b o v e f r e e z i n g ) 5 ° C ( s t u d e n t p i c k ) . F i n d A T 2 5 ° - 5 ° = 2 0 ° C N e e d m a s s o f w a t e r p l a c e d i n c u p 1 ( c l o s e t o 1 0 0 9 ) . A d d a s e c o n d ( 1 0 0 m l ) s a m p l e t o t h e S t y r o f o a m c u p ( s a m e a s fi r s t 1 0 0 9 s a m p l e ) . F i n d t h e t e m p e r a t u r e o f t h e w a t e r i n t h e c u p a f t e r t h e s e c o n d s a m p l e w a s a d d e d . F i n d t h e h e a t e n e r g y c h a n g e f o r t h e fi r s t a d d i t i o n Q = 1 0 0 9 0 2 0 ° C = 2 0 0 0 c a l F i n d t h e h e a t e n e r g y c h a n g e f o r t h e s e c o n d a d d i t i o n 2 0 0 0 c a l F i n d t h e h e a t e n e r g y c h a n g e o f t h e w a t e r i n t h e c u p a f t e r t h e s e c o n d a d d i t i o n h a s b e e n m a d e . 2 0 0 0 + 2 0 0 0 = 4 0 0 0 c a l o r i e s 2 8 2 ‘ — - I I - v - . L a b 4 - I n t r o d u c t i o n t o H e a t M e a s u r e m e n t - T e a c h e r ’ s E d i t i o n D a t a : M e a s u r e m e n t C u p 1 C u p 2 1 . M a s s o f c u p 1 1 . 4 2 g r a m s 1 1 . 3 7 J r a m s 2 . M a s s o f c u p + w a t e r 1 1 1 . 3 7 g r a m s 1 1 1 . 4 3 g r a m s 3 . S t a d i n fi m p e r a t u r e - T ; 5 ° C 5 ° C 4 . R o o m t e m p e r a t u r e - - T m ; 2 5 ° C 2 5 ° C 5 . T e m p a f t e r 2 " " a d d i t i o n - 2 5 ° C T r C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n C u p 1 C u p 2 1 . A T f o r 1 “ a d d i t i o n 2 0 ° C 2 0 ° C 2 . M a s s o f H 2 0 o f 1 “ t a d d i t i o n 9 9 . 9 5 g r a m s 1 0 0 . 0 6 g r a m s 3 . Q f o r 1 s t a d d i t i o n 1 9 9 9 c a l o r i e s 4 . Q f o r 2 " ( 1 a d d i t i o n 2 0 0 1 c a l o r i e s 5 . T o t a l e n e r g y a f t e r 2 " " a d d i t i o n 4 0 0 0 c a l o r i e s 6 . C h a n g e i n t e m p e r a t u r e f r o m 1 s t t o 2 “ d a d d i t i o n 2 5 ° C S a m p l e c a l c u l a t i o n f o r c u p 2 C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n 1 . A T f o r 1 “ a d d i t i o n 2 5 ° C - 5 ° C = 2 0 ° C 2 . M a s s o f H 2 0 0 f 1 " 1 1 1 . 4 3 g - 1 1 . 3 7 g = 1 0 0 . 0 6 9 a d d i t i o n 3 . Q f o r 1 " a d d i t i o n 9 9 . 9 5 g 2 0 ° C . 1 c a l o r i e I . ° c = 1 9 9 9 c a l o r i e s 4 . Q f o r 2 “ d a d d i t i o n 1 0 0 . 0 6 g o 2 0 ° C . 1 c a l o r i e / 3 ° C = 2 0 0 1 c a l o r i e s 5 . T o t a l e n e r g y a f t e r 2 " d a d d i t i o n 2 0 0 0 c a l + 2 0 0 0 c a l = 4 0 0 0 c a l 6 . C h a n g e i n t e m p e r a t u r e f r o m 1 “ t t o 2 " " a d d i t i o n 2 5 ° C ( n o c h a n g e i n t e m p e r a t u r e ) 2 8 3 n . 1 . _ ‘ 9 “ n — . - l . L a b 4 - I n t r o d u c t i o n t o H e a t M e a s u r e m e n t - T e a c h e r ’ s E d i t i o n — C o n c l u s i o n : W e f o u n d t h a t i f w e a d d m o r e w a t e r o f t h e s a m e t e m p e r a t u r e w e i n c r e a s e d t h e h e a t c o n t e n t b u t d i d n o t r a i s e t h e t e m p e r a t u r e . H o w d o w e e x p l a i n t h i s o b s e r v a t i o n ? R e fl e c t o n o u r c l a s s d i s c u s s i o n a n d y o u r c l a s s n o t e s . F o r t h e t e m p e r a t u r e o f a s y s t e m t o c h a n g e , t h e r m a l e n e r g y n e e d s t o fl o w f r o m h o t t o c o l d . B o t h s y s t e m s a r e a t t h e s a m e t e m p e r a t u r e a n d a s a r e s u l t t h e r e i s n o n e t h e a t fl o w . T h e t o t a l a m o u n t o f e n e r g y r e m a i n s c o n s t a n t . B a s i c a l l y , t h e s a m e a m o u n t o f w a t e r ( o u r 2 1 0 0 g p a m s a m p l e s ) a t t h e s a m e t e m p e r a t u r e c o n t a i n t h e s a m e a m o u n t o f t h e r m a l e n e r g y . ( T h e s a m p l e s a r e e q u a l l y h o t o r c o o l d e p e n d i n g o n y o u r p e r s p e c t i v e . T h e r e f o r e , t h e r e i s n o fl o w o f h e a t w h e n t h e s e t w o s a m p l e s a r e c o m b i n e d . 2 8 4 . ‘ r ‘ . . - L a b 5 - T h e C a l o r i e ( A W o r k i n g D e fi n i t i o n ) - T e a c h e r ’ s E d i t i o n P u r p o s e : 1 . T o v e r i f y t h e w o r k i n g d e fi n i t i o n o f t h e c a l o r i e ( T h e a m o u n t o f e n e r g y n e e d e d t o r a i s e 1 g r a m o f w a t e r 1 ° C . ) 2 . T o u s e t h e e q u a t i o n Q = g o o n A T t o e v a l u a t e t h e d a t a c o l l e c t e d d u r i n g t h e i n v e s t i g a t i o n . 3 . T o e m p h a s i z e t h e f a c t t h a t t e m p e r a t u r e i s a m e a s u r e o f E K ( k i n e t i c e n e r g y — e n e r g y o f m o t i o n ) a n d n o t a m e a s u r e o f h e a t . E q u i p m e n t : 1 . 1 5 0 m l b e a k e r 4 . D i s t i l l e d w a t e r 2 . H o t p l a t e ( s e t o n 3 o r 4 ) 5 . B a l a n c e 3 . T h e r m o m e t e r 6 . C l o c k P r o c e d u r e : 1 . N e e d 1 - 1 5 0 m l b e a k e r fi l l e d w i t h d i f f e r e n t a m o u n t s o f d i s t i l l e d w a t e r f o r e a c h t r i a l . ( M e a s u r e w a t e r u s e d i n e a c h t r i a l i n g r a m s . ) 2 . M e a s u r e T ; f o r e a c h b e a k e r b e f o r e h e a t i n g . 3 . P l a c e a l l t h e b e a k e r s o n t h e s a m e h o t p l a t e ( p r e s e t ) f o r t h e s a m e a m o u n t o f t i m e . ( I n t h e g e n e r a l s e n s e t h e s t u d e n t s h o u l d s e e a l l t h e b e a k e r s a r e e x p o s e d t o t h e s a m e h e a t s o u r c e s , t h e r e f o r e , t h e s a m e a m o u n t o f e n e r g y i n t h e s a m e t i m e f r a m e . ) 4 . A m o u n t s o f w a t e r t o b e u s e d i n e a c h t r i a l ( g r a m s ) — ( o n e p a r t n e r c a n d o t h e fi r s t s e t w h i l e t h e s e c o n d p a r t n e r d o e s s e t 2 - p a r t n e r s c a n s h a r e d a t a ) a . 2 0 , 3 0 , 4 0 , 5 0 , 6 0 b . 2 0 , 4 0 , 6 0 , 8 0 , 1 0 0 5 . H e a t a l l t h e b e a k e r s f o r t h e s a m e a m o u n t o f t i m e . ( 2 m i n u t e s ) - T h e s t u d e n t s h o u l d g e t a g o o d A T f o r t h e b e a k e r s w i t h t h e s m a l l e s t a m o u n t o f H 2 O . 6 . M e a s u r e T ; i n a l l t h e b e a k e r s ( a t t h e e n d o f 2 m i n u t e s ) . ( A s k s t u d e n t s w h i c h b e a k e r r e c e i v e d t h e g r e a t e s t a m o u n t o f h e a t e n e r g y . ) 7 . U s e Q = g r a m s 0 C 0 A T t o c a l c u l a t e t h e h e a t e n e r g y t r a n s f e r r e d t o t h e w a t e r ( a p p e a r i n g a s E K ) i n e a c h b e a k e r . D o a n a v e r a g e a n d c a l c u l a t e a p e r c e n t d i f f e r e n c e w i t h r e s p e c t t o t h e a v e r a g e . D i s c u s s s o u r c e s o f e r r o r i n v o l v e d i n d o i n g t h i s i n v e s t i g a t i o n . 8 . S e e i f y o u c a n g r a p h t h e d a t a a n d c o m e u p w i t h a n y t h i n g m e a n i n g f u l . 2 8 5 L a b 5 - T h e C a l o r i e ( A W o r k i n g D e fi n i t i o n ) - T e a c h e r ’ s E d i t i o n _ D a t a : ( 2 0 , 3 0 , 4 0 , 5 0 , 6 0 m l ) M e a s u r e m e n t s T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 T r i a l 4 T r i a l 5 ( 2 0 m l ) ( 3 0 m l ) ( 4 0 m l ) ( 5 0 m l ) ( 6 0 m l ) 1 . M a s s o f b e a k e r 4 9 . 0 5 g 4 9 . 0 5 g 4 9 . 0 5 g 4 9 . 0 5 g 4 9 . 0 5 g 2 . M a s s b e a k e r + w a t e r 6 9 . 2 2 g 7 9 . 7 4 g 8 3 . 3 0 g 9 9 . 0 4 9 1 0 9 . 2 1 9 3 . I n i t i a l t e m p e r a t u r e T ; 2 7 . 3 ° C 2 7 . 8 ° C 2 7 . 7 ° C 2 7 . 0 ° C 2 4 . 4 ° C 4 . T e m p e r a t u r e 1 fi n a l ( T ; ) 7 1 . 8 ° C 5 7 . 1 ° C 5 0 . 1 ° C 4 4 . 8 ° C 4 2 9 ° C 5 . T i m e h e a t e d 2 m i n 2 m i n 2 m i n 2 m i n 2 m i n D a t a : ( 2 0 , 4 0 , 6 0 , 8 0 , 1 0 0 m l ) M e a s u r e m e n t s T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 T r i a l 4 T r i a l 5 ( 2 0 m l ) ( 4 0 m l ) ( 6 0 m l ) ( 8 0 m l ) ( 1 0 0 m l ) 1 . M a s s o f b e a k e r 2 . M a s s b e a k e r + w a t e r 3 . I n i t i a l t e m p e r a t u r e T ; 4 . T e m p e r a t u r e fi n a l ( f o 5 . T i m e h e a t e d 2 8 6 L a b 5 — T h e C a l o r i e ( A W o r k i n g D e fi n i t i o n ) - T e a c h e r ’ s E d i t i o n — C a l c u l a t i o n s f o r 2 0 , 3 0 , 4 0 , 5 0 , 6 0 m l C a l c u l a t i o n T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 T r i a l 4 T r i a l 5 1 . M a s s o f w a t e r 2 0 . 1 7 g 3 0 . 6 9 g 4 0 . 2 7 g 5 0 . 0 0 g 6 0 1 6 g _ _ 2 . A T f o r 4 4 . 5 ° C 2 9 . 3 ° C 2 2 . 9 ° C 1 7 . 8 ° C 1 5 . 0 ° C w a t e r 3 . S p e c i fi c h t o f w a t e r 1 c a l / g ° C 1 c a l l 9 ° C 1 c a l l g ° C 1 c a l / g ° C 1 c a n g ° C 4 . H e a t a b s o r b e d 8 9 8 c a l 8 9 9 c a l 9 0 2 c a l 8 9 0 c a l 9 0 2 c a l b y e a c h b e a k e r S h o w a s a m p l e c a l c u l a t i o n f o r t r i a l 2 C a l c u l a t i o n T r i a l 2 1 . M a s s o f w a t e r 7 9 . 7 4 - 4 9 . 0 5 = 3 0 . 6 9 g 2 . A T f o r w a t e r 5 7 . 1 ° C = 2 7 . 8 ° C = 2 9 3 ° C 3 . S p e c i fi c h e a t o f w a t e r 1 c a l / 9 ° C b e a k e r 4 . H e a t a b s o r b e d b y t h e 3 0 . 6 9 g o 2 9 . 3 ° C 0 1 c a l / 9 ° C = 8 9 9 c a l 2 8 7 L a b 5 — T h e C a l o r i e ( A W o r k i n g D e fi n i t i o n ) — T e a c h e r ’ s E d i t i o n _ C a l c u l a t i o n s f o r 2 0 , 4 0 , 6 0 , 8 0 , 1 0 0 m l C a l c u l a t i o n T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 T r i a l 4 T r i a l 5 1 . M a s s o f w a t e r 2 . A T f o r w a t e r 3 . S p e c i fi c h e a t o f w a t e r 4 . H e a t a b s o r b e d b y e a c h b e a k e r S h o w a s a m p l e c a l c u l a t i o n f o r t r i a l 4 C a l c u l a t i o n T r i a l 4 1 . M a s s o f w a t e r 2 . A T f o r w a t e r 3 . S p e c i fi c h e a t o f w a t e r 4 . H e a t a b s o r b e d b y t h e b e a k e r C o n c l u s i o n : 1 . W h e r e d o e s t h e e n e r g y f o r t h e h o t p l a t e c o m e ? 2 8 8 L a b 5 - T h e C a l o r i e ( A W o r k i n g D e fi n i t i o n ) — T e a c h e r ’ s E d i t i o n — W h a t e n e r g y c h a n g e s o c c u r i n t h e h o t p l a t e ? W h e r e d o e s t h e e n e r g y f r o m t h e h o t p l a t e t r a n s f e r ? W h a t h a p p e n s t o t h e w a t e r a s e n e r g y i s t r a n s f e r r e d f r o m t h e h o t p l a t e ? A r e e n e r g y ( h e a t a n d e l e c t r i c i t y i n o u r c a s e ) a n d t e m p e r a t u r e t h e s a m e t h i n g ? 6 . W h a t o v e r a l l e n e r g y c o n v e r s i o n s a r e o c c u r r i n g f r o m t h e g e n e r a t i n g p l a n t t o t h e fi n a l r e s u l t s o f o u r e x p e r i m e n t ? 7 . H o w d i d y o u c a l c u l a t e t h e h e a t a b s o r b e d b y t h e w a t e r ? 9 9 ° 1 9 S ” 1 . T h e e n e r g y f o r t h e h o t p l a t e i s e l e c t r i c a l a n d c o m e s f r o m t h e c h e m i c a l e n e r g y s t o r e d i n t h e f o s s i l f u e l s t h a t a r e b u r n e d a t t h e p o w e r p l a n t . 2 . A t t h e h o t p l a t e e l e c t r i c a l e n e r g y i s t r a n s f o r m e d i n t o h e a t e n e r g y . 3 . T h e h e a t e n e r g y i s c o n d u c t e d t o t h e b e a k e r a n d t h e n t o t h e w a t e r . 4 . T h e w a t e r a b s o r b s e n e r g y f r o m t h e h o t p l a t e a n d t h e m o l e c u l e s b e g i n t o m o v e f a s t e r ( i n c r e a s e i n k i n e t i c e n e r g y ) , a s a c o n s e q u e n c e o f t h e r i s e i n t e m p e r a t u r e . 5 . H e a t e n e r g y fl o w s f r o m t h e h o t p l a t e t o t h e c o l d w a t e r . T h e c o n s e q u e n t c h a n g e i n t e m p e r a t u r e t e l l s u s t h e m o l e c u l e s a r e m o v i n g f a s t e r . T e m p e r a t u r e i s a m e a s u r e o f m o l e c u l a r k i n e t i c e n e r g y a n d n o t a m e a s u r e o f h e a t . H o w e v e r , i t i s u s e d t o h e l p c a l c u l a t e t h e c h a n g e i n h e a t a f t e r t h e t h e r m a l e n e r g y h a s m o v e d f r o m h o t t o c o l d . 6 . T h e e n e r g y c o n v e r s i o n s t h a t o c c u r r e d i n c l u d e c h e m i c a l e n e r g y ( f u e l ) i s r e l e a s e d a s h e a t e n e r g y t o c r e a t e s t e a m . T h e c r e a t e d s t e a m t u r n s t h e g e n e r a t o r s ( m e c h a n i c a l e n e r g y ) t o p r o d u c e e l e c t r i c a l e n e r g y . T h e e l e c t r i c a l e n e r g y g o e s t h r o u g h t h e p o w e r g r i d a n d i n o u r c a s e i s c h a n g e d b a c k t o h e a t e n e r g y . 7 . Q : g r a m s 0 A T 0 s p e c i fi c h e a t T e a c h e r T i p s : 1 . U s e t h e s a m e 1 0 0 o r 1 5 0 m l b e a k e r f o r a l l t h e t r i a l s . 2 8 9 L a b 5 — T h e C a l o r i e ( A W o r k i n g D e fi n i t i o n ) — T e a c h e r ’ s E d i t i o n — 2 . P r e h e a t t h e h o t p l a t e ( m y s e t t i n g w a s 3 - 4 ) a n d l e t i t s i t f o r 5 - 1 0 m i n u t e s s o i t i s i n e q u i l i b r i u m . 3 . S t u d e n t s s h o u l d a l w a y s p l a c e t h e b e a k e r o n t h e s a m e s p o t o n t h e h o t p l a t e . 4 . S t u d e n t s s h o u l d s t i r t h e i r s a m p l e s d u r i n g t h e 2 - m i n u t e h e a t i n g p e r i o d . ( B e c e r t a i n t o r e a d t h e t e m p e r a t u r e a t t h e e n d o f 2 m i n u t e s . 5 . B e c e r t a i n t h a t y o u t i m e t h e h e a t i n g o f t h e b e a k e r s s o t h e y a r e a l l h e a t e d t h e s a m e . 2 9 0 L a b 6 - H o w t o C h e c k U p o n H e a t M e a s u r e m e n t - T e a c h e r ’ s E d i t i o n _ P u r p o s e : T o m a k e h e a t m e a s u r e m e n t s t h a t w i l l a l l o w t h e s t u d e n t t o d e t e r m i n e t h e fi n a l t e m p e r a t u r e o f t h e s y s t e m w h e n h o t a n d c o l d w a t e r a r e m i x e d t o g e t h e r . B a c k g r o u n d : T h e e n e r g y c h a n g e i n a n y h e a t e x p e r i m e n t d o n e w i t h p r o p e r i n s u l a t i o n m a y b e e x p r e s s e d a s : E n e r g y g a i n e d = e n e r g y ’ l o s t ( 1 " t l a w ) ( T h e l o s s e s o f h e a t e n e r g y s h o u l d b e s m a l l i f g o o d c a l o r i m e t e r s a r e u s e d . ) H e a t i s m e a s u r e d ( c a l c u l a t e d ) u s i n g t h e f o l l o w i n g f o r m u l a : Q = g r a m s 0 A T 0 s p e c i fi c h e a t W e a r e g o i n g t o fi l l 2 c a l o r i m e t e r s w i t h e q u a l a m o u n t s o f w a t e r ( 9 0 — 1 0 0 m l ) a t d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s . ( W e w i l l m e a s u r e t h e m a s s o f t h e w a t e r i n a d d i t i o n t o i t s v o l u m e ) . W e c a n u s e Q = g 0 A T 0 C t o p r e d i c t t h e t e m p e r a t u r e t h a t s h o u l d r e s u l t w h e n t h e t w o s a m p l e s a r e m i x e d u s i n g t h e c o n c e p t t h a t h e a t l o s t e q u a l s h e a t g a i n e d . S t u d e n t s w i l l c o m p a r e t h e t e m p e r a t u r e p r e d i c t e d w i t h t h e t e m p e r a t u r e a c t u a l l y m e a s u r e d a f t e r m i x i n g . E q u i p m e n t : 1 . S t y r o f o a m c u p s ( c a l o r i m e t e r ) . 2 . G r a d u a t e d c y l i n d e r 3 . T h e r m o m e t e r 4 . B a l a n c e 5 . W a t e r s a m p l e s o f d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s P r o c e d u r e : 1 . F i n d t h e m a s s o f a S t y r o f o a m c u p # 1 . 2 . F i l l t h e c u p l e s s t h a n ‘ / 2 f u l l o f r o o m t e m p e r a t u r e w a t e r a n d fi n d t h e m a s s o f t h e c u p a n d w a t e r . ( a d d 9 0 - 1 0 0 9 w a t e r ) . 2 9 1 L a b 6 - H o w t o C h e c k U p o n H e a t M e a s u r e m e n t — T e a c h e r ’ s E d i t i o n 3 . M e a s u r e t h e v o l u m e o f w a t e r t h a t i s e q u a l t o t h a t u s e d i n p a r t 1 — s h o u l d b e 1 0 ° C l o w e r ( t h i s w a t e r n e e d s t o b e p r e p a r e d i n a d v a n c e — m i x i c e a n d w a t e r ) . a . N e e d m a s s o f c u p 2 . 6 . N e e d m a s s o f c u p 2 a n d c o l d w a t e r . 4 . N e e d t o c a l c u l a t e t h e t e m p e r a t u r e e x p e c t e d t o b e r e a c h e d w h e n c u p 1 i s m i x e d w i t h c u p 2 . C u p 1 1 0 0 ° 9 a t 2 0 C M e t h o d 1 - T h i s m a y b e a C u p 2 1 0 0 ° 9 a t 1 0 C l o g i c a l a p p r o a c h f o r m o s t 2 0 0 ° 9 a t 1 5 C s t u d e n t s . H e a t l o s t = h e a t g a i n e d M e t h o d 2 G r a m s h o t 0 A T ( h o t ) = G r a m s c o l d o A T ( c o l d ) ( S o l v e t h i s ( T h o ; - T e q ) ( T 0 0 ; ; - T u ) e q u a t i o n f o r T . . ; ) 5 . R e c o r d t h e v a l u e f r o m t h e e x p e r i m e n t . 6 . D o a % e r r o r ( a b s o l u t e a n d % ) . 7 . D o a s e c o n d t r i a l b u t h a v e c u p 2 w a r m e r t h a n r o o m t e m p e r a t u r e . D a t a : M e a s u r e m e n t s P a r t 1 P a r t 2 ( R m t e m p + C o l d e r W a t e r ) ( R m t e m p + W a r m e r W a t e r ) 1 0 ° C 4 0 ° C T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 1 T r i a l 2 M a s s C u p 1 1 1 . 1 7 9 ‘ 1 1 . 1 7 9 M a s s C u p 1 + W a t e r 1 1 1 . 4 6 g 1 1 1 . 7 8 g T i C U P 1 3 2 3 ° C 2 6 4 ° C M a s s C u p 2 1 1 . 4 3 g 1 1 . 4 8 g M a s s C u p 2 + W a t e r 1 1 1 . 1 3 9 1 1 1 . 7 2 9 T I C H I ) 2 2 2 7 ° C 4 1 2 ° C T e q 2 7 . 7 ° C 3 3 . 8 ° C 2 9 2 L a b 6 — H o w t o C h e c k U p o n H e a t M e a s u r e m e n t - T e a c h e r ’ s E d i t i o n o n “ i u s r n g a n 9 , ; o n h e a t l o s t = A b s o l u t e % p a n , p a n C a l c u l a t i o n s P a r t 1 T r i a l 1 P a r t 2 T r i a l 2 3 2 3 ° C + 2 2 7 ° C = 5 5 ° C 2 6 4 ° C + 4 1 . 2 ° C = 6 7 8 ° C T e q b a s e d o n 5 5 ° C / 2 = 2 7 5 ° C 6 7 . 6 ° C / 2 = 3 3 8 ° C u s i n g a n a v e r a g e 1 1 1 . 4 6 ( 3 2 . 3 - T e q ) = 1 1 1 . 7 9 ( 4 1 . 2 - T e q ) = P r e d i c t e d 1 1 1 . 1 3 ( l ' e q - 2 2 . 7 ) 1 1 1 . 7 2 ( T e q — 2 6 . 4 ) b a s e d o n T e q = 2 7 8 ° C T e q = 3 3 8 ° C h e a t l o s t = h e a t g a i n e d 2 7 . 7 ° C — 2 7 8 ° C = . 1 ° C 3 8 8 ° C — 3 3 8 ° C = 0 A b s o l u t e e r r o r . 1 / 2 7 . 6 ° C = . 0 0 4 o 1 0 0 = 0 / 3 3 . 8 ° C = 0 % . 4 % % e r r o r 2 9 3 L a b 6 - H o w t o C h e c k U p o n H e a t M e a s u r e m e n t - T e a c h e r ' s E d i t i o n — E x t e n s i o n s ( f o r m o r e c a p a b l e s t u d e n t s ) : 1 . W h a t i f w e u s e d t w i c e a s m u c h w a t e r o f o n e t e m p e r a t u r e a s w a t e r o f t h e o t h e r t e m p e r a t u r e ? a . P r e d i c t t h e e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e . b . P e r f o r m t h e e x p e r i m e n t , c h e c k i t a n d c a l c u l a t e t h e e r r o r . 2 . P r e d i c t t h e t e m p e r a t u r e w h e n 3 e q u a l v o l u m e s o f w a t e r e a c h a t a d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e a r e m i x e d ( p e r f o r m e x p e r i m e n t ) . 3 . P r e d i c t t h e t e m p e r a t u r e w h e n 3 u n e q u a l v o l u m e s ( m a s s e s ) o f w a t e r a r e m i x e d e a c h a t a d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e ( p e r f o r m e x p e r i m e n t ) . C o n c l u s i o n : W r i t e a t y p e 1 r e s p o n s e ( u s e 1 o r 2 o f t h e s e t o w r i t e t h e t y p e 1 r e s p o n s e ) : 1 . I n 1 0 l i n e s o r m o r e w r i t e d o w n t h i n g s y o u k n o w , t h i n g s y o u t h i n k y o u k n o w o r q u e s t i o n s y o u h a v e a b o u t t h i s i n v e s t i g a t i o n ( a c t i v a t e s p r i o r k n o w l e d g e ) . 2 . B a s e d o n t h i s e x p e r i m e n t , w r i t e d o w n t h r e e t h i n g s t h a t w e r e i n t e r e s t i n g , t w o t h i n g s t h a t w e r e c o n f u s i n g a n d o n e t h i n g y o u w o u l d l i k e t o k n o w m o r e a b o u t . ( A l l o w s t u d e n t s t o r e fl e c t . ) 3 . W h a t h a p p e n s w h e n h o t s t u f f i s m i x e d w i t h c o o l e r s t u f f ? ( A l l o w s s t u d e n t s t o m a k e c o n n e c t i o n s . ) 4 . W h e n I w r i t e t h e t e s t , w h a t q u e s t i o n s m i g h t I a s k w h i c h m i g h t r e q u i r e a s h o r t w r i t t e n a n s w e r ? ( A l l o w s s t u d e n t t o t h i n k a b o u t l e a r n i n g . ) T e a c h e r s — y o u n e e d t o r e a d a n d r e fl e c t o n t h e r e s p o n s e s y o u r s t u d e n t s c h o o s e t o w r i t e o n . T h e i r r e s p o n s e s w i l l a l l o w y o u t o s e e w h e r e y o u n e e d t o s p e n d m o r e t i m e r e v i e w i n g a n d r e v i s i n g . T h e i r r e s p o n s e s s h o u l d g i v e o u a g o o d i n d i c a t i o n o f w h e r e t h e y a r e i n d i v i d u a l l y i n t h i s p r o c e s s . T h e n e x t t h r e e l a b s a r e p a t t e r n e d a f t e r t h i s e x e r c i s e b u t u s e w a t e r a t v e r y d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s a n d i n t h e l a s t c a s e i n d i f f e r e n t a m o u n t s . I f t h e y a r e fl i n g t o b e s u c c e s s f u l i n f u t u r e l a b s , t h e b a s i c i d e a s n e e d t o b e i n p l a c e a t t h i s p o i n t . 2 9 4 L a b 6 — H o w t o C h e c k U p o n H e a t M e a s u r e m e n t — T e a c h e r ’ s E d i t i o n T e a c h e r T i p s : 1 . 2 . T e a c h e r s n e e d t o a d d r e s s t h e a l g e b r a i n v o l v e d w h e n s o l v i n g t h e e q u a t i o n f o r t h e p r e d i c t e d e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e . O u r e q u a t i o n i s b a s e d o n t h e fi r s t l a w o f t h e r m o d y n a m i c s ( h e a t l o s t e q u a l s h e a t g a i n e d ) . g r a m s h o t ( T i = T e q ) = g r a m s c o l d ( T 9 9 = T i c o l d ) S t u d e n t s n e e d t o s u b s t i t u t e t h e i r v a l u e s a n d s o l v e f o r T , a q ( x ) = T h i s i s t h e i r p r e d i c t e d v a l u e . W e u s e e q u a l a m o u n t s o f w a t e r s o t h e e x e r c i s e s h o u l d b e s o m e w h a t l o g i c a l . 1 0 0 9 H o t a t 2 0 ° C U s e a s i m p l e a v e r a g e t o c a l c u l a t e 1 0 0 9 C o l d a t 1 0 ° C T a q 3 0 ° C / 2 = 1 5 ° C N e e d t o l e t 1 - 2 g a l l o n s o f w a t e r s i t i n a c o n t a i n e r a t r o o m t e m p e r a t u r e . S e t u p a s e c o n d c o n t a i n e r w i t h w a t e r a n d i c e c o o l i n g t o a 8 - 1 0 ° C . 2 9 5 ? 0 1 ° 9 9 L a b 7 - M i x i n g H o t W a t e r a n d C o l d W a t e r — T e a c h e r ’ s E d i t i o n — P u r p o s e : T o fi n d t h e e f f e c t o f m i x i n g t w o e q u a l v o l u m e s ( o r e q u a l m a s s e s ) o f w a t e r a t t w o d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s ( S t u d e n t s w i l l u s e v e r y h o t a n d v e r y c o l d w a t e r ) . P r o c e d u r e : P a r t 1 F i n d m a s s o f c a l o r i m e t e r . F i n d m a s s o f c a l o r i m e t e r + a d d i t i o n o f s 1 0 0 g o f c o l d w a t e r 5 - 8 ° C F i n d T ; f o r t h e c o l d w a t e r . R e p e a t s t e p s 1 - 3 w i t h v e r y w a r m w a t e r ( B O - 9 0 ° C ) H e a t 1 0 0 m l a n d p o u r d i r e c t l y i n t o c a l o r i m e t e r 5 . P o u r w a t e r t o g e t h e r i n t o 2 n d c u p , s t i r , a n d fi n d t h e e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e ( p o u r c o l d w a t e r i n t o h o t w a t e r ) . 6 . D o e s e q u i l i b r i u m a g r e e w i t h t h e p r e d i c t e d v a l u e ? D a t a — P a r t 1 M e a s u r e m e n t s T r i a l 1 T r i a l 2 M a s s o f C u p 1 1 1 . 4 8 g M a s s o f C u p 1 + c o l d w a t e r 1 1 1 . 6 5 g T ; - C u p 1 5 . 6 ° C M a s s o f C u p 2 1 1 . 1 7 g _ M a s s o f C u p 2 + w a r m w a t e r 1 1 0 . 8 7 L T ; - C u p 2 8 4 8 ° C T e q — s y s t e m 4 4 . 8 ° C P r e d i c t e d v a l u e 4 4 9 ° C S h o w w o r k t o p r e d i c t T m P r e d i c t e d C a l c u l a t i o n - ( H e a t L o s t = H e a t G a i n e d ) U s i n g a n A v e r a g e 9 9 . 7 0 ( 8 4 . 3 - T e q ) = 1 0 0 . 1 7 ( T e q ) - 5 . 6 ) 8 4 . 3 + 5 . 6 = 8 9 . 9 8 4 0 5 - - 9 9 . 7 T , q = 1 0 0 . 1 7 T . . . - 5 8 1 8 9 . 9 / 2 = 4 8 5 ° C 1 9 9 . 8 7 T , , , = 8 9 6 6 T . . . = 8 9 6 6 / 1 9 9 8 ? = 4 4 9 ° C 2 9 6 C - - . M - - u f m - _ I . ) L a b ‘ T e a r C a I C I L a b 7 - M i x i n g H o t W a t e r a n d C o l d W a t e r - T e a c h e r ’ s E d i t i o n — C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n s T r i a l 1 T r i a l 2 1 . M a s s o f c o l d w a t e r 1 0 0 . 1 7 g 2 . A T f o r c o l d w a t e r 3 9 2 ° C 5 ' " 3 . Q f o r c o l d w a t e r ( h e a t g a i n e d ) 3 9 2 7 c a l 4 . M a s s o f w a r m w a t e r 9 9 . 7 0 L 5 . A T f o r w a r m w a t e r 3 9 5 ° C 3 - 6 . Q f o r w a r m w a t e r ( h e a t 3 9 3 8 c a l l o s t ) 7 . D i f f e r e n c e b e t w e e n h e a t l o s t a n d h e a t g a i n e d 1 1 c a l 8 . % d i f f e r e n c e 8 % 9 . D i f f e r e n c e b e t w e e n t h e p r e d i c t e d a n d m e a s u r e d 0 T o o 1 0 . % e r r o r i n T e q 0 T e a c h e r T i p s : 1 . T h i s i s b a s i c a l l y t h e s a m e f o r m a t a s e x p e r i m e n t 6 b u t w e u s e d v e r y h o t a n d v e r y c o l d w a t e r , w h i c h n e e d t o b e p r e p a r e d i n a d v a n c e f o r s t u d e n t u s e . 2 . U s e b o t h m e t h o d s ( t h e a v e r a g e a n d t h e a l g e b r a ) t o p r e d i c t t h e e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e . ( T e a c h e r m a y s t i l l n e e d t o d o 2 3 e x a m p l e s . 3 . S t u d e n t s n e e d t o w o r k t h r o u g h s a m p l e c a l c u l a t i o n s w i t h t h e i r d a t a . T h e i r m e a s u r e d e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e s h o u l d a g r e e t o w i t h i n 2 - 3 % o f t h e i r p r e d i c t e d v a l u e . 4 . S t u d e n t s n e e d t o b e c a r e f u l w i t h t h e h o t w a t e r . T h e h o t a n d c o l d w a t e r c a n b e p l a c e d i n i n s u l a t e d d i s p e n s e r s f o r s t u d e n t u s e . 2 9 7 L a b 7 — M i x i n g H o t W a t e r a n d C o l d W a t e r — T e a c h e r ’ s E d i t i o n N e e d s a m p l e c a l c u l a t i o n s h e r e T r i a l 1 o r T r i a l 2 C a l c u l a t i o n s T r i a l _ 1 1 . M a s s o f c o l d w a t e r 1 1 1 . 6 5 g — 1 1 . 4 8 g = 1 0 0 . 1 7 g 2 . A T f o r c o l d w a t e r 4 4 . 8 ° C - 5 . 6 ° C = 3 9 2 ° C 3 . Q f o r c o l d w a t e r ( h e a t 1 0 0 . 1 7 9 0 3 9 2 ° C 0 1 c a l / 9 ° C = 3 9 2 7 c a l L g a i n e d ) 4 . M a s s o f w a r m w a t e r 1 1 0 . 8 L g — 1 1 . 1 7 g 9 9 . 7 0 g 5 . A T f o r w a r m w a t e r 8 4 8 ° C — 4 4 . 8 ° C = 3 9 5 ° C 6 . Q f o r w a r m w a t e r ( h e a t 9 9 . 7 0 9 0 3 9 5 ° C 0 1 c a l / 9 ° C = 3 9 3 8 c a l l o s t ) 7 . D i f f e r e n c e b e t w e e n h e a t l o s t a n d h e a t g a i n e d 3 9 3 8 - 3 9 2 7 = 1 1 c a l 8 . % d i f f e r e n c e 1 1 c a l / 3 9 3 2 . 5 c a l = . 0 0 3 o 1 0 0 = 8 % 9 . D i f f e r e n c e b e t w e e n t h e p r e d i c t e d a n d m e a s u r e d T . E L 4 4 . 8 v s . 4 4 . 8 1 0 . % e r r o r i n T e a 0 % 2 9 8 L a b 7 — M i x i n g H o t W a t e r a n d C o l d W a t e r — T e a c h e r ’ s E d i t i o n C o n c l u s i o n : 1 . W h e n y o u t h i n k a b o u t m i x i n g v e r y h o t a n d v e r y c o l d w a t e r t o g e t h e r w h a t a r e s o m e o f t h e t h i n g s y o u w o n d e r a b o u t ? 2 . H o w w a s t h i s t y p e o f e x p e r i m e n t s i m i l a r t o a n o t h e r t y p e o f e x p e r i m e n t w e h a v e a l r e a d y a c c o m p l i s h e d ? H o w i s i t d i f f e r e n t ? 3 . D e s c r i b e a p i t f a l l t o a v o i d w h e n d o i n g t h i s e x p e r i m e n t . 1 . T h e c o n c l u s i o n a g a i n i s o p e n - e n d e d t o a l l o w f o r t e a c h e r i n s i g h t . S o m e o f t h e s a m e p r o b l e m s m a y c o n t i n u e t o o c c u r a n d m a y n e e d m o r e e x p l a n a t i o n . T h i s p r o c e s s a l l o w s y o u t o c o n t i n u e t o s e e w h e r e y o u r s t u d e n t s a r e a n d w h a t y o u n e e d s p e c i fi c a l l y t o d o t o h e l p t h e m w i t h t h e i r c a l c u l a t i o n s . 2 . T h i s e x p e r i m e n t w a s s i m i l a r t o # 6 , h o w e v e r t h e t e m p e r a t u r e o f t h e h o t a n d c o l d w a t e r i s v e r y d i f f e r e n t . T h e t e c h n i q u e u s e d i n t h e c a l c u l a t i o n s w a s e x a c t l y t h e s a m e . 3 . Y o u m a y t o e x p l a i n t h e t e r m p i t f a l l . 2 9 9 L a b 8 - M i x i n g H o t W a t e r a n d C o l d W a t e r l l - T e a c h e r ’ s E d i t i o n , — P u r p o s e : P r o c e d u r e : T o fi n d t h e e f f e c t o f m i x i n g u n e q u a l a m o u n t s o f h o t a n d c o l d w a t e r . S a m e a s p r e v i o u s e x p e r i m e n t b u t c h a n g e t h e a m o u n t s o f h o t a n d c o l d w a t e r u s e d . ( A l l s t u d e n t s w i l l s e l e c t t h e i r o w n v a l u e s ) . 1 . F i n d m a s s o f c a l o r i m e t e r . 2 . F i n d m a s s o f c a l o r i m e t e r 1 / 3 f u l l o f c o l d w a t e r , 5 — 8 ° C ( 5 0 t o 7 5 9 ) 3 . F i n d T ; f o r t h e c o l d w a t e r . 4 . R e p e a t s t e p s 1 - 3 w i t h v e r y w a r m w a t e r , 9 0 ° C ( 1 0 0 t o 1 2 5 g ) 5 . P o u r w a t e r t o g e t h e r i n t o 2 ' “ d c u p , s t i r a n d fi n d t h e e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e ( p o u r c o l d w a t e r i n t o h o t w a t e r ) . 6 . D o e s e q u i l i b r i u m a g r e e w i t h p r e d i c t e d v a l u e ? 7 . D o a s e c o n d t r i a l a n d r e v e r s e t h e a m o u n t o f c o l d a n d h o t w a t e r . 8 . % d i f f e r e n c e = t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n v a l u e s / t h e a v e r a g e o f v a l u e s . D a t a : D a t a T r i a l 1 T r i a l 2 1 . M a s s o f c u p 1 1 1 . 1 7 g 1 1 . 1 7 9 2 . M a s s o f c u p 1 + c o o l e r 7 3 . 7 2 9 1 3 4 . 9 1 9 w a t e r 3 . T ; - c o o l e r w a t e r 1 . 9 ° C 6 7 ° C 4 . M a s s o f c u p 2 1 1 . 4 8 g 1 1 . 4 8 g 5 . M a s s o f c u p 2 + h o t w a t e r 1 3 5 . 7 7 9 7 5 . 4 1 g 6 . T ; - h o t w a t e r 8 4 . 2 ° C 7 6 4 ° C 7 . T ; q - m i x t u r e 5 6 0 ° C 3 2 6 ° C S h o w w o r k f o r p r e d i c t e d v a l u e h e r e f o r T r i a l 1 a n d T r i a l 2 3 0 0 L a b 8 - M i x i n g H o t W a t e r a n d C o l d W a t e r l l - T e a c h e r ’ s E d i t i o n 1 2 4 . 2 9 ( 8 4 . 2 - x ) = 6 2 . 5 5 ( x - 1 . 9 ) 1 0 , 4 6 5 - 1 2 4 . 2 9 T e q = 6 2 . 5 5 T e q - 1 1 9 T r i a l 1 1 8 6 . 0 9 T e q = 1 0 , 5 0 4 1 8 6 . 0 4 T e q = 5 6 9 ° C 1 2 3 . 8 ( T . . . q - 8 . 7 ) = 6 3 . 9 ( 7 8 . 4 - T e q ) 1 2 3 . 8 T e q - 1 0 7 7 = 5 0 1 0 - 6 3 . 9 T r i a l 2 1 8 7 . 7 T ; q = _ 6 _ 0 _ 8 _ 7 _ 1 8 8 . 7 T e q = 3 2 4 ° C C a l c u l a t i o n s : T r i a l 1 T r i a l 2 1 . M a s s o f w a t e r - c u p 1 6 2 . 5 5 9 1 2 3 . 8 0 g 2 . A T f o r w a t e r - c u p 1 5 4 . 1 ° C 2 3 9 ° C 3 . H e a t g a i n e d b y w a t e r i n c u p 1 3 3 8 4 c a l 2 9 5 9 c a l 4 . M a s s o f w a t e r — c u p 2 1 2 4 . 2 9 9 6 3 . 9 0 g 5 . A T f o r w a t e r i n c u p 2 2 8 2 ° C 4 5 8 ° C 6 . H e a t l o s t b y w a t e r i n c u p 2 3 5 0 5 c a l 2 9 2 7 c a l 7 . D i f f e r e n c e 1 2 1 c a l 3 2 c a l 8 . % d i f f e r e n c e 3 . 5 % 1 . 1 % 9 . P r e d i c t e d T e q f r o m i n i t i a l 5 6 . 9 3 2 . 4 m e a s u r e m e n t s 1 0 . % e r r o r i n T m 1 1 . 6 % . 6 % 3 0 1 L a b 8 — M i x i n g H o t W a t e r a n d C o l d W a t e r l l - T e a c h e r ’ s E d i t i o n — N e e d s a m p l e c a l c u l a t i o n s h e r e T r i a l 1 o r T r i a l 2 C a l c u l a t i o n s T r i a l _ 2 1 . M a s s o f c o l d w a t e r 1 3 4 . 9 1 g — 1 1 . 1 7 g = 1 2 3 . m 2 . A T f o r c o l d w a t e r 3 2 6 ° C — 8 . 7 ° C = 2 3 9 ° C 3 . Q f o r c o l d w a t e r ( h e a t 1 2 3 . 8 g 0 2 3 9 ° C 0 1 c a l / 9 ° C = 2 9 5 9 c a l _ g a i n e d ) 4 . M a s s o f w a r m w a t e r 7 5 . 4 1 g - 1 1 . 4 8 g = 6 3 . 9 g 5 . A T f o r w a r m w a t e r 7 8 . 4 ° C — 3 2 6 ° C = 4 5 8 ° C 6 0 f o r w a r m w a t e r ( h e a t l o s t ) 6 3 . 9 g 0 4 5 , 8 0 0 0 1 c a l / 9 ° C = 2 9 2 7 c a l 7 . D i f f e r e n c e b e t w e e n h e a t l o s t a n d h e fl a i n e d 2 9 5 9 c a l — 2 9 2 7 c a l = 3 2 c a l 8 . % d i f f e r e n c e 3 2 c a l / 2 9 4 3 c a l = . 0 1 1 = 1 . 1 % 9 . D i f f e r e n c e b e t w e e n t h e p r e d i c t e d a n d m e a s u r e d T e q 3 2 4 ° C - 3 2 6 ° C = 2 ° C 1 0 . % e r r o r . 2 % ° C / 3 6 4 ° C = 0 0 6 - 1 0 0 = . 6 % C o n c l u s i o n : 1 . H o w f a r w a s y o u r e x p e r i m e n t a l T e q f r o m i d e a l c o n d i t i o n s ? 2 . W h a t s o u r c e s o f e r r o r c o u l d h a v e a f f e c t e d y o u r fi n a l r e s u l t s ? 3 . H o w d i d t h e % d i f f e r e n c e c o m p a r e t o t h e % e r r o r ? 4 . W h a t i s t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n a % e r r o r a n d a % d i f f e r e n c e ? 1 . S t u d e n t n e e d s t o r e fl e c t o n h i s / h e r d a t a . 2 . S t u d e n t s s h o u l d r e fl e c t o n t h e i r t e c h n i t p r e , t h i s b e i n g t h e t h i r d e x p e r i m e n t f o l l o w i n g t h e s a m e g e n e r a l p r o c e d u r e . 3 . R e fl e c t i o n o f s t u d e n t m e a s u r e m e n t s . 4 . S t u d e n t s s h o u l d r e fl e c t o n t e a c h e r l e d c l a s s d i s c u s s i o n . 3 0 2 L a b 8 - M i x i n g H o t W a t e r a n d C o l d W a t e r l l - T e a c h e r ’ s E d i t i o n T e a c h e r T i p s : 1 . T e a c h e r s n e e d t o r e v i e w t h e u s e o f % d i f f e r e n c e a n d i t s c a l c u l a t i o n . 2 . O f t e n i n t h e l a b o r a t o r y s t u d e n t s h a v e n o b e s t v a l u e f o r c o m p a r i s o n w h e n t h e y m a k e m e a s u r e m e n t s . I f t h e i n v e s t i g a t o r h a s m a d e 2 m e a s u r e m e n t s o f t h e s a m e q u a n t i t y , t h e y m a y w i s h t o c a l c u l a t e t h e % d i f f e r e n c e b e t w e e n t h o s e t w o m e a s u r e m e n t s . 3 . % d i f f e r e n c e = ( g i f f e r e n c e p e t w e e n v a l u e s ) a v e r a g e o f v a l u e s 3 0 3 L a b 9 - M i x i n g H o t W a t e r a n d C o l d W a t e r l l l - T e a c h e r ’ s E d i t i o n P u r p o s e : T o r e - e m p h a s i z e t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n h e a t e n e r g y a n d t e m p e r a t u r e w h e n u n e q u a l v o l u m e s a t t h e s a m e t e m p e r a t u r e a r e m i x e d . E q u i p m e n t : 1 . S t y r o f o a m c a l o r i m e t e r 2 . T h e r m o m e t e r s 3 . B a l a n c e o r g r a d u a t e 4 . W a r m w a t e r ( s u p p l y o f ) P r o c e d u r e : 1 . C o m b i n e u n e q u a l v o l u m e s o f w a t e r a t t h e s a m e t e m p e r a t u r e . 2 . C a r e f u l l y m e a s u r e t h e q u a n t i t y o f w a t e r w i t h a g r a d u a t e o r b a l a n c e . 3 . P o u r 3 0 m l o f w a r m w a t e r i n t o c a l o r i m e t e r c u p 1 ( m o r e i f c u p i s l a r g e r ) . R e c o r d t h e t e m p e r a t u r e . 4 . P o u r i n 6 0 m l o r t w i c e t h e fi r s t v o l u m e i n t o t h e s a m e c u p . R e c o r d t h e t e m p e r a t u r e . 5 . F o r T r i a l 2 r e v e r s e t h e a m o u n t s o f w a r m a n d c o l d w a t e r . D a t a : M e a s u r e m e n t T r i a l 1 T r i a l 2 1 . V o l u m e 1 8 t w a r m w a t e r 2 0 0 m l 1 0 0 m l 2 . V o l u m e 2 " c l w a r m w a t e r 1 0 0 m l 2 0 0 m l 3 . T e m p o f 1 " t v o l u m e 3 1 . 4 ° C 3 2 6 ° C 4 . T e m p o f 2 " d v o l u m e 3 1 . 4 ° C 3 2 6 ° C 5 . T e m p o f m i x t u r e 3 1 . 4 ° C 3 2 6 ° C 6 . V o l u m e o f m i x t u r e 3 0 0 m l 3 0 0 m l T e a c h e r T i p s : T e a c h e r s , d o t h i s l a b a s a d e m o n s t r a t i o n . T h i s e x e r c i s e r e fl e c t s i n f o r m a t i o n f r o m e x p e r i m e n t 4 u s i n g d i f f e r e n t a m o u n t s o f w a t e r i n s t e a d o f t h e s a m e a m o u n t s . T h e g e n e r a l c o n c e p t s c o v e r e d i n 4 a r e s t i l l p e r t i n e n t t o t h i s e x e r c i s e i r r e g a r d l e s s o f t h e a m o u n t s o f w a t e r u s e d . 3 0 4 L a b 9 - M i x i n g H o t W a t e r a n d C o l d W a t e r " I — T e a c h e r ’ s E d i t i o n _ C o n c l u s i o n : 1 . W e r e t h e t e m p e r a t u r e o f t h e w a r m w a t e r p u t i n t o t h e c u p t h e s a m e ? 2 . H o w d o e s t h e a v a i l a b l e e n e r g y f r o m 6 0 m l o f w a t e r c o m p a r e w i t h t h e e n e r g y a v a i l a b l e f r o m 3 0 m l ( b o t h a t t h e s a m e t e m p e r a t u r e ) ? 3 . W h e n w e a d d a s u p p l y o f w a t e r t h a t h a s t w i c e t h e e n e r g y a n d t w i c e t h e m a s s w h y d o e s t h e t e m p e r a t u r e n o t r i s e ? R e f e r e n c i n g e x p e r i m e n t 4 s t u d e n t s s h o u l d b e a b l e t o s e e t h e r e i s n o d i f f e r e n c e i n t e m p e r a t u r e s b e t w e e n t h e w a t e r s a m p l e s . T h e r e f o r e , t h e r e i s n o h e a t fl o w a n d a s a r e s u l t o f n o h e a t fl o w , n o c h a m g e i n t e m p e r a t u r e . 3 0 5 L a b 1 0 - C a l o r i m e t e r C o n s t a n t — T e a c h e r ’ s E d i t i o n P u r p o s e : T o d e t e r m i n e t h e c a l o r i m e t e r c o n s t a n t f o r a d o u b l e c u p S t y r o f o a m c o n s t a n t p r e s s u r e c a l o r i m e t e r . B a c k g r o u n d : - T h e c a l o r i m e t e r i s a n i n s u l a t e d c o n t a i n e r t h a t c a n b e u s e d t o s t u d y c h e m i c a l a n d p h y s i c a l C h a n g e s t h a t i n v o l v e c h a n g e s i n e n e r g y . T h e s e c h a n g e s a r e a l l o w e d t o o c c u r i n s i d e t h e c a l o r i m e t e r a n d m e a s u r e m e n t s o f m a s s a n d c h a n g e s i n t e m p e r a t u r e a l l o w t h e u s e r t o c a l c u l a t e t h e h e a t e x c h a n g e t h a t o c c u r s . - T h e u s e o f t h i s d e v i c e i s b a s e d o n t h e fi r s t l a w o f t h e r m o d y n a m i c s ( L a w o f C o n s e r v a t i o n o f E n e r g y ) . B a s e d o n t h e p r i n c i p l e t h a t , “ E n e r g y c a n n e i t h e r b e c r e a t e d o r d e s t r o y e d b u t m a y b e c o n v e r t e d f r o m o n e f o r m t o a n o t h e r ” . I n o u r e x p e r i m e n t s t h e h e a t l o s t o r g a i n e d i n a p h y s i c a l o r c h e m i c a l c h a n g e w i l l b e e q u a l t o t h e h e a t l o s t o r g a i n e d b y t h e s o l u t i o n i n t h e c a l o r i m e t e r . - B e c a u s e n o s y s t e m i s p e r f e c t , s o m e o f t h e e n e r g y t r a n s f e r r e d i s a b s o r b e d o r l o s t b y t h e m a t e r i a l t h a t m a k e s u p t h e c a l o r i m e t e r . - I n t h i s i n v e s t i g a t i o n : 1 . W e w i l l m i x h o t a n d c o l d w a t e r ( k n o w m a s s ) . 2 . D e t e r m i n e t h e e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e a n d t h e c h a n g e i n t e m p e r a t u r e ( A T ) . 3 . W e w i l l c a l c u l a t e t h e e n e r g y l o s t a n d e n e r g y g a i n e d . 4 . R e l a t i o n s h i p : A Q H o t = A Q o o I d " ’ A Q c a l o r i m e t e r ( c a l . a b s o r b s s o m e o f t h e h e a t f r o m h o t w a t e r ) 5 . W e w i l l fi n d t h e e n e r g y g a i n e d o r l o s t b y t h e c a l o r i m e t e r . a . U n i t ( c a l o r i e s / ° C ) b . U n i t ( J o u l e s / ° C ) c . T h e c a l o r i m e t e r c o n s t a n t r e p r e s e n t s t h e a m o u n t o f e n e r g y a b s o r b e d o r l o s t b y t h e c a l o r i m e t e r f o r e v e r y 1 ° C c h a n g e i n t e m p e r a t u r e . 6 . T o c a l c u l a t e t h i s c o n s t a n t w e u s e t h e f o l l o w i n g f o r m u l a . C a l o r i m e t e r c o n s t a n t = A Q h p ; - A Q 9 9 1 ; ; = c a l o r i e s A T n o ; ° C W e c a n d o t h i s t r i a l , d e t e r m i n e t h e c a l o r i m e t e r c o n s t a n t a n d u s e t h e c a l c u l a t e d v a l u e i n s u b s e q u e n t e x p e r i m e n t s . 3 0 6 L a b 1 0 — C a l o r i m e t e r C o n s t a n t - T e a c h e r ’ s E d i t i o n _ E q u i p m e n t : 1 . 2 c a l o r i m e t e r s 4 . C o l d t a p w a t e r 2 . B a l a n c e 5 . W a r m t a p w a t e r 3 1 0 m l g r a d u a t e 6 . 2 t h e r m o m e t e r s o r 1 0 m l s y r i n g e 7 . P a p e r t o w e l P r o c e d u r e : 1 . L a b e l c a l o r i m e t e r s ( c o l d w a t e r - w a r m w a t e r ) 2 . F i n d t h e m a s s o f e a c h c a l o r i m e t e r . 3 . A d d 6 0 m l o f ( 7 — 1 0 ° C ) c o l d w a t e r t o p r o p e r c a l o r i m e t e r . 4 . A d d 6 0 m l o f ( 4 0 - 4 5 ° C ) h o t w a t e r t o p r o p e r c a l o r i m e t e r . 5 . F i n d t h e m a s s o f e a c h c a l o r i m e t e r a n d i t s w a t e r . 6 . M e a s u r e t h e t e m p e r a t u r e o f e a c h s a m p l e o f w a t e r . 7 . P o u r t h e c o l d w a t e r i n t o t h e w a r m w a t e r a n d r e c o r d t h e e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e ( T e q ) 8 . R e p e a t t h e e x p e r i m e n t t o v e r i f y t h e r e s u l t s . D a t a : M e a s u r e m e n t s T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 1 . M a s s o f c o l d 1 1 . 3 9 g 1 1 . 3 8 g 1 1 . 3 8 9 w a t e r c a l o r i m e t e r 2 . M a s s o f c a l + ' 1 4 2 . 1 0 9 4 1 5 2 . 9 8 9 1 5 1 . 4 9 9 c o l d w a t e r 6 1 ° C 6 7 ° C 1 2 ° C 3 . T ; c o l d w a t e r 4 . M a s s o f w a r m 1 1 . 3 8 g 1 1 . 3 7 g 1 1 . 3 7 9 w a t e r c a l o r i m e t e r 5 . M a s s o f c a l . + 1 4 3 . 2 0 9 1 5 0 . 1 7 9 1 5 4 . 3 3 9 w a r m w a t e r 4 3 . 7 ° C 4 2 8 ° C 4 2 2 ° C 6 . T ; w a r m w a t e r 7 . F i n a l t e m p 2 3 9 ° C 2 3 8 ° C 2 1 2 ° C a f t e r m i x i m T e q 3 0 7 1 I D ( “ - ' . “ 7 . 1 7 L a b 1 0 - C a l o r i m e t e r C o n s t a n t — T e a c h e r ’ s E d i t i o n _ C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n s T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 1 . M a s s o f c o l d 1 3 0 . 7 1 9 1 4 1 . 6 0 9 1 4 0 . 1 1 9 w a t e r 1 8 8 ° C 1 8 . 1 ° C 2 0 0 ° C 2 . C o l d w a t e r A T 3 . M a s s o f w a r m 1 3 1 . 8 2 9 1 3 8 . 8 9 1 4 2 . 9 6 9 w a t e r 1 9 8 ° C 1 9 0 ° C 2 1 0 ° C 4 . W a r m w a t e r A T 5 . E n e r g y g a i n e d ( Q ) b y t h e c o l d w a t e r 2 4 5 7 c a l 2 5 6 3 c a l 2 8 0 2 c a l 6 . E n e r g y l o s t ( Q ) b y 2 6 1 0 c a l 2 6 3 7 c a l 3 0 0 2 c a l t h e w a r m w a t e r 7 . A b s o l u t e d i f f e r e n c e 1 5 2 . 6 c a l 7 4 c a l 2 0 0 c a l i A Q fi m " A Q J c o l d ) 8 . C a l o r i m e t e r 7 . 7 1 c a l / ° C 3 . 9 c a l / ° C 9 . 5 c a l / ° C c o n s t a n t 9 . A v e r a g e 7 . 0 c a l / ° C c a l o r i m e t e r c o n s t a n t S a m p l e c a l c u l a t i o n s f o r t r i a l 2 ( n e x t p a g e ) 3 0 8 _ ~ . ) e w 3 ‘ L a b 1 0 — C a l o r i m e t e r C o n s t a n t - T e a c h e r ' s E d i t i o n — C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n s T r i a l 2 1 . M a s s o f c o l d w a t e r 1 5 2 . 9 8 - 1 1 . 3 8 = 1 4 1 . 6 0 g 2 . C o l d w a t e r A T 2 3 . 8 - 5 . 7 = 1 8 . 1 ° C 3 . M a s s o f w a r m w a t e r 1 5 0 . 1 7 — 1 1 . 3 7 = 1 3 8 . 8 0 9 4 . W a r m w a t e r A T 4 2 . 8 - 2 3 . 8 = 1 9 0 ° C 5 . ( Q ) E n e r g y g a i n e d b y t h e c o l d w a t e r 1 4 1 . 6 0 9 - 1 8 . 1 ° C - 1 c a l / 9 ° C = 2 5 6 5 c a l 6 . ( Q ) E n e r g y l o s t b y t h e w a r m w a t e r 1 3 8 . 8 0 9 0 1 9 0 ° C 0 1 c a l / 9 ° C = 2 6 3 7 c a l 7 . A b s o l u t e d i f f e r e n c e 1 A 0 fi r m ‘ A Q l c o l d ) ( 2 8 3 7 c a l - 2 5 8 3 c a l ) = 7 4 c a l 8 . C a l o r i m e t e r c o n s t a n t 7 4 c a I / 1 9 = 3 . 9 c a I / ° C 9 . A v e r a g e c a l o r i m e t e r _ c o n s t a n t 7 . 7 + 3 . 9 + 9 . 5 = 2 1 . 1 l 3 = 7 . 0 c a l / ° C 3 0 9 ? ? ? ” F N L a b 1 0 - C a l o r i m e t e r C o n s t a n t — T e a c h e r ’ s E d i t i o n C o n c l u s i o n : W h y d i d w e d o t h i s i n v e s t i g a t i o n ? H o w d i d c o n s t a n t s c o m p a r e l a b s t a t i o n t o l a b s t a t i o n ? W h e n w i l l w e u s e t h i s c a l c u l a t e d v a l u e ? 1 . S t u d e n t s s h o u l d b e a b l e t o m e a s u r e h o w m u c h h e a t e n e r g y c a n b e g a i n e d o r l o s t b y t h e S t y r o f o a m c u p d u r i n g t h e h e a t e x c h a n g e p r o c e s s t h a t o c c u r s w i t h i n t h e c u p . 2 . S t u d e n t s n e e d t o c h a r t t h e c l a s s v a l u e s a n d a r r i v e a t a c l a s s a v e r a g e t h a t c a n b e u s e d b y a l l s t u d e n t s i n f u t u r e e x p e r i m e n t s . ( E a c h c a l o r i m e t e r i s u n i q u e b u t t h e m a j o r i t y w i l l b e C l o s e t o t h e c l a s s a v e r a g e . 3 . S t u d e n t s n e e d t o u s e t h i s c a l o r i m e t e r c o n s t a n t t o m a k e c e r t a i n t h e i r h e a t e x c h a n g e b o o k k e e p i n g s m o r e a c c u r a t e i n f u t u r e e x p e r i m e n t s . T e a c h e r T i p s : 1 . N V a l u e s f o r t h e c a l o r i m e t e r c o n s t a n t m a y d i f f e r s i g n i fi c a n t l y . W e w i l l u s e t h e a v e r a g e o f t h r e e t r i a l s . S t y r o f o a m c u p s h a v e a f a i r l y s i g n i fi c a n t v a l u e f o r t h e c a l o r i m e t e r c o n s t a n t , s o m e t i m e s 5 - 1 0 c a l o r i e s p e r ° C . C o m p l e t e l y d r y t h e c a l o r i m e t e r b e t w e e n t r i a l s . U s e S t y r o f o a m c u p s s e p a r a t e d b y r u b b e r b a n d s ( c a l l e d a n e s t e d c u p ) . T h i s g i v e s a n a d d i t i o n a l a i r s p a c e f o r m o r e i n s u l a t i o n . U s e a d i g i t a l t h e r m o m e t e r i f p o s s i b l e . C a l o r i m e t e r s d o n o t n e e d t o b e c o v e r e d a s e q u i l i b r i u m o c c u r s q u i c k l y . 3 1 0 f . . . 5 E I L a b 1 1 - T h e M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t - T e a c h e r ’ s E d i t i o n P u r p o s e : T o d e t e r m i n e t h e m e c h a n i c a l e q u i v a l e n t o f h e a t ( 1 c a l o r i e = 4 . 1 8 7 J o u l e s ) H i s t o r y : B e n j a m i n T h o m p s o n ( C o u n t R u m f o r d ) 1 7 5 3 t o 1 8 1 4 - A t t h i s p o i n t s c i e n t i s t s ( n a t u r a l p h i l o s o p h e r s ) b e l i e v e d m e c h a n i c a l e n e r g y a n d h e a t w e r e t w o d i f f e r e n t t h i n g s . - T h o m p s o n w a s h i r e d b y t h e E l e c t o r o f B a v a r i a t o m a k e c a n n o n s . F r o m T h o m p s o n ’ s p e r s p e c t i v e t h e w o r k p u t i n t o t u r n i n g t h e d r i l l s e e m e d t o d i s a p p e a r r a t h e r t h a n b e c o m i n g s t o r e d a s E p o r E . . . T h e d r i l l a n d t h e c a n n o n g o t h o t w i t h n o a p p a r e n t s o u r c e o f h e a t . - T h o m p s o n s u g g e s t e d t h a t t h e w o r k d o n e o n t h e c a n n o n ( f o r c e a p p l i e d o v e r a d i s t a n c e ) w a s t h e s o u r c e o f t h e h e a t . T h e m e c h a n i c a l w o r k w a s c h a n g e d i n t o h e a t e n e r g y t h r o u g h t h e p r o c e s s o f f r i c t i o n . T h e r e f o r e , h e a t w a s n o t s e p a r a t e ( w o r k w a s c o n v e r t e d t o h e a t e n e r g y ) . J a m e s P . J o u l e ( 1 8 1 8 t o 1 8 8 9 — D o e s t h e q u a n t i t a t i v e w o r k t o e s t a b l i s h t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n w o r k a n d h e a t . - W i t h s o m e u n i q u e a p p a r a t u s h e w a s a b l e t o t r a n s f o r m a k n o w n a m o u n t o f w o r k i n t o a m e a s u r a b l e q u a n t i t y o f h e a t . - J o u l e s h o w e d : 0 H e a t w a s a f o r m o f e n e r g y 0 C a l o r i e s a n d J o u l e s w e r e d i f f e r e n t s i z e d u n i t s o f t h e s a m e t h i n g a n d c o u l d b e c o n v e r t e d ( 1 c a l o r i e = 4 . 1 8 7 J o u l e s ) 0 H i s i n v e s t i g a t i o n s d e t e r m i n e d t h e m e c h a n i c a l e q u i v a l e n t o f h e a t . H i s d e v i c e s d i d a k n o w a m o u n t o f w o r k a g a i n s t f r i c t i o n a n d i n t h e p r o c e s s m e a s u r e d t h e a m o u n t o f h e a t p r o d u c e d . B a c k g r o u n d — T h e o r y : I n o u r d e v i c e t w o s u r f a c e s s l i d e o v e r o n e a n o t h e r ( n y l o n r o p e o v e r c o p p e r d r u m ) 1 . A f o r c e o f f r i c t i o n ( F ; ) a r i s e s p a r a l l e l t o t h e s u r f a c e . 2 . T h e F ; m u s t b e o p p o s e d b y a n e q u a l p a r a l l e l - a p p l i e d f f o r c e i f m o t i o n a t a c o n s t a n t s p e e d ( a n g u l a r ) i s t o b e m a i n t a i n e d . 3 . T h e a p p l i e d f o r c e d o e s w o r k e q u a l t o t h e m a g n i t u d e o f t h e w e i g h t l i f t e d t i m e s t h e d i s t a n c e t h r o u g h w h i c h t h a t f o r c e m o v e s i n p u s h i n g o n e s u r f a c e o v e r t h e o t h e r . 4 . T h e w o r k d o n e i s n o t s t o r e d a s E p a n d d o e s n o t a p p e a r a s a n i n c r e a s e i n E ; o f t h e m o v i n g b o d y . 5 . T h e s l i d i n g s u r f a c e s g e t h o t ( f r i c t i o n ) a n d t h i s f r i c t i o n t r a n s f o r m s m e c h a n i c a l w o r k i n t o h e a t ( a d i f f e r e n t f o r m o f e n e r g y ) . 3 1 1 " . L a b 1 1 - T h e M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t — T e a c h e r ’ s E d i t i o n 6 . J o u l e c o l l e c t e d e v i d e n c e t h a t t h e a m o u n t o f h e a t t h a t a p p e a r s i s p r o p o r t i o n a l t o t h e w o r k d o n e a g a i n s t f r i c t i o n . 7 . T h i s e x p e r i m e n t w i l l a l l o w t h e s t u d e n t t o d o w o r k t o l i f t t h e 5 K g m a s s , w h i c h w i l l t r a n s l a t e i n t o f r i c t i o n t h a t h e a t s t h e s y s t e m a n d t h e r e f o r e a l l o w s u s t o m e a s u r e t h e h e a t p r o d u c e d . 8 . O u r d e v i c e - F o r d e m o p u r p o s e s b . A n y l o n r o p e ( c o r d ) w r a p p e d a r o u n d a C u c a l o r i m e t e r w i t h a 5 . 0 k g m a s s h a n g i n g f r o m t h e o t h e r e n d . A h a n d c r a n k t u r n s t h e d r u m a n d t h e u s e r a t t e m p t s t o h o i s t t h e 5 . 0 k g m a s s . ( H o w e v e r , t h e n y l o n r o p e s l i p s o n t h e d r u m b u t t h e r e i s e n o u g h f r i c t i o n t o s u s p e n d t h e 5 . 0 k g m a s s o f f t h e fl o o r . ) T h e f r i c t i o n b e t w e e n t h e r o p e a n d t h e d r u m p r o d u c e d b y t h e w o r k b e i n g d o n e t o t r y t o l i f t t h e 5 . 0 m g m a s s i s c o n v e r t e d t o h e a t e n e r g y , w h i c h r a i s e s t h e t e m p e r a t u r e o f t h e c u c a l o r i m e t e r a n d t h e w a t e r i n s i d e . T h e 5 . 0 k g m a s s ( 4 9 . 8 5 N ) F M = m g i s t h e f o r c e t h a t i s o v e r c o m e b y t h e c r a n k a n d i s e q u a l t o t h e f o r c e o f f r i c t i o n . T h e d i s t a n c e t h r o u g h w h i c h t h i s f o r c e a c t s i s e q u a l t o t h e d i s t a n c e m o v e d b y a n y p o i n t o n t h e d r u m . 1 . = 1 r 0 d 0 r e v . i i . W o r k = m g x d i s t a n c e ( f o r c e = w e i g h t = m g ) i i i . W o r k = ( m g ) ( n d r e v ) T h e C u c a l o r i m e t e r ( d r u m ) i s i n s u l a t e d f r o m t h e b a s e b y a p l a s t i c h o l d e r . i . T h e n y l o n c o r d i s i n t h e r m a l c o n t a c t ( f r i c t i o n a l c o n t a c t ) w i t h t h e d r u g . i i . T h e C u c a l o r i m e t e r i s fi l l e d w i t h w a t e r . i i i . A t h e r m o m e t e r i s i n s e r t e d i n t o t h e c a l o r i m e t e r t o m o n i t o r t h e t e m p e r a t u r e o f t h e w a t e r a n d C u . T h e h e a t p r o d u c e d b y t h e f r i c t i o n a l w o r k i s t r a n s f e r r e d t o t h e w a t e r a n d C u . U s i n g Q = 9 0 c o A T w e c a n c a l c u l a t e t h e h e a t p r o d u c e d f r o m t h i s f r i c t i o n a l w o r k . W h e n m e a s u r e m e n t s a r e t a k e n a n d c a l c u l a t i o n s o f w o r k d o n e a n d h e a t p r o d u c e d a r e c o m p l e t e d , fi n d t h e r a t i o H e a t p r o d u c e d ( H 2 0 a n d C u ) = W o r k d o n e 3 1 2 L a b 1 1 - T h e M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t — T e a c h e r ’ s E d i t i o n P r o c e d u r e : 1 . L a b e l t h e d i a g r a m o f t h e a p p a r a t u s ( fi n d a d i a g r a m o f t h e a p p a r a t u s i n t h e S a r g e n t - W e l c h c a t a l o g . 2 . F i n d t h e m a s s o f t h e c a l o r i m e t e r a n d s e a l i n g f e r u l e . 3 . F i l l t h e c a l o r i m e t e r w i t h d i s t i l l e d w a t e r a n d fi n d t h e m a s s . 4 . U s e a V e r n i e r c a l i p e r t o fi n d t h e d i a m e t e r o f t h e C u c a l o r i m e t e r . 5 . I n s e r t t h e t h e r m o m e t e r t h r o u g h t h e s e a l i n t o t h e d r u m a n d t i g h t e n t h e s e a l i n g f e r u l e . 6 . S e t u p t h e a p p a r a t u s . a . A n c h o r t h e d e v i c e t o t h e c o r n e r o f a t a b l e ( r i g h t f r o n t ) b . A t t a c h t h e 5 . 0 k g m a s s t o t h e e n d o f t h e n y l o n r o p e . c . H a v e t h e c a l o r i m e t e r a n d w a t e r 3 0 ° C 3 . b e l o w r o o m t e m p e r a t u r e . d . M e a s u r e t h e i n i t i a l t e m p e r a t u r e o f t h e w a t e r a n d c a l o r i m e t e r . e . C r a n k t h e h a n d l e 5 0 t u r n s a t a t i m e ( t h e 5 . 0 k g w i l l l i f t o f f t h e fl o o r ) a n d r e c o r d t h e r i s e i n t e m p e r a t u r e e v e r y 5 0 t u r n s ) . D a t a : M e a s u r e m e n t s T r i a l 1 T r i a l 2 1 . M a s s o f c a l o r i m e t e r 1 0 4 . 3 6 g 2 . M a s s o f c a l o r i m e t e r p l u s w a t e r 1 7 4 . 0 % 3 . I n i t i a l t e m p e r a t u r e o f r o o m ( T ; ) 2 7 0 ° C 4 . I n i t i a l t e m p e r a t u r e o f w a t e r + C o p p e r c a l o r i m e t e r 2 2 8 ° C 5 . T e m p e r a t u r e a f t e r 5 0 t u r n s 2 3 8 ° C 6 . T e m p e r a t u r e a f t e r 1 0 0 t u r n s 2 4 8 ° C 7 . T e m p e r a t u r e a f t e r 1 5 0 t u r n s 2 6 6 ° C 8 . T e m p e r a t u r e a f t e r 2 0 0 t u r n s 2 7 0 ° C 9 . T e m p e r a t u r e a f t e r 2 5 0 t u r n s 2 8 2 ° C C a l c u l a t i o n s : 1 . C a l c u l a t e t h e w o r k d o n e o n t h e 5 . 0 k g m a s s i n t h e a t t e m p t t o l i f t i t s o m e d i s t a n c e ( 2 5 0 t u r n s ) C a l c u l a t i o n T r i a l 1 T r i a l 2 1 . D i s t a n c e l i f t e d 3 6 . 5 8 m 2 . n g g h t l i f t e d 4 9 . 8 5 N 3 . F o r c e o f f r i c t i o n 4 9 . 8 5 N 4 . W o r k d o n e 1 7 9 4 . 2 J D o t h e s a m p l e c a l c u l a t i o n s f o r t r i a l 1 . S a m p l e C a l c u l a t i o n s : 3 1 3 L a b 1 1 - T h e M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t - T e a c h e r ’ s E d i t i o n C a l c u l a t i o n T r i a l 1 1 . D i s t a n c e l i f t e d 4 . 6 6 c m o 3 . 1 4 ~ 2 5 0 = 3 6 5 8 c m = 3 6 . 5 8 m 2 . W e i g h t l i f t e d 5 k g 0 9 8 1 m / s e o 2 = 4 9 . 8 5 N 3 . F o r c e o f f r i c t i o n 5 k $ 9 . 8 1 m l s e c z = 4 9 . 8 5 N 4 . W o r k d o n e 4 9 . 8 5 N . 3 6 . 5 8 m = 1 7 9 4 . 2 N o m = 1 7 9 4 . 2 J 2 . C a l c u l a t e t h e h e a t e n e r g y t h a t w a s p r o d u c e d b y t h e f r i c t i o n a l w o r k a n d a b s o r b e d b y t h e c o p p e r c a l o r i m e t e r a n d w a t e r . C a l c u l a t i o n T r i a l 1 T r i a l 2 1 . H e a t a b s o r b e d b y c o o p e r c a l o r i m e t e r 5 2 . 1 c a l 2 . H e a t a b s o r b e d b y w a t e r 3 7 6 . 1 c a l 3 . T o t a l h e a t a b s o r b e d 4 2 8 . 2 c a l S h o w a s a m p l e c a l c u l a t i o n f o r t r i a l 1 C a l c u l a t i o n T r i a l 1 1 . H e a t a b s o r b e d b y c o o p e r c a l o r i m e t e r 1 0 4 . 3 6 g - 5 . 4 ° C o . 0 9 2 4 c a l l g : C = 5 2 . 1 c a l 2 . H e a t a b s o r b e d b y w a t e r 6 9 . 6 4 g - 5 . 4 ° C o 1 c a l / ( ° L C = 3 7 6 . 1 c a l 3 . T o t a l h e a t a b s o r b e d 5 2 . 1 c a l + 3 7 6 . 1 c a l = 4 2 8 . 2 c a l 3 . C a l c u l a t e t h e r a t i o : C a l c u l a t i o n T r i a l 1 1 . W o r k d o n e / h e a t a b s o r b e d 1 7 9 4 J / 4 2 8 . 2 c a l = 4 . 1 9 J / c a l 3 1 4 L a b 1 1 - T h e M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t L . T e a c h e r ’ s E d i t i o n — C o n c l u s i o n : I n 1 0 - 1 5 l i n e s o r m o r e w r i t e t h e t h i n g s y o u k n o w , t h i n g s y o u t h i n k y o u k n o w a n d h a v e a b o u t t h e m e c h a n i c a l l e n t o f h e a t . 3 1 5 ‘ . N ’ P P ' P ’ P N P S P S L a b 1 2 - M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t ( S e c o n d T e c h n i q u e ) - T e a c h e r ’ s E d i t i o n P u r p o s e : T h e s t u d e n t s h o u l d b e a b l e t o m a k e a n a p p r o x i m a t e l y m e a s u r e m e n t o f t h e m e c h a n i c a l e q u i v a l e n t o f h e a t . B a c k g r o u n d : E n g l i s h P h y s i c i s t J a m e s P r e s c o t t J o u l e m e a s u r e d t h e r e l a t i o n s h i p ' b e t w e e n m e c h a n i c a l e n e r g y a n d h e a t e n e r g y i n a s e r i e s o f e x p e r i m e n t s t h a t e x t e n d e d o v e r a p e r i o d o f 3 0 y e a r s . T h i s e x p e r i m e n t u s e s s i m p l e m a t e r i a l s t o d e t e r m i n e t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n w o r k ( m e c h a n i c a l e n e r g y ) a n d h e a t . I n t h i s e x p e r i m e n t a m e a s u r e o f m a s s o f b u c k s h o t w i l l b e p l a c e d i n s i d e a c a r d b o a r d t u b e , . d r o p p e d f r o m o n e e n d t o t h e o t h e r w i t h a m e a s u r e m e n t o f t h e r e s u l t a n t ? i n c r e a s e i n t e m p e r a t u r e . W h e n t h e b u c k s h o t f a l l s t h e l e n g t h o f t h e t u b e t h e w o r k d o n e t o l i f t t h e s h o t ( E p ) i s c o n v e r t e d t o t h e e n e r g y o f m o t i o n E ; I t h a t i s t h e n c o n v e r t e d t o h e a t e n e r g y t h r o u g h f r i c t i o n . B e c a u s e o f t h e i n s u l a t i n g p r o p e r t i e s o f c o r k a n d c a r d b o a r d t h e h e a t e n e r g y i s c o n fi n e d m o s t l y t o t h e b u c k s h o t a n d a s a c o n s e q u e n c e i t s t e m p e r a t u r e w i l l g o u p . E q u i p m e n t : H e a v y c a r d b o a r d t u b e , 1 . 0 m l o n g a n d 4 . 0 c m i n d i a m e t e r . 2 c o r k s t o p p e r s - l a r g e . 1 . 0 k g b u c k s h o t . S t y r o f o a m c u p a n d l i d . L a r g e m e t a l p a n . I c e c u b e s . T h e r m o m e t e r . M e t e r s t i c k . P l a t f o r m b a l a n c e . 3 1 6 L a b 1 2 - M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t ( S e c o n d T e c h n i q u e ) — T e a c h e r ’ s E d i t i o n P r o c e d u r e : 1 . M e a s u r e t h e m a s s o f t h e b u c k s h o t . a . P l a c e b u c k s h o t i n m e t a l p a n . b . C o o l t o 2 1 - 2 3 ° C b y p l a c i n g t h e p a n o n i c e c u b e s ( c o o l f o r a b o u t 1 m i n u t e ) . c . N e e d t o k e e p b u c k s h o t d r y d u r i n g e n t i r e e x p e r i m e n t ( c o o l i n g m a y c a u s e w a t e r t o c o n d e n s e o n t h e s h o t ) . P o u r b u c k s h o t i n t o a S t y r o f o a m c u p . a . M e a s u r e t e m p e r a t u r e o f b u c k s h o t 3 t i m e s . b . S h a k e b u c k s h o t b e t w e e n r e a d i n g s . 0 . T a k e a v e r a g e o f 3 r e a d i n g s . C l o s e o n e e n d o f t h e t u b e w i t h a c o r k s t o p p e r a n d p o u r t h e b u c k s h o t i n t o t h e o t h e r e n d ( c l o s e o t h e r e n d w i t h 2 " d s t o p p e r ) . a . I n v e r t t h e t u b e 1 0 0 t i m e s o r m o r e i n q u i c k s u c c e s s i o n . b . D o n o t r a i s e o r l o w e r t h e t u b e a s i t i s i n v e r t e d . c . I n v e r t t h e t u b e f a s t e n o u g h s o t h e b u c k s h o t f a l l s t h e e n t i r e l e n g t h o f t h e t u b e . ( I . W i t h e a c h i n v e r s i o n t h e e n d o f t h e t u b e s h o u l d r e s t o n t h e fl o o r o r t h e t o p o f t h e l a b t a b l e a s t h e b u c k s h o t h i t s t h e b o t t o m o f t h e t u b e . A f t e r t h e fi n a l i n v e r s i o n o f t h e t u b e : a . F o u r b u c k s h o t b a c k i n t o t h e S t y r o f o a m c u p . b . M e a s u r e t h e t e m p e r a t u r e 3 t i m e s ( s h a k e b e t w e e n r e a d i n g s ) . 0 . R e c o r d t h e a v e r a g e . W e n e e d t h e a v e r a g e d i s t a n c e t h e b u c k s h o t f a l l s . a . P o u r i t b a c k i n t o t h e t u b e . b . M e a s u r e f r o m t o p o f b u c k s h o t t o t h e b o t t o m o f t h e c o r k s t o p p e r t h a t i s p l a c e d i n t h e o t h e r e n d . D o 2 m o r e t r i a l s a n d r e c o r d a l l d a t a ( u s e d i f f e r e n t b u c k s h o t f o r e a c h t r i a l ) . 3 1 7 L a b 1 2 - M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t ( S e c o n d T e c h n i q u e ) - T e a c h e r ’ s E d i t i o n D a t a : T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 M a s s o f b u c k s h o t 1 0 0 0 g 6 5 3 g 6 5 3 9 A v e r a g e d i s t a n c e o f s i n Q e f a l l 1 . 2 0 m 1 . 2 4 m 1 . 2 4 m N u m b e r o f f a l l s 1 0 0 1 0 0 1 0 0 A v e r a g e i n i t i a l t e m p e r a t u r e 2 1 . 0 ° C 2 1 . 7 ° C 2 3 8 ° C A v e r g g e fi n a l t e m p e r a t u r e 3 0 0 ° C 3 1 0 ° C 3 2 2 ° C C a l c u l a t i o n s : T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 T o t a l p o t e n t i a l e n e r g y o f 1 1 7 7 j 7 9 4 j 7 9 4 j b u c k s h o t T e m p e r a t u r e C h a n g e 9 0 ° C 1 0 8 ° C 9 4 ° C S p e c i fi c h e a t o f b u c k s h o t . 0 3 0 5 C a l l g ° C . 0 3 0 5 C a l l g ° C . 0 3 0 5 C a l l g ° C C a l o r i e s g a i n e d b y b u c k s h o t 2 7 4 . 5 c a l 2 0 5 . 1 c a l 1 9 8 . 7 c a l M e c h a n i c a l e q u i v a l e n t o f h e a t , e x p e r i m e n t a l 4 . 2 9 c h a l 3 . 8 7 c h a l 4 . 0 0 c h a l M e c h a n i c a l e q u i v a l e n t o f h e a t , a c c e p t e d v a l u e 4 . 1 8 c h a l 4 . 1 8 J / c a l 4 . 1 8 J / c a l % e r r o r 2 . 6 % 7 . 3 % 4 . 3 % 3 1 8 L a b 1 2 - M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t ( S e c o n d T e c h n i q u e ) — T e a c h e r ’ s E d i t i o n C A L C U L A T I O N S S h o w t h e c a l c u l a t i o n s f o r T r i a l 1 i n t h e s p a c e s p r o v i d e d b e l o w . E n t e r t h e r e s u l t s o f t h e c a l c u l a t i o n s f o r a l l t r i a l s i n t h e c a l c u l a t i o n s t a b l e . C a l c u l a t i o n s : T r i a l 1 w = m g h = 1 . 0 k g 0 9 . 8 1 m / s e c z o 1 . 2 m o 1 0 0 T o t a l p o t e n t i a l e n e r g y o f = 1 1 7 7 j b u c k s h o t T e m p e r a t u r e c h a n g e 3 0 0 ° C - 2 1 0 ° C = 9 ° C S p e c i fi c h e a t o f b u c k s h o t . 0 3 0 5 C a l l g ° C C a l o r i e s g a i n e d b y b u c k s h o t 1 0 0 0 g a 9 0 ° C 0 . 0 3 0 5 C a l l g ° C = 2 7 4 . 5 c a l M e c h a n i c a l e q u i v a l e n t o f h e a t , e x p e r i m e n t a l 1 1 7 7 j / 2 7 4 . 5 c a l = 4 . 2 9 j l c a l M e c h a n i c a l e q u i v a l e n t o f h e a t , a c c e p t e d v a l u e 4 . 1 8 j l c a l % e r r o r . 1 1 j l c a l / 4 . 1 8 j / c a l = . 0 2 6 o 1 0 0 = 2 . 6 % 3 1 9 fl k fi fl u fl fi fl i fi fi P ' ‘ . . ‘ . J . . I 9 L a b 1 2 — M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t ( S e c o n d T e c h n i q u e ) — T e a c h e r ’ s E d i t i o n _ C o n c l u s i o n : 1 . W r i t e d o w n t w o t h i n g s y o u f o u n d i n t e r e s t i n g a b o u t t h i s i n v e s t i g a t i o n . 2 . W h a t w e r e t w o o r m o r e t h i n g s y o u f o u n d a b i t c o n f u s i n g ? 3 . W h a t p a r t o f t h i s e x p e r i m e n t w o u l d b e d i f fi c u l t t o e x p l a i n t o s o m e o n e e l s e ? W h y ? 4 . B a s e d o n a n s w e r s t o 1 , 2 a n d 3 , w h a t t h i n g s d o y o u k n o w , w h a t d o y o u t h i n k y o u k n o w a n d w h a t q u e s t i o n s d o y o u h a v e ? T h i s t y p e o f c o n c l u s i o n i s h a r d e r t o g r a d e , h o w e v e r i t w i l l h o p e f u l l y g i v e t h e t e a c h e r m o r e i n s i g h t w i t h r e s p e c t t o t h e i r s t u d e n t s ’ u n d e r s t a n d i n g o f t h e m e c h a n i c a l p r o c e s s . R e a d a n d c a t a l o g t h e i r r e s p o n s e s a n d p o s s i b l y d o a s e c o n d d e m o n s t r a t i o n t h a t a d d r e s s e s t h e i r c o n c e r n s . ( T e a c h e r s c o u l d m a k e a l i s t o f s t u d e n p p e r c e p t i o n p r o b l e m s o n t h e b o a r d i m m e d i a t e l y a f t e r t h e d e m o a n d a d d r e s s t h o s e p r o b l e m s w i t h a s e c o n d o r p o s s i b l y t h i r d t r i a l . H a v e t h e s t u d e n t s d o t h e p h y s i c a l w o r k i n v o l v i n g t h e i n v e r s i o n o f t h e t u b e . T h i s p r o c e s s s h o u l d m a k e n e x t y e a r ’ s p r e s e n t a t i o n m u c h e a s i e r f o r t h e t e a c h e n 3 2 0 i 4 ! . 3 8 L a b 1 2 - M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t ( S e c o n d T e c h n i q u e ) - T e a c h e r ’ s E d i t i o n _ P u r p o s e : T h e s t u d e n t s h o u l d b e a b l e t o m a k e a n a p p r o x i m a t e l y m e a s u r e m e n t o f t h e m e c h a n i c a l e q u i v a l e n t o f h e a t . B a c k g r o u n d : E n g l i s h P h y s i c i s t J a m e s P r e s c o t t J o u l e m e a s u r e d t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n m e c h a n i c a l e n e r g y a n d h e a t e n e r g y i n a s e r i e s o f e x p e r i m e n t s t h a t e x t e n d e d o v e r a p e r i o d o f 3 0 y e a r s . T h i s e x p e r i m e n t u s e s s i m p l e m a t e r i a l s t o d e t e r m i n e t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n w o r k ( m e c h a n i c a l e n e r g y ) a n d h e a t . I n t h i s e x p e r i m e n t a m e a s u r e o f m a s s o f b u c k s h o t w i l l b e p l a c e d i n s i d e a c a r d b o a r d t u b e d r o p p e d f r o m o n e e n d t o t h e o t h e r w i t h a m e a s u r e m e n t o f t h e r e s u l t a n t i n c r e a s e i n t e m p e r a t u r e . W h e n t h e b u c k s h o t f a l l s t h e l e n g t h o f t h e t u b e t h e w o r k d o n e t o l i f t t h e s h o t ( E p ) i s c o n v e r t e d t o t h e e n e r g y o f m o t i o n E ; t h a t i s t h e n c o n v e r t e d t o h e a t e n e r g y t h r o u g h f r i c t i o n . B e c a u s e o f t h e i n s u l a t i n g p r o p e r t i e s o f c o r k a n d c a r d b o a r d t h e h e a t e n e r g y i s c o n fi n e d m o s t l y t o t h e b u c k s h o t a n d a s a c o n s e q u e n c e i t s t e m p e r a t u r e w i l l g o u p . E q u i p m e n t : . H e a v y c a r d b o a r d t u b e , 1 . 0 m l o n g a n d 4 . 0 c m i n d i a m e t e r . 2 c o r k s t o p p e r s — l a r g e . 1 . 0 k g b u c k s h o t . S t y r o f o a m c u p a n d l i d . L a r g e m e t a l p a n . I c e c u b e s . T h e r m o m e t e r . M e t e r s t i c k . P l a t f o r m b a l a n c e . P W N P ’ P ‘ P P ’ N ‘ 3 2 1 L a b 1 2 - M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t ( S e c o n d T e c h n i q u e ) — T e a c h e r ’ s E d i t i o n P r o c e d u r e : 1 . M e a s u r e t h e m a s s o f t h e b u c k s h o t . a . P l a c e b u c k s h o t i n m e t a l p a n . b . C o o l t o 2 1 - 2 3 ° C b y p l a c i n g t h e p a n o n i c e c u b e s ( c o o l f o r - a b o u t 1 m i n u t e ) . c . N e e d t o k e e p b u c k s h o t d r y d u r i n g e n t i r e e x p e r i m e n t ( c o o l i n g m a y c a u s e w a t e r t o c o n d e n s e o n t h e s h o t ) . P o u r b u c k s h o t i n t o a S t y r o f o a m c u p . a . M e a s u r e t e m p e r a t u r e o f b u c k s h o t 3 t i m e s . b . S h a k e b u c k s h o t b e t w e e n r e a d i n g s . c . T a k e a v e r a g e o f 3 r e a d i n g s . C l o s e o n e e n d o f t h e t u b e w i t h a c o r k s t o p p e r a n d p o u r t h e b u c k s h o t i n t o t h e o t h e r e n d ( c l o s e o t h e r e n d w i t h 2 " d s t o p p e r ) . a . I n v e r t t h e t u b e 1 0 0 t i m e s o r m o r e i n q u i c k s u c c e s s i o n . b . D o n o t r a i s e o r l o w e r t h e t u b e a s i t i s i n v e r t e d . c . I n v e r t t h e t u b e f a s t e n o u g h s o t h e b u c k s h o t f a l l s t h e e n t i r e l e n g t h o f t h e t u b e . d . W i t h e a c h i n v e r s i o n t h e e n d o f t h e t u b e s h o u l d r e s t o n t h e fl o o r o r t h e t o p o f t h e l a b t a b l e a s t h e b u c k s h o t h i t s t h e b o t t o m o f t h e t u b e . A f t e r t h e fi n a l i n v e r s i o n o f t h e t u b e : a . F o u r b u c k s h o t b a c k i n t o t h e S t y r o f o a m c u p . b . M e a s u r e t h e t e m p e r a t u r e 3 t i m e s ( s h a k e b e t w e e n r e a d i n g s ) . c . R e c o r d t h e a v e r a g e . W e n e e d t h e a v e r a g e d i s t a n c e t h e b u c k s h o t f a l l s . a . P o u r i t b a c k i n t o t h e t u b e . b . M e a s u r e f r o m t o p o f b u c k s h o t t o t h e b o t t o m o f t h e c o r k s t o p p e r t h a t i s p l a c e d i n t h e o t h e r e n d . D o 2 m o r e t r i a l s a n d r e c o r d a l l d a t a ( u s e d i f f e r e n t b u c k s h o t f o r e a c h t r i a l ) . 3 2 2 L a b 1 2 - M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t ( S e c o n d T e c h n i q u e ) - T e a c h e r ’ s E d i t i o n — D a t a : T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 M a s s o f b u c k s h o t 1 0 0 0 9 6 5 3 g 6 5 3 L A v e r a g g e d i s t a n c e o f s i n g l i f a l l 1 . 2 0 m 1 . 2 4 m 1 . 2 4 m N u m b e r o f f a l l s 1 0 0 1 0 0 1 0 0 A v e r a g e i n i t i a l t e m p e r a t u r e 2 1 0 ° C 2 1 . 7 ° C 2 3 8 ° C A v e r a g e fi n a l t e m p e r a t u r e 3 0 0 ° C 3 1 0 ° C 3 2 2 ° C C a l c u l a t i o n s : T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 T o t a l p o t e n t i a l e n e r g y o f 1 1 7 7 j . 7 9 4 j 7 9 4 j b u c k s h o t T e m p e r a t u r e c h a n g e 9 0 ° C 1 0 . 3 ° C 9 . 4 ° C S p e c i fi c h e a t o f b u c k s h o t . 0 3 0 5 C a l l g ° C . 0 3 0 5 C a l l g ° C . 0 3 0 5 C a l l g ° C C a l o r i e g g a i n e d b y b u c k s h o t 2 7 4 . 5 c a l 2 0 5 . 1 c a l 1 9 8 . 7 c a l M e c h a n i c a l e q u i v a l e n t o f h e a t , e x p e r i m e n t a l 4 . 2 9 c h a l 3 . 8 7 J / c a l 4 . 0 0 J / c a l M e c h a n i c a l e q u i v a l e n t o f h e a t , a c c e p t e d v a l u e 4 . 1 8 J / c a l 4 . 1 8 J / c a l 4 . 1 8 J / c a l % e r r o r 2 . 6 % 7 . 3 % 4 . 3 % 3 2 3 L a b 1 2 - M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t ( S e c o n d T e c h n i q u e ) - T e a c h e r ’ s E d i t i o n C A L C U L A T I O N S S h o w t h e c a l c u l a t i o n s f o r T r i a l 1 i n t h e s p a c e s p r o v i d e d b e l o w . E n t e r t h e r e s u l t s o f t h e c a l c u l a t i o n s f o r a l l t r i a l s i n t h e c a l c u l a t i o n s t a b l e . C a l c u l a t i o n s : T r i a l 1 w = m g h = 1 . 0 k g - 9 . 8 1 m / s e c z o 1 . 2 m - 1 0 0 T o t a l p o t e n t i a l e n e r g y o f = 1 1 7 7 ] b u c k s h o t T e m p e r a t u r e c h a n g e 3 0 0 ° C — 2 1 . 0 ° C = 9 ° C S p e c i fi c h e a t o f b u c k s h o t . 0 3 0 5 0 a fl ° C C a l o r i e s g a i n e d b y b u c k s h o t 1 0 0 0 g a 9 0 ° C 0 . 0 3 0 5 C a l l g ° C = 2 7 4 . 5 c a l M e c h a n i c a l e q u i v a l e n t o f h e a t , e x p e r i m e n t a l 1 1 7 7 j / 2 7 4 . 5 c a l = 4 . 2 9 j l c a l M e c h a n i c a l e q u i v a l e n t o f h e a t , a c c e p t e d v a l u e 4 . 1 8 j l c a l % e r r o r . 1 1 j l c a l / 4 . 1 8 j l c a l = . 0 2 6 o 1 0 0 = 2 . 6 % 3 2 4 L a b 1 2 - M e c h a n i c a l E q u i v a l e n t o f H e a t ( S e c o n d T e c h n i q u e ) — T e a c h e r ’ s E d i t i o n — C o n c l u s i o n : 1 . W r i t e d o w n t w o t h i n g s y o u f o u n d i n t e r e s t i n g a b o u t t h i s i n v e s t i g a t i o n . 2 . W h a t w e r e t w o o r m o r e t h i n g s y o u f o u n d a b i t c o n f u s i n g ? 3 . W h a t p a r t o f t h i s e x p e r i m e n t w o u l d b e d i f fi c u l t t o e x p l a i n t o s o m e o n e e l s e ? W h y ? 4 . B a s e d o n a n s w e r s t o 1 , 2 a n d 3 , w h a t t h i n g s d o y o u k n o w , w h a t d o y o u t h i n k y o u k n o w a n d w h a t q u e s t i o n s d o y o u h a v e ? T h i s t y p e o f c o n c l u s i o n i s h a r d e r t o g r a d e , h o w e v e r i t w i l l h o p e f u l l y g i v e t h e t e a c h e r m o r e i n s i g h t w i t h r e s p e c t t o t h e i r s t u d e n t s ’ u n d e r s t a n d i n g o f t h e m e c h a n i c a l p r o c e s s . R e a d a n d c a t a l o g t h e i r r e s p o n s e s a n d p o s s i b l y d o a s e c o n d d e m o n s t r a t i o n t h a t a d d r e s s e s t h e i r c o n c e r n s . ( T e a c h e r s c o u l d m a k e a l i s t o f s t u d e n t p e r c e p t i o n p r o b l e m s o n t h e b o a r d i m m e d i a t e l y a f t e r t h e d e m o a n d a d d r e s s t h o s e p r o b l e m s w i t h a s e c o n d o r p o s s i b l y t h i r d t r i a l . H a v e t h e s t u d e n t s d o t h e p h y s i c a l w o r k i n v o l v i n g t h e i n v e r s i o n o f t h e t u b e . T h i s p r o c e s s s h o u l d m a k e n e x t y e a r ’ s p r e s e n t a t i o n m u c h e a s i e r f o r t h e t e a c h e r . 3 2 5 ‘ . N W L a b 1 3 - S p e c i fi c H e a t o f a M e t a l - T e a c h e r ’ s E d i t i o n P u r p o s e : T o e x p e r i m e n t a l l y d e t e r m i n e t h e s p e c i fi c h e a t o f c o p p e r a n d a l u m i n u m a n d t h e n u s e t h e p r o c e d u r e t o d e t e r m i n e t h e s p e c i fi c h e a t o f a n u n k n o w n m e t a l a n d i d e n t i f y t h e m e t a l f r o m t h i s v a l u e . B a c k g r o u n d : S p e c i fi c h e a t c i s d e fi n e d a s t h e a m o u n t o f h e a t e n e r g y ( J o u l e s o r c a l o r i e s ) n e e d e d t o r a i s e 1 g r a m o f a s u b s t a n c e 1 ° C . T h i s v a l u e i s a c h a r a c t e r i s t i c p r o p e r t y o f a s u b s t a n c e a n d i f c a r e f u l l y m e a s u r e d c a n b e u s e d t o i d e n t i f y t h a t s u b s t a n c e . I n t h i s i n v e s t i g a t i o n : 1 . V a r i o u s m e t a l s w i l l b e h e a t e d t o b e t w e e n 9 5 a n d 9 8 ° C u s i n g s t e a m . 2 . T h e s e m e t a l s w i l l t h e n b e p l a c e d i n a p r e p a r e d c a l o r i m e t e r w h e r e t h e m e t a l w i l l l o s e i t s e n e r g y t o t h e w a t e r a n d c a l o r i m e t e r . 3 . U s i n g t h e m e t h o d o f m i x t u r e s , s t u d e n t s w i l l b a s e c a l c u l a t i o n s o n h e a t l o s t ( b y t h e m e t a l ) , w i l l e q u a l h e a t g a i n e d b y t h e w a t e r a n d c a l o r i m e t e r . 4 . W r t h c a r e f u l m e a s u r i n g a n d a t t e n t i o n t o d e t a i l , s t u d e n t s w i l l b e a b l e t o c a l c u l a t e t h e s p e c i fi c h e a t o f t h e m e t a l . Q = g 0 A T 0 c ( s p e c i fi c h e a t ) P r o c e d u r e : ( U s i n g t h e s t e a m b o i l e r ) — M a k e u p d i a g r a m s f r o m c l a s s d e m o . P " “ 9 9 " ? 1 9 9 ‘ F i n d t h e m a s s o f t h e m e t a l u s e d . M e a s u r e t h e T ; o f t h e m e t a l — ( a f t e r i t h a s b e e n h e a t e d ) . M e a s u r e t h e m a s s o f t h e c a l o r i m e t e r c u p ( u s e S t y r o f o a m o r a l u m i n u m ) . M e a s u r e t h e m a s s o f t h e c a l o r i m e t e r c u p a n d w a t e r ( 1 / 2 t o 2 / 3 s f u l l o f w a t e r ) . F i n d t h e i n i t i a l t e m p e r a t u r e o f t h e w a t e r . F i n d t h e e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e a f t e r t h e h o t m e t a l i s p o u r e d i n t o t h e w a t e r a n d t h e s y s t e m i s a l l o w e d t o c o m e t o a s t e a d y s t a t e . C a l c u l a t e t h e h e a t g a i n e d b y t h e w a t e r . C a l c u l a t e t h e h e a t g a i n e d b y t h e c a l o r i m e t e r . W r i t e a n e q u a t i o n f o r t h e h e a t l o s t b y t h e m e t a l . H e a t g a i n e d b y t h e w a t e r + h e a t g a i n e d b y c a l o r i m e t e r = h e a t l o s t b y c o o l i n g m e t a l . 3 2 6 L a b 1 3 - S p e c i fi c H e a t o f a M e t a l - T e a c h e r ’ s E d i t i o n — D a t a : M e a s u r e m e n t A l C u X 1 . M a s s o f h e a t i n g c u p 2 2 . 5 4 g 2 . M a s s o f o r g ) + m e t a l ‘ 1 5 3 . 5 0 L 3 . T ; - m e t a l ( a f t e r i t i s h e a t e d ) 9 4 8 ° C 4 . M a s s o f c a l o r i m e t e r c u p 1 1 . 4 6 g 5 . M a s s o f c a l o r i m e t e r c u p + w a t e r 1 2 5 . 7 2 9 6 . T ; - H 2 0 i n c a l o r i m e t e r 2 6 1 ° C 7 . T e q - C u p , H 2 0 a n d m e t a l 3 1 . 9 ° C C a l c u l a t i o n s : C u 1 . M a s s o f m e t a l 1 3 0 . 9 6 g 2 . A T — m e t a l ( I ' ; - T e q ) 6 2 7 ° C 3 . E q u a t i o n f o r h e a t l o s t b y t h e m e t a l 1 3 0 . 9 % 0 6 2 7 ° C 0 c = 8 2 1 1 g 0 ° C 0 c 4 . M a s s o f H 2 0 1 1 4 . 2 6 9 5 . A T f o r H 2 0 , 6 8 ° C 6 . H e a t g a i n e d b y H 2 0 — ( Q = g o A T a c ) 1 1 4 . 2 6 9 o 6 8 ° C a 1 c a I / g ° C = 7 7 7 c a l 7 . A T f o r c a l . C u p ( T e q — T ; ) 6 . 8 ° C 8 . H e a t g a i n e d b y c a l . C u p ( c a l c o n s t a n t c A T ) 4 7 . 6 c a l 9 . T o t a l h e a t g a i n e d 8 2 4 . 6 c a l 1 0 . S o l v e f o r c f o r t h e m e t a l . . 1 0 0 4 c a I / g ° C 1 1 . % e r r o r 6 . 2 % 3 2 7 L a b 1 3 — S p e c i fi c H e a t o f a M e t a l - T e a c h e r ’ s E d i t i o n % e r r o r = | K V = E V | o 1 0 0 K V D o s a m p l e c a l c u l a t i o n s f o r c o p p e r o n n e x t p a g e . C a l c u l a t i o n s : C u 1 5 3 . 5 0 9 - 2 2 . 5 4 g = 1 3 0 . 9 6 9 1 . M a s s o f m e t a l 9 4 6 ° C — 3 1 . 9 ° C = 6 2 . 7 ° C 2 . A T - m e t a l ( I ' ; - T e q ) 3 . E q u a t i o n f o r h e a t l o s t b y 1 3 0 . 9 6 9 o 6 2 . 7 ° C a c = 8 2 1 1 g 0 ° C 0 c t h e m e t a l 1 2 5 . 7 2 9 - 1 1 . 4 6 g = 1 1 4 . 2 6 g 4 . M a s s o f H 2 0 3 1 . 9 ° C - 2 5 1 ° C = 6 8 ° C 5 . A T f o r H 2 0 6 . H e a t g a i n e d b y H 2 0 — 1 1 4 . 2 6 9 - 6 8 ° C a 1 c a l / g - ° C = 7 7 7 c a l Q = Q O A T 0 c ) - 3 1 . 9 ° C — 2 5 1 ° C = 6 8 ° C 7 . A T f o r c a l . C u p ( T e q - T i ) 8 . H e a t g a i n e d b y c a l . C u p 7 c a l / ° C o 6 . 8 ° C = 4 7 . 6 c a l c a l c o n s t a n t 0 A T ) 7 7 7 c a l + 4 7 . 6 c a l = 8 2 4 . 6 c a l 9 . T o t a l h e a i g a i n e d 8 2 1 1 c = 8 2 4 . 6 c a l 1 0 . S o l v e f o r c f o r t h e m e t a l . c = 8 2 4 . 6 c a l / 8 2 1 1 = . 1 0 0 4 c a l / 9 ° C . 1 0 0 4 - . 0 9 4 6 I . 0 9 4 6 = . 0 6 2 o 1 0 0 = 6 . 2 % 1 1 . % e r r o r 3 2 8 ” ! ? ” 9 ’ 9 L a b 1 3 - S p e c i fi c H e a t o f a M e t a l - T e a c h e r ’ s E d i t i o n C o n c l u s i o n : 1 . W h a t h a p p e n s t o t h e t h e r m a l e n e r g y o f t h e m e t a l w h e n i t i s p l a c e d i n t h e w a t e r a n d c a l o r i m e t e r ? 2 . W h a t d o w e a s s u m e o c c u r s d u r i n g t h e p r o c e s s d i s c u s s e d i n q u e s t i o n 1 ? H o w m u c h e n e r g y w a s l o s t b y t h e m e t a l ? H o w m u c h e n e r g y w a s g a i n e d b y t h e w a t e r a n d c a l o r i m e t e r ? H o w d o e s t h e c a l c u l a t e d 0 c o m p a r e t o t h e k n o w n v a l u e ? A r e t h e r e a n y p o s s i b l e s o u r c e s o f e r r o r i n t h i s p r o c e s s ? 1 . T h e t h e r m a l e n e g y f r o m a m e t a l i s l o s t t o t h e w a t e r a n d c a l o r i m e t e r . T h e s y s t e m a d j u s t s t o a n e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e . 2 . H e a t l o s t b y t h e m e t a l e q u a l s t h e h e a t g a i n e d b y t h e w a t e r a n d c a l o r i m e t e r . 3 . 8 2 1 1 o c c a l o r i e s . 4 . 8 2 4 . 6 c a l 5 . . 1 0 0 4 t o . 0 9 2 4 6 . 2 % e r r o r 6 . E r r o r s o u r c e s — l a g t i m e t r a n s f e r r i n g t o m e t a l . N o t e n o u g h w a t e r i n c a l o r i m e t e r t o c o v e r m e t a l . N e e d t o w a i t f o r e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e . C a l o r i m e t e r c o n s t a n t m a y b e t o o h i g h . Y o u r c l a s s a v e r a g g m a y b e l e s s t h a n 7 c a l / ° C a n d a n y t h i n g e l s e t h a t c o m e s t o m i n d . 3 2 9 L a b 1 4 - S p e c i fi c H e a t o f a M e t a l ( I I ) — T e a c h e r ’ s E d i t i o n _ P u r p o s e : 1 . 2 . B a c k g r o u n d : P r o c e d u r e : 1 . 2 . 3 . I n t h i s e x p e r i m e n t w e w i l l u s e a p r o c e d u r e s i m i l a r t o t h e fi r s t e x p e r i m e n t t o m e a s u r e c f o r 5 d i f f e r e n t m e t a l s . U s i n g a s t r e a m l i n e d p r o c e s s , s t u d e n t s w i l l m e a s u r e c f o r C u , Z n , F e , A I a n d S n a n d c o m p a r e t h e i r c a l c u l a t i o n s w i t h t h e k n o w n v a l u e . - S p e c i fi c h e a t c i s d e fi n e d a s t h e a m o u n t o f h e a t e n e r g y ( J o u l e s o r c a l o r i e s ) n e e d e d t o r a i s e 1 ' g r a m o f a s u b s t a n c e 1 ° C . T h i s v a l u e i s a c h a r a c t e r i s t i c p r o p e r t y o f a s u b s t a n c e a n d i f c a r e f u l l y m e a s u r e d c a n b e u s e d t o i d e n t i f y t h a t s u b s t a n c e . - I n t h i s i n v e s t i g a t i o n : 1 . V a r i o u s m e t a l s w i l l b e h e a t e d t o b e t w e e n 9 5 a n d 9 8 ° C u s i n g h o t w a t e r . 2 . T h e s e m e t a l s w i l l t h e n b e p l a c e d i n a p r e p a r e d c a l o r i m e t e r w h e r e t h e m e t a l w i l l l o s e i t s e n e r g y t o t h e w a t e r a n d c a l o r i m e t e r . 3 . U s i n g t h e m e t h o d o f m i x t u r e s , s t u d e n t s w i l l b a s e c a l c u l a t i o n s o n h e a t l o s t ( b y t h e m e t a l ) , w i l l e q u a l h e a t g a i n e d b y t h e w a t e r a n d c a l o r i m e t e r . 4 . W i t h c a r e f u l m e a s u r i n g a n d a t t e n t i o n t o d e t a i l , s t u d e n t s w i l l b e a b l e t o c a l c u l a t e t h e s p e c i fi c h e a t o f t h e m e t a l . Q = g 0 A T 0 c ( s p e c i fi c h e a t ) F i n d t h e m a s s o f t h e i n d i v i d u a l s a m p l e s o f m e t a l . H e a t t h e m e t a l s a m p l e s i n a 4 0 0 m l t a l l b e a k e r u n t i l t h e y a r e a t t h e t e m p e r a t u r e o f t h e b o i l i n g w a t e r ( 9 7 - 9 9 ° C ) . P r e p a r e 5 c a l o r i m e t e r s e a c h w i t h e n o u g h w a t e r t o c o v e r t h e m e t a l s a m p l e s w h e n t h e y a r e p l a c e d i n t h e c a l o r i m e t e r . ( A l u m i n u m w i l l p r e s e n t t h e m o s t p r o b l e m - m a y n e e d t o u s e a l a r g e r c a l o r i m e t e r . ) A s s u m e a l l t h e m e t a l s a m p l e s a r e a t t h e t e m p e r a t u r e o f t h e b o i l i n g w a t e r b e f o r e t h e y a r e p l a c e d i n t h e c a l o r i m e t e r . M e a s u r e t h e i n i t i a l t e m p e r a t u r e o f t h e w a t e r i n e a c h c a l o r i m e t e r j u s t b e f o r e t h e m e t a l i s a d d e d . A d d t h e h o t m e t a l ( 9 7 - 9 9 ° C ) t o t h e p r e p a r e d c a l o r i m e t e r . A l l o w t h e s y s t e m t o r e a c h t h e r m a l e q u i l i b r i u m a n d r e c o r d t h e e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e f o r e a c h o f t h e fi v e s y s t e m s ( T e q ) . C a l c u l a t e t h e h e a t g a i n e d b y t h e w a t e r . C a l c u l a t e t h e h e a t g a i n e d b y t h e c a l o r i m e t e r . 3 3 0 L a b 1 4 — S p e c i fi c H e a t o f a M e t a l ( l l ) — T e a c h e r ’ s E d i t i o n 9 . W r i t e a n e q u a t i o n f o r t h e h e a t l o s t b y e a c h m e t a l t h a t c o n t a i n s t h e u n k n o w n s p e c i fi c h e a t ( c ) . 1 0 . U s i n g h e a t l o s t = h e a t g a i n e d , s o l v e f o r t h e s p e c i fi c h e a t o f e a c h m e t a l . D a t a ( S p e c i fi c H e a t o f F i v e S a m p l e s ) : M e t a l U s e d A l C u Z n S n F e M e a s u r e m e n t T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 T r i a l 4 T r i a l 5 3 1 . 9 7 g 3 2 . 0 8 g 3 1 . 9 8 g 3 1 . 9 1 g 3 2 . 0 5 g 1 . M a s s o f m e t a l 2 . T ; - m e t a l ( t e m p e r a t u r e o f 9 9 0 ° C 9 9 0 ° C 9 9 0 ° C 9 9 2 ° C 9 9 5 ° C b o i l i n g w a t e r ) 3 . M a s s o f 1 1 . 2 5 9 1 1 . 4 7 9 1 1 . 3 9 9 1 0 . 8 8 9 1 1 . 1 0 9 c a l o r i m e t e r c u p 4 . M a s s o f 1 5 1 . 9 0 7 0 . 3 2 g 8 3 . 1 1 g 6 9 . 4 4 g 8 9 . 2 0 g c a l o r i m e t e r c u p + H 2 9 0 2 4 8 ° C 2 4 . 7 ° C 2 4 . 7 ° C 2 4 . 7 ° C 2 4 . 7 ° C 5 . T ; - H 2 0 6 . T e q - H 2 0 a n d 2 7 . 9 ° C 2 8 . 3 ° C 2 7 . 6 ° C 2 6 8 ° C 2 8 2 ° C m e t a l 3 3 1 L a b 1 4 - S p e c i fi c H e a t o f a M e t a l ( l l ) — T e a c h e r ' s E d i t i o n C a l c u l a t i o n s ( P r o c e s s i n g t h e D a t a ) : M e t a l U s e d A l C u Z n S n F e C a l c u l a t i o n s T r i a l 1 T r i a l 2 T r i a l 3 T r i a l 4 T r i a l 5 1 . A T f o r t h e m e t a l 7 1 . 1 ° C 7 6 7 ° C 7 1 . 4 ° C 7 2 4 ° C 7 1 0 ° C 2 . H e a t l o s t b y t h e m e t a l 2 2 7 3 c 2 2 6 8 C 2 2 8 3 c 2 3 1 0 c 2 2 7 6 c ( w i l l c o n t a i n u n k n o w n ) 3 . A T - H 2 0 a n d c a l o r i m e t e r 3 1 ° C 3 6 ° C 2 9 ° C 2 1 ° C 3 5 ° C 4 . M a s s o f H 2 0 1 4 0 . 6 5 9 5 8 . 8 5 g 7 1 ~ 7 2 L 5 8 . 5 6 7 8 . 1 ( l g _ _ 5 . H e a t g a i n e d b y t h e w a t e r . 4 9 2 c a l 2 1 2 c a l 2 0 8 c a l 1 2 3 c a l 2 7 3 c a l 6 . H e a t g a i n e d b y c a l o r i m e t e r 1 6 c a l 1 9 c a l 1 5 c a l 1 1 c a l 1 8 c a l 7 . S p e c i fi c h e a t o f . 2 2 3 . 1 0 1 9 . 0 9 7 7 c a l / g . 0 5 8 0 . 1 2 7 9 m e t a l c a l / g 0 ° C c a l / g - ° C 0 ° C c a n 9 ° C c a l / 9 : 0 . 2 1 4 . 0 9 2 4 . 0 9 2 2 c a n . 0 5 4 3 . 0 1 7 5 8 . K n o w n v a l u e c a l / 9 0 ° C c a l / g 0 ° C 0 ° C c a l / g 0 ° C c a l / g 0 ° C 9 . % e r r o r 4 . 2 % 1 0 . 3 % 6 % 6 . 8 % 1 9 % 3 3 2 2 . H ( e i w a l t l c l o o n t s t 5 6 . . H H w c e e a a a a t l e o t t r r g g . i a a i i b i e e n y d d a n n t u h n e k m n e o t w a n l ) 3 2 . 0 8 t h e 5 8 . 8 5 b b y y ° 2 C 1 0 c 2 c a l g 2 o g 5 . o 7 3 c 8 a ° l 0 / . 7 ° C = 2 2 6 8 g 0 C ° 0 1 C o 3 c 8 a l ° / C g 0 = ° 1 C 9 = c a l m e t e r L a b 1 4 — S p e c i fi c H e a t o f a M e t a l ( I I ) - T e a c h e r ’ s E d i t i o n — C a l c u l a t i o n s ( P r o c e s s i n g t h e D a t a ) : C a l c u l a t i o n s C a l c u l a t i o n s f o r C u 9 9 0 ° C - 2 8 8 ° C = 7 0 7 ° C 1 . A T f o r t h e m e t a l 3 . A T - H 2 0 a n d 2 8 8 ° C - 2 4 . 7 ° C = 3 8 ° C c a l o r i m e t e r 7 0 . 3 2 g — 1 1 . 4 7 g = 5 8 . 8 5 g 4 . M a s s o f H 2 0 2 1 2 c a l + 1 9 c a l = 2 3 1 c a I / 2 2 6 8 g 0 ° C a c = . 1 0 1 9 7 . S p e c i fi c h e a t o f m e t a l c a l / g 0 ° C . 0 9 2 4 c a I / g - ° C 8 . K n o w n v a l u e . 1 0 1 9 - . 0 9 2 4 = 0 0 9 5 / 0 9 2 4 = . 1 0 3 o 1 0 0 = 1 0 . 3 % 9 . % e r r o r 3 3 3 L a b 1 4 — S p e c i fi c H e a t o f a M e t a l ( I I ) — T e a c h e r ’ s E d i t i o n — C o n c l u s i o n : 1 . W h a t h a p p e n s t o t h e t h e r m a l e n e r g y o f t h e m e t a l w h e n i t i s p l a c e d i n t h e w a t e r a n d c a l o r i m e t e r ? 2 . W h a t d o w e a s s u m e o c c u r s d u r i n g t h e p r o c e s s d i s c u s s e d i n q u e s t i o n 1 ? H o w m u c h e n e r g y w a s l o s t b y t h e m e t a l ? H o w m u c h e n e r g y w a s g a i n e d b y t h e w a t e r a n d c a l o r i m e t e r ? H o w d o e s t h e c a l c u l a t e d 0 ( s p e c i fi c h e a t ) c o m p a r e t o t h e k n o w n v a l u e ? 6 . A r e t h e r e a n y p o s s i b l e s o u r c e s o f e r r o r i n t h i s p r o c e s s ? 9 1 . 9 9 ” R e f e r t o 1 3 t h e s a m e 3 3 4 L a b 1 5 — T e m p e r a t u r e o f a H o t B o d y — T e a c h e r ’ s E d i t i o n — P u r p o s e : T o u s e t h e p r i n c i p l e s o f h e a t e x c h a n g e t o d e t e r m i n e t h e i n i t i a l t e m p e r a t u r e o f a r e d - h o t p i e c e o f m e t a l . ( T h e e n e r g y p r e s e n t i n t h e r e d - h o t m e t a l w i l l b e a b s o r b e d b y t h e w a t e r i n a p r e p a r e d c a l o r i m e t e r a s w e l l a s b y t h e c a l o r i m e t e r ) . P r o c e d u r e : 1 . S e t u p a s t e a m b o i l e r t o b e u s e d a s a h o l d e r f o r t h e p i e c e o f m e t a l t o b e h e a t e d . 2 . U s i n g a c o a t h a n g e r , p r e p a r e a p i e c e o f w i r e t h a t w i l l s u s p e n d t h e i r o n s a m p l e i n a g a s b u r n e r fl a m e . 3 . W h i l e t h e m e t a l i s b e i n g h e a t e d , p r e p a r e a m e t a l c a l o r i m e t e r ( A I ) t h a t i s 2 / 3 s f u l l o f 5 0 ° C w a t e r . 4 . W h e n t h e m e t a l i s r e d - h o t ( t u r n o f f r o o m l i g h t s ) , d u m p t h e s a m p l e i n t o t h e p r e p a r e d c a l o r i m e t e r . ( T h e r e w i l l b e s o m e b u m p i n g . ) 5 . A l l o w t h e s y s t e m t o r e a c h t h e r m a l e q u i l i b r i u m a n d r e a c h t h e e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e ( T e q ) . 6 . C a l c u l a t e t h e e n e r g y a b s o r b e d b y t h e w a t e r . 7 . C a l c u l a t e t h e e n e r g y a b s o r b e d b y t h e c a l o r i m e t e r ( A l ) . 8 . W r i t e a n e q u a t i o n t h a t a d d r e s s e s t h e h e a t l o s t b y t h e i r o n s a m p l e t h a t i n c l u d e s A T a s X f o r t h e u n k n o w n t e r m . 9 . U s i n g h e a t l o s t = h e a t g a i n e d s o l v e t h e e x p r e s s i o n f o r t h e A T f o r t h e i r o n s a m p l e . 1 0 . A d d A T + T 9 ; , a n d fi n d t h e T ; f o r t h e r e d - h o t m e t a l . C o n v e r t t h e t e m p e r a t u r e t o : F = ( 9 / 5 0 ) + 3 2 3 3 5 L a b 1 5 — T e m p e r a t u r e o f a H o t B o d y — T e a c h e r ’ s E d i t i o n — D a t a : M e a s u r e m e n t s T r i a l 1 T r i a l 2 1 . M a s s o f t h e F e 1 0 4 . 8 7 9 s a m p l e 2 . S p e c i fi c h e a t o f F e . 1 0 7 5 c a l / g ° C 3 . M a s s o f c a l . C u p ( A l ) 3 9 . 0 4 g 4 . M a s s o f c a l . C u p + 2 4 0 . 8 2 9 H 2 0 . 5 . T i O f H 2 0 5 . 8 ° C 6 . T , q o f s y s t e m ( m e t a l , H 2 0 a n d c a l c u p ) 5 6 . 2 ° C C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n s T r i a l 1 T r i a l 2 I 1 . M a s s o f H 2 0 2 0 1 . 7 % I 2 . A T f o r H 2 0 + c a l c u p 5 0 . 4 ° C l 3 . H e a t g a i n e d b y H 2 0 1 0 1 7 0 c a l [ 4 . H e a t g a i n e d b y c a l 4 2 1 c a l c u p I 5 . T o t a l h e a t g a i n e d b y s y s t e m 1 0 5 9 1 c a l 6 . E x p r e s s i o n f o r h e a t l o s t 1 0 4 . 8 7 9 - . 1 0 7 5 c a l l 9 ° C . A T = 1 1 . 2 7 A T b y m e t a l 7 . A T f o r h o t m e t a l 9 4 0 ° C s a m p l e [ 8 . T ; f o r h o t - b o d y T , q + A T = T ; 9 9 6 ° C I 9 . T ; f o r h o t b o d y i n ° F 1 8 2 5 ° F 3 3 6 L a b 1 5 — T e m p e r a t u r e o f a H o t B o d y — T e a c h e r ’ s E d i t i o n _ D o t h e s a m p l e c a l c u l a t i o n s f o r t r i a l o f y o u r c h o i c e . C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n s T r i a l 1 1 . M a s s o f H 2 0 2 4 0 . 8 2 9 - 3 9 . 0 4 g = 2 0 1 . 7 8 9 2 . A T f o r H 2 0 + c a l c u p 5 6 . 2 ° C - 5 8 ° C = 5 0 4 ° C 3 . H e a t g a i n e d b y H 2 0 2 0 1 . 7 8 9 0 5 0 4 ° C 0 1 c a l / 9 ° C = 1 0 1 7 0 c a l 4 . H e a t g a i n e d b y A l c a l 3 9 . 0 4 g - 5 0 4 ° C 0 2 . 1 4 c a I / 9 ° C = 4 2 1 c a l c u p 5 . T o t a l h e a t g a i n e d b y 1 0 1 7 0 c a l + 4 2 1 c a l = 1 0 5 9 1 c a l s y s t e m 6 . E x p r e s s i o n f o r h e a t l o s t 1 0 4 . 8 7 9 o . 1 0 7 5 c a l / 9 ° C o A T = 1 1 , 2 7 0 A T b y m e t a l 1 1 . 2 7 0 A T = 1 0 5 9 1 c a l 7 . A T f o r h o t m e t a l s a m p l e A T = 1 0 5 9 1 c a I / 1 1 . 2 7 c a l / ° C = 9 4 0 ° C 8 . T i f o r h o t - b o d y T 9 ; ; + 9 4 0 ° C + 5 6 2 ° C = 9 9 6 . 2 ° C A T = T ; 9 . T ; f o r h o t b o d y i n ° F ( 9 / 5 0 9 9 6 . 2 ) + 3 2 = 1 8 2 5 ° F 3 3 7 L a b 1 5 - T e m p e r a t u r e o f a H o t B o d y — T e a c h e r ’ s E d i t i o n — C o n c l u s i o n : M a k e s o m e T 2 C h e c k t h e C o l l i n s ’ 3 3 8 L a b 1 6 — P h a s e C h a n g e s ( F r e e z i n g a n d M e l t i n g ) — T e a c h e r ’ s E d i t i o n — P u r p o s e : 1 . 2 . 3 . E q u i p m e n t : 1 . 2 . 3 . P r o c e d u r e : P a r t I o n l y 1 . T o q u a l i t a t i v e l y a n a l y z e w h a t h a p p e n s t o w a t e r w h e n i t f r e e z e s t o f o r m i c e . A d d i t i o n a l l y o b s e r v e w h a t h a p p e n s w h e n i c e t h a t f o r m e d i s m e l t e d t o r e f o r m t h e w a t e r . R e p e a t t h e e x p e r i m e n t a n d q u a n t i t a t i v e l y a n a l y z e w h a t h a p p e n s t o t h e w a t e r w h e n i t i s f r o z e n a n d w h e n i t i s a l l o w e d t o r e t u r n t o i t s l i q u i d s t a t e . 2 5 0 m l b e a k e r 4 . R o c k s a l t o r i c e m e l t ( K C I ) 2 0 X 1 5 0 t e s t t u b e 5 . I c e T h e r m o m e t e r 6 . T a p w a t e r ( Q u a l i t a t i v e ) - Y o u m a y w a n t t o i g n o r e t h i s s e c t i o n a n d d o p a r t I I P l a c e 1 2 m l o f t a p w a t e r i n t e s t t u b e . P l a c e t h e t e s t t u b e i n a b e a k e r t h a t h a s a m i x t u r e o f r o c k s a l t a n d i c e . ( C a n u s e i c e m e l t a n d w a t e r ) . M a k e a l i s t o f a l l q u a l i t a t i v e o b s e r v a t i o n s t h a t o c c u r w h i l e t h e c o o l i n g p r o c e s s i s o c c u r r i n g . ( W h a t d o y o u t h i n k i s h a p p e n i n g ? ) R e m o v e t h e t e s t t u b e w i t h t h e i c e i n i t f r o m t h e r o c k s a l t a n d i c e m i x t u r e a n d p l a c e i t i n a b e a k e r o f r o o m t e m p e r a t u r e w a t e r . M a k e o b s e r v a t i o n s o f w h a t i s h a p p e n i n g w h i l e t h e t e s t t u b e i s w a r m i n g . A f t e r y o u c o m p l e t e t h e c o o l i n g a n d w a r m i n g p r o c e s s e s e x p l a i n ( u s i n g y o u r o w n t h o u g h t s ) w h a t y o u t h i n k i s h a p p e n i n g t o t h e w a t e r a n d i c e i n b o t h p r o c e s s e s . P a r t I I ( Q u a n t i t a t i v e ) 1 . P l a c e 1 - 2 m l o f t a p w a t e r i n a t e s t t u b e a n d p l a c e a t h e r m o m e t e r i n t h e t e s t t u b e . ( U s e a # 2 o n e - h o l e s t o p p e r t o c e n t e r t h e t h e r m o m e t e r i n t h e t e s t t u b e a n d r e c o r d t h e i n i t i a l t e m p e r a t u r e o f t h e w a t e r . ) P l a c e t h e t e s t t u b e a n d w a t e r i n t h e b e a k e r o f r o c k s a l t a n d i c e a n d r e a d t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s y s t e m a t 1 5 - s e c o n d i n t e r v a l s f o r 1 0 m i n u t e s . ( P l a c e a s e c o n d t h e r m o m e t e r i n t h e r o c k s a l t a n d i c e m i x t u r e a n d r e c o r d t h e t e m p e r a t u r e o f t h e i c e b a t h . ) 3 3 9 b — N D O P T U D O N Q D ( L a b 1 6 - P h a s e C h a n g e s ( F r e e z i n g a n d M e l t i n g ) - T e a c h e r ’ s E d i t i o n _ 3 . R e m o v e t h e t e s t t u b e f r o m t h e r o c k s a l t a n d i c e a n d p l a c e t h e t e s t t u b e i n a b e a k e r o f r o o m t e m p e r a t u r e w a t e r r e a d i n g t h e t e m p e r a t u r e e v e r y 1 5 s e c o n d s f o r 1 0 m i n u t e s . ( U s e a s e c o n d t h e r m o m e t e r t o m e a s u r e t h e w a t e r t e m p e r a t u r e i n t h e b e a k e r . ) 4 . G r a p h t h e r e s u l t s o f s t e p s 2 a n d 3 ( t e m p e r a t u r e a s a f u n c t i o n o f t i m e ) . D a t a - P a r t 1 — O b s e r v a t i o n s : D a t a : P a r t I I : ( S a m p l e d a t a i s i n c l u d e d o n t h e l a s t p a g e ) . G r a p h i s i n c l u d e d o n 4 ‘ " p a g e F T i m e - F r e e z i n g T e m p e r a t u r e - T i m e - M e l t i n g T e m p e r a t u r e - M e l t i n g F 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 3 4 0 L a b 1 6 - P h a s e C h a n g e s ( F r e e z i n g a n d M e l t i n g ) - T e a c h e r ’ s E d i t i o n — 2 3 2 3 2 4 2 4 2 5 2 5 2 6 2 6 2 7 2 7 2 8 2 8 2 9 2 9 3 0 3 0 3 1 3 1 3 2 3 2 3 3 3 3 3 4 3 4 3 5 3 5 3 6 3 6 3 7 3 7 3 8 3 8 3 9 3 9 4 0 4 0 C o n c l u s i o n : 1 . H o w d i d P a r t I I d i f f e r f r o m P a r t I ? 2 . W h a t h a p p e n s t o t h e s y s t e m ’ s t e m p e r a t u r e w h e n t h e w a t e r f r e e z e s ? W h e n t h e i c e m e l t s ? 3 . W h a t d o y o u t h i n k i s h a p p e n i n g t o t h e e n e r g y t h a t i s b e i n g e x c h a n g e d i n b o t h s y s t e m s ? ( W h a t h a p p e n s t o t h e h e a t e n e r g y a s t h e w a t e r f r e e z e s i n t h e fi r s t s i t u a t i o n a n d i c e m e l t s i n t h e s e c o n d s fi u a fi o n ? ) 1 . S t u d e n t s c a n s e e f r o m t h e i r d a t a t h e i c e m e l t s i n h a l f t h e t i m e i t t a k e s i t t o f r e e z e . 2 . I n b o t h c a s e s t h e t e m p e r a t u r e w a s a c o n s t a n t 0 ° C . 3 . A s t h e w a t e r f r e e z e s i t n e e d s t o l o s e e n e L g y s o t h e m o l e c u l e s c a n g e t c l o s e r t o g e t h e r t o f o r m t h e i c e c r y s t a l s . ( L a t t i c e e n e r g y ) A s t h e i c e m e l t s t h e s a m e a m o u n t o f e n e r g y n e e d s t o b e a b s o r b e d t o m e l t t h e c r y s t a l . fl h i s e n e r g y i s s t o r e d a s p o t e n t i a l e n e r g y i n t h e l i q u i d p h a s e . ) T h i s p o t e n t i a l e n e r g y i s c a l l e d t h e h e a t o f f u s i o n o r t h e l a t e n t h e a t o f f u s i o n . 3 4 1 o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o g L a b 1 6 - P h a s e C h a n g e s ( F r e e z i n g a n d M e l t i n g ) - T e a c h e r ’ s E d i t i o n T i m e F r e e z i n g M e l t i n g _ 0 2 6 . 4 - 3 . 7 1 1 4 . 8 - 1 2 1 0 . 8 - 0 . 3 3 6 . 7 - 0 . 1 4 1 . 9 0 5 - 1 5 0 6 - 2 . 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 1 0 1 2 0 . 7 1 3 1 . 2 1 4 7 . 5 1 5 1 2 . 1 1 6 1 3 . 3 1 7 1 5 . 6 1 8 1 6 . 8 1 9 1 7 . 7 2 0 2 1 N N N 0 ) N . b N 0 ' 1 N O ) N N N o n N ‘ 0 0 ) O 3 5 — 1 . 6 3 6 ~ 2 9 3 7 - 3 . 3 3 8 - 3 . 7 3 9 - 3 . 9 3 4 2 L a b 1 6 — P h a s e C h a n g e s ( F r e e z i n g a n d M e l t i n g ) - T e a c h e r ’ s E d i t i o n 4 F r e e z i 4 n 9 8 4 n d M e l t i n g o f w a t e r 4 4 T e m p ( ' C ) T i m e ( 3 0 i n t e r v a l s ) 3 4 3 L a b 1 7 - H e a t o f F u s i o n - T e a c h e r ’ s E d i t i o n — P u r p o s e : T o m e a s u r e t h e a m o u n t o f h e a t e n e r g y ( c a l o r i e s o r J o u l e s ) a s s o c i a t e d w i t h t h e C h a n g e o f p h a s e o f w a t e r a s i t c h a n g e s f r o m s o l i d t o l i q u i d p h a s e . H 2 0 ( S ) + e n e r g y — > H 2 0 ( L ) ( ” 1 ) B a c k g r o u n d : 1 . F i l l a g l a s s w i t h i c e ( 0 ° C ) a n d a l l o w i t t o s t a n d i n a w a r m r o o m u n t i l t h e l a s t b i t m e l t s . T h e t e m p i s s t i l l 0 ° C . 8 . T e m p e r a t u r e — n o t c h a n g e d b . W e k n o w t h e s y s t e m ( g l a s s o f i c e ) h a s a b s o r b e d e n e r g y . c . W h e r e d i d t h e e n e r g y 9 0 ? d . W h a t w a s t h e e f f e c t o f t h i s e n e r g y ? 2 . W e c a n e a s i l y s e e i c e h a s c h a n g e d t o w a t e r . a . W e k n o w t h a t i f w e n e e d i c e c h i p s f r o m a b l o c k o f i c e w e e x p e n d e n e r g y t o c h a n g e t h e c r y s t a l s t r u c t u r e . W e c h a n g e t h e b l o c k t o c h i p s , d o i n g w o r k w i t h a n i c e p i c k b . H e a t e n e r g y g o e s i n t o t h e i c e , b r e a k s t h e b o n d i n g i n t h e s o l i d ( h y d r o g e n b o n d s ) a n d c o n v e r t s i c e t o w a t e r . 3 . L ; ( l a t e n t h e a t o f f u s i o n ) d e fi n e d a s t h e a m o u n t o f h e a t e n e r g y r e q u i r e d t o c h a n g e a u n i t m a s s ( g r a m s o r m o l e ) o f a s u b s t a n c e f r o m s o l i d t o l i q u i d p h a s e . I c e 7 9 . 7 c a I / g r a m 4 . W e c a n u s e w a r m w a t e r t o m e l t i c e . L o g i c h e r e i s t h a t t h e w a r m w a t e r g i v e s u p h e a t e n e r g y t h a t i s u s e d t o m e l t t h e i c e . 5 . D o t h e h e a t e x c h a n g e i n a n i n s u l a t e d c a l o r i m e t e r . a . I n t h e c a l o r i m e t e r h e a t g a i n e d = h e a t l o s t b . H e a t g a i n e d i n c l u d e s h e a t t o m e l t i c e c . H e a t l o s t i n c l u d e s h e a t l o s t b y w a r m w a t e r + h e a t l o s t b y c a l o r i m e t e r ( s m a l l a n d i s s o m e t i m e s i g n o r e d ) . A s s u m e s y s t e m c o o l s t o a r o u n d 5 ° a f t e r a l l t h e i c e m e l t s . P r o c e d u r e : 1 . N e e d w a r m w a t e r 1 5 - 2 0 ° C a b o v e r o o m t e m p e r a t u r e ( u s e 4 0 - 4 3 ° C t a p w a t e r ) . 2 . N o t e t h e t y p e o f c a l o r i m e t e r ( c o n s t a n t p r e s s u r e ) t h a t y o u a r e u s i n g . a . 2 S t y r o f o a m - c u p s w i t h a l i d ( o r b ) b . A l u m i n u m c a l o r i m e t e r w i t h a n i n n e r a n d o u t e r c u p ( D o n o t fi n d m a s s o f t h e r i n g ) 3 . F i n d t h e m a s s o f t h e c a l o r i m e t e r c u p . 4 . A d d w a t e r t o t h e c u p 4 0 - 4 3 ° C a n d fi n d t h e m a s s o f t h e c u p a n d t h e w a r m w a t e r . 3 4 4 L a b 1 7 - H e a t o f F u s i o n — T e a c h e r ’ s E d i t i o n * ’ F 4 4 4 4 e T ; f o r t h e w a n n w a t e r b e f e o r y u o s t a r t d d t h e i c e ( s t i r w a t e r a n d m e a s u r e t h e t e m p e r a t u r e ) . 6 . O b t a i n y o u r i c e i n a S t y r o f o a m c u p , d r y t h e s u r f a c e o f t h e i c e w i t h a p a p e r t o w e l a n d t h e n a d d t o t h e w a r m w a t e r . ( D o n o t s p l a s h ) . 7 . C o n t i n u e t o a d d i c e u n t i l t h e t e m p e r a t u r e i s a r o u n d 5 ° C ( T h i s i s a b o u t a s l o w a s i s n e e d e d ) , l o w e r t e m p e r a t u r e m a y c a u s e c o n d e n s a t i o n o n t h e c a l o r i m e t e r . 8 . C o n t r o l t h e i c e a d d i t i o n o f t h e e n d s o i t m e l t s a n d d o e s n o t n e e d t o b e r e m o v e d . 9 . M e a s u r e t h e fi n a l t e m p e r a t u r e a n d fi n d t h e m a s s o f t h e c a l o r i m e t e r , w a r m w a t e r a n d i c e ( n o w i c e w a t e r ) . 1 0 . C o m p u t e t h e h e a t l o s t a n d h e a t g a i n e d a n d c o m p u t e t h e h e a t o f f u s i o n . 1 1 . P a r t n e r s s h o u l d w o r k t o g e t h e r w i t h o n e a n o t h e r , e a c h d o i n g t h e i r o w n t r i a l . D a t a : M e a s u r e m e n t s T r i a l 1 T r i a l 2 1 . M a s s o f c a l o r i m e t e r c u p 1 1 . 3 9 9 1 1 8 8 g 2 . M a s s o f c a l o r i m e t e r c u p + w a r m w a t e r 1 0 4 . 0 7 9 9 4 . 8 3 9 3 . M a s s o f c a l o r i m e t e r c u p + w a r m w a t e r + i c e w a t e r ( a f t e r i c e m e l t s ) 1 5 1 . 0 7 g 1 2 9 - 5 2 L 4 . T ; - w a r m w a t e r + c a l o r i m e t e r 4 3 7 ° C 4 2 4 ° C 5 . T ; - w a t e r + c a l o r i m e t e r + i c e w a t e r 2 5 ° C 7 . 7 ° C 3 4 5 L a b 1 7 - H e a t o f F u s i o n — T e a c h e r ’ s E d i t i o n C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n s T r i a l 1 T r i a l 2 1 . M a s s o f w a r m w a t e r 9 2 . 6 8 g 8 3 . 4 § g 2 . M a s s o f i c e 4 7 . 0 9 9 3 4 . 6 9 g 3 . C = c a l o r i m e t e r 5 c a l / ° C 5 c a I / ° C 4 . A T - w a r m w a t e r + c a l o r i m e t e r 4 1 2 ° C 3 4 7 ° C 5 . C a l o r i e s l o s t b y c a l o r i m e t e r 2 0 6 c a l 1 7 4 c a l 6 . C a l o r i e s l o s t b y w a t e r 3 8 1 8 c a l 2 8 9 6 c a l 7 . T o t a l c a l o r i e s l o s t 4 0 2 4 c a l 3 0 7 0 c a l 8 . C a l o r i e s u s e d t o w a r m w a t e r f o r m e d b y 1 1 8 c a l 2 6 7 c a l m e l t e d i c e 9 . C a l o r i e s u s e d t o m e l t i c e 4 7 o H ; 3 4 . 7 o H ; 1 0 . C a l o r i e s u s e d t o m e l t 1 g r a m o f i c e 8 3 . 1 c a l / L 8 0 . 8 c a I / g 1 1 . C a l o r i e s u s e d t o m e l t 1 m o l e o f i c e 1 . 4 9 6 k c a l / m o l 1 . 4 5 4 k c a l / m o l 1 2 . K n o w n v a l u e o f H ; 7 9 . 7 c a n 7 9 . 7 c a l / g 1 3 . A b s o l u t e e r r o r 3 . 4 1 . 1 1 4 . % e r r o r 4 . 3 % 1 . 3 % 3 4 6 L a b 1 7 - H e a t o f F u s i o n — T e a c h e r ’ s E d i t i o n S a m p l e C a l c u l a t i o n f o r B e s t T r i a l : C a l c u l a t i o n s T r i a l 2 1 . M a s s o f w a r m w a t e r 9 4 . 8 3 9 — 1 1 8 8 9 = 8 3 . 4 5 g 2 . M a s s o f i c e 1 2 9 . 5 2 9 — 9 4 . 8 3 9 = 3 4 . 6 9 9 3 . C = c a l o r i m e t e r 5 . 0 c a I / ° C 4 . A T — w a r m w a t e r + c a l o r i m e t e r 4 2 4 ° C - 7 . 7 ° C = 3 4 . 7 ° C 5 . C a l o r i e s l o s t b y c a l o r i m e t e r 5 . 0 c a I / ° C o 3 4 . 7 ° C = 1 7 4 c a l 6 . C a l o r i e s l o s t b y w a t e r 8 3 . 4 5 g o 3 4 . 7 ° C 0 1 c a I / L - ° C = 2 8 9 6 c a l 7 . T o t a l c a l o r i e s l o s t 2 8 9 6 c a l + 1 7 4 c a l = 3 0 7 0 c a l 8 . C a l o r i e s u s e d t o w a r m w a t e r f o r m e d b y m e l t e d i c e 3 4 . 7 9 9 7 . 7 ° C - 1 c a l / g 0 ° C = 2 6 7 c a l 9 . C a l o r i e s u s e d t o m e l t i c e 3 0 7 0 c a l - 2 6 7 c a l = 2 8 0 3 c a l 1 0 . C a l o r i e s u s e d t o m e l t 1 g r a m o f i c e 2 8 0 3 c a l / 3 4 . 7 9 = 8 0 . 8 c a l / g 1 1 . C a l o r i e s u s e d t o m e l t 1 m o l e o f i c e 8 0 . 8 c a l / g - 1 8 g l m o l = 1 . 4 5 c a I / m o l 1 2 . K n o w n v a l u e o f H ; N m e 1 3 . A b s o l u t e e r r o r 8 0 . 8 c a l / 9 — 7 9 . 7 c a l / 9 = 1 . 1 c a l / 9 : 1 4 . % e r r o r 1 . 1 c a l / g ] 7 9 . 7 c a l / g = . 0 1 3 0 1 0 0 = 1 . 3 % 3 4 7 L a b 1 7 — H e a t o f F u s i o n - T e a c h e r ’ s E d i t i o n C o n c l u s i o n : 1 . W h a t h a p p e n s t o t h e t e m p e r a t u r e o f t h e i c e a s y o u o b s e r v e i t c h a n g e f r o m s o l i d t o l i q u i d ? 2 . W h a t b e c o m e s o f t h e h e a t e n e r g y t h a t i s s u e d t o m e l t t h e i c e ? 3 . W h y d i d t h e s t u d e n t d r y t h e i c e b e f o r e d r o p p i n g i t i n t o t h e c a l o r i m e t e r ? H o w w o u l d t h e i n v e s t i g a t i o n b e a f f e c t e d i f t h e i c e w e r e n o t d r i e d ? W h a t i s H ; - h e a t o f f u s i o n ? W h a t i s t h e v a l u e o f H ; ? W h a t a r e t h e p r i n c i p l e s o u r c e s o f e r r o r i n t h i s e x p e r i m e n t ? R e fl e c t o n t h e r e a s o n y o u d i d t h e i n v e s t i g a t i o n a n d i f y o u w e r e a b l e t o a c h i e v e t h e g o a l . 5 ‘ 9 9 ” ? . A s t h e i c e c h a n g e s f r o m c o l d t o l i q u i d i t s t e m p e r a t u r e r e m a i n s a t a c o n s t a n t 0 ° . . T h e h e a t e n e r g y t h a t i s u s e d t o m e l t t h e i c e i s s t o r e d a s p o t e n t i a l e n e g y i n t h e w a t e r t h a t r e s u l t s f r o m t h e m e l t e d i c e . . T h e s t u d e n t d r i e d t h e i c e t o r e m o v e a l r e a d y m e l t e d w a t e r f r o m t h e i c e ’ s s u r f a c e . T h i s m e l t e d w a t e r w o u l d b e i n c l u d e d a s i c e a n d w o u l d a l r e a d y h a v e a b s o r b e d t h e h e a t o f f u s i o n b e f o r e i t w a s p l a c e d i n t h e c a l o r i m e t e r . T h i s i n t r o d u c e s a s o u r c e e r r o r . . T h e h e a t o f f u s i o n i s d e fi n e d a s t h e e n e r g y n e e d e d t o m e l t 1 g r a m o r 1 m o l e o f i c e a t 0 ° C . 5 . T h e a c c e p t e d v a l u e s o f t h e h e a t o f f u s i o n a r e 7 9 . 7 c a l / 9 o r 1 . 4 3 k c a l / m o l . 6 . S o u r c e s o f e r r o r i n t h i s e x p e r i m e n t i n c l u d e w a t e r s p l a s h w h e n a d d i n g i c e , n o t d r y i n g t h e i c e b e f o r e a d d i n g i t t o t h e c a l o r i m e t e r , a n d s t u d e n t s n o t k e e p i n g g o o d t r a c k o f t h e h e a t l o s t a n d g a i n e d i n t h e e x p e r i m e n t . 7 . S t u d e n t s w a n t e d t o s e e i f t h e y c o u l d m e a s u r e t h e h e a t n e e d e d t o m e l t o n e g r a m o r o n e m o l e o f i c e . T h e i r % e r r o r g i v e s a n i n d i c a t i o n o f t h e i r a b i l i t y t o r e a c h t h i s g o a l . 3 4 8 L a b 1 7 — H e a t o f F u s i o n - T e a c h e r ’ s E d i t i o n T e a c h e r T i p s : 1 . T h e w a r m w a t e r i n t h e c a l o r i m e t e r n e e d s t o b e a s m u c h a b o v e r o o m t e m p e r a t u r e a s i t w a s i n i t i a l l y b e l o w r o o m t e m p e r a t u r e . U s i n g t h e s e t e c h n i q u e s t u d e n t s c a n c a n c e l t h e h e a t i n g a n d c o o l i n g e f f e c t s o f t h e r o o m o n t h e c a l o r i m e t e r . D r y i n g t h e i c e r e m o v e s w a t e r t h a t r e s u l t s f r o m p r e m a t u r e s u r f a c e m e l t i n g o f t h e i c e . T h i s w a t e r h a s a l r e a d y a b s o r b e d h e a t a n d m e l t e d b u t w i l l b e i n c l u d e d a s s o l i d i c e i f a l l o w e d t o e n t e r t h e c a l o r i m e t e r . T h i s i s a n a d d i t i o n a l s o u r c e o f e r r o r . A d d i c e u n t i l t h e s y s t e m c o o l s t o a b o u t 5 ° C ( l o w e r t e m p e r a t u r e c a n c a u s e c o n d e n s a t i o n a n d i n t r o d u c e a n o t h e r s o u r c e o f e r r o r . P l a c e t h e i c e i n a s e c o n d c o v e r e d c u p a n d d r y e a c h p i e c e b e f o r e a d d i n g i t t o t h e c a l o r i m e t e r . 3 4 9 L a b 1 8 - B o i l i n g P o i n t o f a L i g u i d - T e a c h e r ’ s E d i t i o n — P u r p o s e : T o u s e t h e l a b o r a t o r y s e t u p d e m o n s t r a t e d i n c l a s s t o m e a s u r e t h e b o i l i n g p o i n t s o f f o u r u n k n o w n l i q u i d s . P r o p e r t e c h n i q u e s h o u l d a l l o w t h e i d e n t i fi c a t i o n o f e a c h l i q u i d . P r o c e d u r e : S t u d e n t s w i l l w r i t e o u t t h e p r o c e d u r e b a s e d o n t h e i r c l a s s n o t e s . 1 . S e t u p t h e a p p a r a t u s l i k e t h e d i y a m p r o v i d e d w i t h t h e l a b . 2 . T e a c h e r s m a k e c e r t a i n t h e v a p o r i s c o n d e n s e d a w a y f r o m t h e fl a m e ( T h e t e s t t u b e w h e r e t h e v a p o r c o n d e n s e s s h o u l d b e i n a n i c e w a t e r b a t h ) . 3 . P l a c e b o i l i n g C h i p s i n t h e t e s t t u b e t o e n s u r e t h e f o r m a t i o n o f s m a l l b u b b l e s i n t h e b o i l i n g p r o c e s s ( t h e b o i l i n g c h i p s h e l p p r e v e n t b u m p i p g - f o r m a t i o n o f l a r g e b u b b l e s ) . 4 . T h e h e i g h t o f t h e t e s t t u b e m a y n e e d t o b e a d j u s t e d 3 - 5 c m a b o v e t h e b u r n e r s t a n d t o e n s u r e t h e l i q u i d d o e s n o t b o i l a w a y t o o f a s t . T e a c h e r s c a n e x p e r i m e n t w i t h t h i s h e i g h t t o e n s u r e a r i s e o f 5 ° f o r e v e r y 1 5 s e c o n d t i m e i n t e r v a l . S t u d e n t s s h o u l d u s e 3 - 4 m l o f l i q u i d i n e a c h t r i a l . 5 . S t u d e n t s s h o u l d t a k e a 0 r e a d i n g a n d t h e n r e a d e v e r y 1 5 s e c o n d s u n t i l t h e l i q u i d i s a l m o s t g g n e . T h e p r o c e s s w i l l t a k e b e t w e e n 6 a n d 1 0 m i n u t e s . 6 . I f y o u c h o o s e t o d o v o l a t i l e l i q u i d s ( w o o d a l c o h o l — m e t h a n o l a n d d e n a t u r e d a l c o h o l — e t h a n o l ) y o u s h o u l d n o t h e a t t h e l i q u i d s w i t h a d i r e c t fl a m e . P l a c e b o i l i n g c h i p s i n t h e t e s t t u b e a n d h e a t t h e s e l i q u i d s i n a b o i l i n g w a t e r b a t h . B o i l i n g c h i p s s h o u l d a l s o b e p l a c e d i n t h e w a t e r b a t h . M e t h a n o l b o i l s a r o u n d 6 6 ° C a n d e t h a n o l b o i l s a r o u n d 8 0 ° C . Y o u c o u l d a l s o u s e i s o p r o p y n o l w h i c h a l s o b o i l s a r o u n d 8 0 ° C . A g a i n m a k e c e r t a i n t h e v a p o r s a r e c o n d e n s e d a w a y f r o m t h e fl a m e i n a n i c e w a t e r b a t h . Y o u m a y w a n t t o d o t h e v o l a t i l e l i q u i d s a s a d e m o a n d h a v e t h e s t u d e n t s d o w a t e r a n d s a l t w a t e r . S t u d e n t s w i l l i n c l u d e a d i a g r a m o f t h e a p p a r a t u s t h a t w a s s e t u p i n c l a s s ( i m i t a t i o n i s t h e s i n c e r e s t f o r m o f fl a t t e r y ) . 3 5 0 L a b 1 8 - B o i l i n g P o i n t o f a L i g u i d - 3 5 1 L a b 1 8 - B o i l i n g P o i n t o f a L i g u i d - T e a c h e r ’ s E d i t i o n G r a p h d a t a o n g r a p h p a p e r p r o v i d e d o r u s e E x c e l . C o n c l u s i o n : 1 . W h a t h a p p e n s t o t h e t e m p e r a t u r e o f e a c h l i q u i d a s i t s t a r t s t o b o i l ? W h e n a l i q u i d b e g i n s t o b o i l t h e t e m p e r a t u r e r e m a i n s a t a c o n s t a n t v a l u e ( i t s b o i l i n g p o i n t ) . 2 . W h a t i s h a p p e n i n g t o h e a t e n e r g y f r o m t h e b u r n e r a s t h e l i q u i d b e g i n s t o b o i l ? T h e h e a t e n e r g y i s u s e d t o o v e r c o m e t h e i n t e r m o l e c u l a r f o r c e s t h a t h o l d t h e m o l e c u l e s t o g e t h e r . T h i s e n e r g y i n c r e a s e s t h e p o t e n t i a l e n e r g y o f t h e s y s t e m a n d t h i s e n e r g y i s s t o r e d i n t h e g a s p h a s e . 3 . W h a t h a p p e n s t o h e a t e n e r g y a s a v a p o r ( g a s ) c o n d e n s e s t o f o r m a l i q u i d ? T h e p o t e n t i a l e n e r g y s t o r e d i n t h g g a s p h a s e i s l o s t a s t h e m o l e c u l e s c o n d e n s e t o f o r m a l i q u i d . 4 . I f i t t a k e s l o n g e r f o r a l i q u i d t o b o i l d o e s i t m e a n t h e l i q u i d g e t s h o t t e r ? E x p l a i n . I f i t t a k e s l o n g e r i t m e a n s t h e r e i s m o r e l i q u i d t h a t n e e d s m o r e t i m e t o r e a c h t h e b o i l i n g p o i n t . 5 . D o a l l t h e g r a p h s l o o k t h e s a m e ? H o w a r e t h e y t h e s a m e ? H o w a r e t h e y d i f f e r e n t ? A l l t h e g r a p h s h a v e t h e s a m e b a s i c s h a p e . T h e y a l l p l a t e a u a t t h e i r b o i l i n g p o i n t , h o w e v e r , t h e p l a t e a u s a r e a t d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s . 6 . D o a l l t h e g r a p h s h a v e a fl a t s e c t i o n ? W h a t a r e t h e t e m p e r a t u r e s o f t h e fl a t s e c t i o n ? A l l s t u d e n t g r a p h s s h o u l d h a v e a fl a t s e c t i o n . B o i l i n g p o i n t s s h o u l d r e fl e c t w a t e r a t 1 0 0 ° C , s a l t w a t e r a t 1 0 2 - 1 0 7 ° C , m e t h a n o l a t 6 6 ° C , e t h a n o l o r i s o p r o p y n o l a t 8 0 ° C . 3 5 2 L a b 1 8 - B o i l i n g P o i n t o f a L i g u i d - T e a c h e r ’ s E d i t i o n _ 7 . W a s t h e t e m p e r a t u r e t h e s a m e i n a l l t h e t e s t t u b e s o n c e t h e l i q u i d s t a r t e d t o b o i l ? E a c h t e s t t u b e h a d a l i q u i d t h a t h a s a s p e c i fi c b o i l i n g p o i n t c h a r a c t e r i s t i c o f t h a t l i q u i d . 8 . D o e s t h e b o i l i n g t e m p e r a t u r e d e p e n d o n t h e a m o u n t o f l i q u i d u s e d ? W h a t i f y o u u s e d 3 m l i n o n e t r i a l a n d 1 2 m l i n t h e n e x t t r i a l ? W h a t w o u l d t h e g r a p h o f e a c h t r i a l l o o k l i k e ? ( s k e t c h t h e g r a p h ) . B o i l i n g p o i n t s a r e t h e s a m e f o r e a c h s a m p l e , i t j u s t t a k e s l o n g e r t o b o i l a w a y t h e l a r g e r s a m p l e . 3 m l 1 2 m l 9 . W h a t d o e s a d i f f e r e n c e i n b o i l i n g p o i n t s r e v e a l ? A d i f f e r e n c e i n b o i l i n g p o i n t r e v e a l s t h a t t h e l i q u i d s a r e n o t t h e s a m e . 1 0 . I s b o i l i n g p o i n t a c h a r a c t e r i s t i c p r o p e r t y ? W h y ? B o i l i n g p o i n t i s a C h a r a c t e r i s t i c p r o p e r t y b e c a u s e i t d o e s n o t d e p e n d o n t h e a m o u n t o f t h e s a m p l e a n d i t w i l l i d e n t i f y t h e l i q u i d i n q u e s t i o n . T h i s e x p e r i m e n t i s f r o m t h e I n t r o d u c t o r y P h y s i c a l S c i e n c e P r o g r a m ( I P S ) . 3 5 3 L a b 1 9 - H e a t o f V a p o r i z a t i o n — T e a c h e r ’ s E d i t i o n . — P u r p o s e : T o o b s e r v e t h e a m o u n t o f h e a t e n e r g y ( c a l o r i e s o r J o u l e s ) a s s o c i a t e d w i t h t h e c h a n g e o f p h a s e o f w a t e r a s i t c h a n g e s f r o m l i q u i d t o v a p o r p h a s e . M e a s u r e t h e a m o u n t o f h e a t a s s o c i a t e d w i t h t h e v a p o r i z a t i o n o f 1 g r a m o r 1 m o l e o f w a t e r . H 2 0 ( q u ) - — > H 2 0 ( g a s ) ' 1 ' e n e r g y B a c k g r o u n d 1 . W h e n w a t e r i s h e a t e d a n d t e m p e r a t u r e r i s e s t o w a r d t h e b o i l i n g p o i n t , b u b b l e s f o r m i n t h e l i q u i d ( w a t e r b u b b l e s fi l l e d w i t h H 2 0 ) r i s e t h r o u g h t h e l i q u i d a n d b r e a k a t t h e s u r f a c e . T h e f o r m a t i o n o f t h e b u b b l e s i s t e r m e d b o i l i n g a n d t h e b r e a k i n g o f t h e b u b b l e s a t t h e s u r f a c e ( a l l o w i n g t h e m o l e c u l e s t o e n t e r t h e g a s p h a s e ) i s c a l l e d e v a p o r a t i o n . T h e c o m b i n a t i o n o f b o i l i n g a n d e v a p o r a t i o n i s t e r m e d v a p o r i z a t i o n . W e h a v e n o t i c e d t h a t t h e b o i l i n g w a t e r a n d t h e v a p o r a r e a t t h e s a m e t e m p e r a t u r e ( 1 0 0 ° C ) — 2 1 2 ° F I t i s e v i d e n t t h a t h e a t i s b e i n g a b s o r b e d h o w e v e r t h e p h a s e c h a n g e o c c u r s w i t h n o c h a n g e i n t e m p e r a t u r e . T h e e n e r g y i s u s e d t o d o w o r k t o o v e r c o m e t h e f o r c e s t h a t h o l d t h e m o l e c u l e s t o g e t h e r ( D i p o l e - d i p o l e ) h y d r o g e n b o n d i n g . A d d i t i o n a l l y , t h e a i r t h a t s u r r o u n d s t h e v e s s e l ( e n d o f h o s e ) i s a l s o p u s h e d b a c k t o m a k e r o o m f o r t h e e s c a p i n g m o l e c u l e s ( r e m e m b e r w a t e r d i s p l a c e s t h e a i r a n d i s n o t a b s o r b e d b y t h e a i r ) . W h e n m o l e c u l e s o f t h e v a p o r c o n d e n s e b a c k t o l i q u i d p h a s e t h e e x t r a h e a t t h a t w a s s t o r e d i n t h e m o l e c u l a r g a s p h a s e i s r e l e a s e d t o t h e l o c a l e n v i r o n m e n t ( i n o u r c a s e , w a t e r i n t h e c a l o r i m e t e r ) . T h e h e a t o f v a p o r i z a t i o n i s t h e a m o u n t o f e n e r g y ( i n t h e f o r m o f h e a t ) n e e d e d t o c h a n g e 1 g r a m o r 1 m o l e o f w a t e r f r o m t h e l i q u i d t o t h e g a s p h a s e w i t h n o c h a n g e i n t e m p e r a t u r e . T h e h e a t o f c o n d e n s a t i o n ( e q u a l t o H v a p ) c a n b e m e a s u r e d b y a l l o w i n g a k n o w n m a s s o f s t e a m a t a k n o w t e m p e r a t u r e ( 1 0 0 ° C ) t o c o n d e n s e i n t o a k n o w n c a l o r i m e t e r w i t h a k n o w n m a s s o f w a t e r a n d n o t i n g t h e r i s e i n t e m p e r a t u r e . T o e v a l u a t e t h e e x c h a n g e w e u s e t h e f o l l o w i n g e x p r e s s i o n : H e a t l o s t b y + h e a t l o s t b y H 2 0 ( L ) = h e a t g a i n e d b y H 2 0 + h e a t g a i n e d b y v a p o r f r o m c o n d e n s e d i n c a l o r i m e t e r c a l o r i m e t e r H v a p 0 m a s s Q = g s t e a m 0 A T 9 0 A T 0 c H e a t f a c t o r f o r o f c o n d e n s e d f o r c o o l i n g 9 c c a l o r i m e t e r o A T v a p o r 3 5 4 L a b 1 9 - H e a t o f V a p o r i z a t i o n — T e a c h e r ’ s E d i t i o n — P r o c e d u r e : 1 . S e t u p a s t e a m b o i l e r a b o u t 1 / 3 f u l l o f w a t e r . a . P r e p a r e t h e c a l o r i m e t e r 2 / 3 f u l l o f 5 ° C w a t e r b . R e c o r d t h e a i r p r e s s u r e 2 . W e n e e d t o s e t u p a w a t e r t r a p b e t w e e n t h e b o i l e r a n d c a l o r i m e t e r . a . W e o n l y w a n t s t e a m t o e n t e r t h e c a l o r i m e t e r . b . N e e d t o p r e v e n t h o t w a t e r t h a t m a y c o n d e n s e a l o n g t h e w a y t h r o u g h t h e t u b e f r o m e n t e r i n g t h e c a l o r i m e t e r . c . T h e w a t e r t r a p w i l l c o l l e c t t h e c o n d e n s e d w a t e r a n d p e r m i t t h e s t e a m t o c o n t i n u e . 3 . F i n d t h e m a s s o f t h e c a l o r i m e t e r c u p e m p t y . 4 . A d d 5 ° C w a t e r t o t h e c u p a n d fi n d t h e m a s s o f t h e c u p a n d w a t e r . 5 . M e a s u r e t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s t e a m . 6 . R e a d T ; f o r t h e c o l d w a t e r , i n t r o d u c e t h e s t e a m t o t h e c o l d w a t e r a n d a l l o w t h e t e m p e r a t u r e t o r i s e a s f a r a b o v e r o o m t e m p e r a t u r e a s i t w a s b e l o w r o o m t e m p e r a t u r e . 7 . R e m o v e t h e h o s e - a l l o w s y s t e m t o r e a c h e q u i l i b r i u m a n d r e a d t h e e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e T . q 8 . F i n d t h e m a s s o f t h e c a l o r i m e t e r a n d w a t e r a n d c o n d e n s e d s t e a m . 9 . C o m p u t e t h e v a l u e o f H v a p a n d c o m p a r e t o a c c e p t e d v a l u e o f 5 3 9 . 6 c a I / g r a m . D a t a : M e a s u r e m e n t s T r i a l 1 T r i a l 2 1 . M a s s o f c a l o r i m e t e r c u p 1 1 . 3 9 g 2 . M a s s o f c a l o r i m e t e r c u p + 3 - 5 ° C w a t e r ( i c e w a t e r ) 1 3 0 . 9 5 9 3 . T ; - c a l + H 2 0 6 7 ° C 4 . T ; — s t e a m 9 9 0 ° C 5 . T e q — w a t e r + c a l fi n a l 4 9 7 ° C 6 . M a s s o f w a t e r + c a l . c u p 1 - c o n d e n s e d s t e a m 1 3 9 . 4 2 g 3 5 5 L a b 1 9 - H e a t o f V a p o r i z a t i o n - T e a c h e r ’ s E d i t i o n _ C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n s T r i a l 1 T r i a l 2 1 . M a s s o f w a t e r 1 1 9 . 5 6 9 2 . C a l o r i m e t e r c o n s t a n t I 5 . 0 c a l / ° C 3 . M a s s o f s t e a m 8 . 4 7 g 4 . A T f o r w a t e r a n d c a l o r i m e t e r 4 3 0 ° C 5 . A T f o r w a t e r f r o m c o n d e n s e d s t e a m 4 9 8 ° C 6 . C a l o r i e s ( g a i n e d b y c a l o r i m e t e r 2 1 5 c a l 7 . C a l o r i e g g a i n e d b y w a t e r 5 1 4 1 c a l 8 . T o t a l c a l o r i e s g a i n e d 5 3 5 6 c a l 9 . C a l o r i e s l o s t b y w a t e r f o r m e d f r o m c o n d e n s e d s t e a m a s i t c o o l s f r o m T ; - s t e a m t o 4 1 8 c a l i f ; C a l o r i e s l o s t b y s t e a m a s i t c o n d e n s e s a t 1 0 0 ° C . 4 9 3 8 c a l 1 1 . v a o f w a t e r = h e a t o f c o n d e n s a t i o n 5 8 3 c a l / 9 1 2 . A c c e p t e d v a l u e f o r v a 5 3 9 . 6 c a l / 9 1 3 . A b s o l u t e e r r o r + 4 3 . 4 c a l 1 4 . % e r r o r 8 . 0 % 3 5 6 L a b 1 9 - H e a t o f V a p o r i z a t i o n - T e a c h e r ’ s E d i t i o n S a m p l e C a l c u l a t i o n s : C a l c u l a t i o n s T r i a l 1 1 . M a s s o f w a t e r 1 3 0 . 9 5 9 - 1 1 3 9 9 = 1 1 9 . 5 8 9 2 . C a l o r i m e t e r c o n s t a n t 5 . 0 c a l / ° C 3 . M a s s o f s t e a m 1 3 9 . 4 2 9 — 1 3 0 . 9 5 g = 8 . 4 7 9 4 . A T f o r w a t e r a n d c a l o r i m e t e r 4 9 7 ° C - 6 . 7 ° C = 4 3 . 0 ° C 5 . A T f o r w a t e r f r o m c o n d e n s e d s t e a m 9 9 0 ° C — 4 9 7 ° C = 4 9 8 ° C 6 . C a l o r i e g a i n e d b y c a l o r i m e t e r 5 . 0 c a I / ° C * 4 3 ° C = 2 1 5 c a l 7 . C a l o r i e s g a i n e d b y w a t e r 1 1 9 . 5 6 9 0 4 3 ° C 0 1 c a I / g 0 ° C = 5 1 4 1 c a l 8 . T o t a l c a l o r i e s g a i n e d 5 1 4 1 c a l + 2 1 5 c a l = 5 3 5 6 c a l 9 . C a l o r i e s l o s t b y w a t e r f o r m e d f r o m c o n d e n s e d s t e a m a s i t c o o l s f r o m T ; — s t e a m t o T e q 8 . 4 7 g o 4 9 . 3 ° C o 1 c a l l g 0 ° C = 4 1 8 c a l 1 0 . C a l o r i e s l o s t b y s t e a m a s i t c o n d e n s e s a t 1 0 0 ° C . 5 3 5 6 c a l - 4 1 8 c a l = 4 9 3 8 c a l 1 1 . H v a p o f w a t e r = h e a t o f c o n d e n s a fi o n 4 9 3 8 c a I / 8 . 4 7 g = 5 8 3 c a I / g 1 2 . A c c e p t e d v a l u e f o r l i n g 5 3 9 . 6 c a l / g 1 3 . A b s o l u t e e r r o r + 5 8 3 c a I / g — 5 3 9 . 6 c a I / g = 4 3 . 4 c a I / g 1 4 . % e r r o r 4 3 . 4 c a I / g I 5 3 9 . 6 c a l / g = . 0 8 0 ° 0 1 0 0 = 8 . 0 % 3 5 7 L a b 1 9 - H e a t o f V a p o r i z a t i o n - T e a c h e r ’ s E d i t i o n C o n c l u s i o n : 1 . W h a t h a p p e n s t o t h e t e m p e r a t u r e o f t h e w a t e r a s i t c h a n g e s f r o m l i q u i d t o v a p o r ? 2 . W h a t d o e s t h e h e a t f r o m t h e g a s b u r n e r d o t o t h e w a t e r i n t h e b o i l e r ? W h a t i s t h i s h e a t e n e r g y u s e d f o r ? 3 . W h a t h a p p e n s w h e n t h e w a t e r v a p o r f r o m t h e b o i l e r c o n d e n s e s i n t h e c a l o r i m e t e r ( 2 t h i n g s ) ? 4 . W h a t a r e t h e h e a t o f v a p o r i z a t i o n a n d t h e h e a t o f c o n d e n s a t i o n ? 5 . W h y d i d w e u s e a w a t e r t r a p ? 6 . H o w w o u l d i t s a b s e n c e a f f e c t y o u r r e s u l t s ? 1 . T h e t e m p e r a t u r e o f t h e w a t e r r e m a i n s a t a c o n s t a n t 1 0 0 ° C . 2 . H e a t f r o m t h e l a b o r a t o r y b u r n e r i s u s e d t o c h a n g e l i q u i d w a t e r t o w a t e r v a p o r a n d o v e r c o m e s t h e i n t e r m o l e c u l a r f o r c e s t h a t h o l d t h e w a t e r t o g e t h e r ( h y d r o g e n b o n d s ) . T h i s h e a t e n e r g i s s t o r e d a s p o t e n t i a l e n e r g y i n t h e g a s p h a s e . 3 . W h e n t h e w a t e r v a p o r c o n d e n s e s i t r e l e a s e s t h e s t o r e d h e a t o f v a p o r i z a t i o n o n c o n d e n s a t i o n t o t h e w a t e r a n d t o c a l o r i m e t e r . A d d i t i o n a l l y , t h e w a t e r t h a t r e s u l t s f r o m t h e s t e a m t h e n c o o l s t o t h e e g u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e a n d l o s e s m o r e e n e r g y . 4 . T h e h e a t o f v a p o r i z a t i o n a n d c o n d e n s a t i o n r e f e r s t o t h e e n e r g y t h a t i s u s e d o r g i v e n u p t o a c h i e v e t h e d e s i r e d p h a s e c h a n g e ( v a p o r i z a t i o n o r c o n d e n s a t i o n ) . 5 . S t u d e n t s u s e t h e w a t e r t r a p t o p r e v e n t c o n d e n s e d w a t e r f r o m d r i p p i n g i n t o t h e c a l o r i m e t e r . O u r g o a l i s t o c o n d e n s e o n l y s t e a m i n t h e c a l o r i m e t e r . 6 . A n y w a t e r t h a t c o n d e n s e s I n t h e h o s e a n d t h e n r u n s i n t o t h e c a l o r i m e t e r h a s a l r e a d y l o s t i t s e n e r g y o f c o n d e n s a t i o n w h i l e i n t h e h o s e . I f t h i s w a t e r d r i p s i n t o t h e c a l o r i m e t e r i t w i l l b e a s s u m e d t o b e s t e a m a n d w i l l i n t r o d u c e a s o u r c e o f e r r o r i n t o t h e fi n a l r e s u l t s . 3 5 8 L a b 1 9 - H e a t o f V a p o r i z a t i o n - T e a c h e r ’ s E d i t i o n T e a c h e r T i p s : 1 . 2 . 3 . T h e s t e a m g e n e r a t o r c a n b e p l a c e d o n a h o t p l a t e o r s t u d e n t s c a n u s e a l a b o r a t o r y b u r n e r t o h e a t t h e w a t e r . T h e u s e o f a s t e a m t r a p , t r a p s p r e m a t u r e c o n d e n s a t i o n a n d t h e r e f o r e e n s u r e s t h a t o n l y s t e a m e n t e r s t h e c a l o r i m e t e r . U s e a h o t p a d t o h a n d l e t h e s t e a m h o s e . W h e n w a t e r v a p o r c o n d e n s e s i t r e l e a s e s 5 4 0 c a l o r i e s o f h e a t p e r g r a m o f s t o r e d p o t e n t i a l e n e r g y . I f t h e s t e a m c o n d e n s e s p r e m a t u r e l y a n d w a t e r d r o p l e t s f o r m i n t h e h o s e , t h a t e n e r g y i s l o s t b e f o r e t h e s t e a m e n t e r s t h e c a l o r i m e t e r . H o w e v e r , t h e p r e s s u r e o f t h e s y s t e m w i l l f o r c e t h i s w a t e r i n t o t h e c a l o r i m e t e r a n d i t w i l l b e i n c l u d e d a s c o n d e n s e d s t e a m . T h i s w i l l b e a s t u d e n t ’ s l a r g e s t s o u r c e o f e r r o r . H e a t i s l o s t f r o m t w o s o u r c e s i n t h i s e x p e r i m e n t . a . E a c h g r a m o f s t e a m l o s e s 5 4 0 c a l o r i e s / g r a m w h e n i t c o n d e n s e s a t 1 0 0 ° C . b . T h e 1 0 - 1 2 g r a m s o f c o n d e n s e d w a t e r t h a t f o r m s a n d t h e n c o o l s t o t h e e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e w i l l a l s o l o s e h e a t ( Q = g r a m s 0 A T 0 C . T h e h e a t t h a t i s g a i n e d i n t h i s e x p e r i m e n t i n c l u d e s : a . H e a t g a i n e d b y t h e c o l d w a t e r . b . H e a t g a i n e d b y t h e c a l o r i m e t e r . 3 5 9 B I B L I O G R A P H Y 3 6 0 B i b l i o g r a p h y B e i s e r , A r t h u r ( 1 9 7 9 ) , E n e r g y . M o d e m T e c h n i c a l P h y s i c s , T h i r d E d i t i o n , 7 , B l a c k , J o h n B a n d R o b e r t O . M c C l i n t o c k , A n I n t e r p r e t a t i o n C o n s t r u c t i o n A p p r o a c h t o C o n s t r u c t i v i s t D e s i g n , h _ t t g l l w w w . i l t . c o l u m b i a . e d u / p u b l i c a t i o n s / p a p e r s f i c o n . h t m l B l a c k , J . B . & M c C l i n t o c k , R C . ( 1 9 9 6 ) . A n i n t e r p r e t a t i o n - c o n s t r u c t i o n a p p r o a c h t o c o n s t r u c t i v i s t d e s i g n . I n B . G . W i l s o n ( E d ) , C o n s t r u c t i v i s t l e a r n i n g e n v i r o n m e n t s : C a s e s t u d i e s i n i n s t r u c t i o n a l d e s i g n . E n g l e w o o d C l i f f s N J : E d u c a t i o n a l T e c h n o l o g y P u b l i c a t i o n s . B r u n n e r , J . ( 1 9 8 5 ) . V y g o t s k y : A n h i s t o r i c a l a n d c o n c e p t u a l p e r s p e c t i v e . C u l t u r e , c o m m u n i c a t i o n , a n d c o g n i t i o n V y g o t s k i a n p e r s p e c t i v e s , 2 1 - 3 4 . L o n g d o n : C a m b r i d g e U n i v e r s i t y P r e s s . B u e c h e , F . , ( 1 9 7 4 ) T h e r m a l P r o p e r t i e s o f M a t t e r , P r i n c i p l e s o f P h y s i c s , T h i r d E d i t i o n , 1 1 , 2 4 8 - 2 7 2 C o l l i n s , A . , B r o w n a n d N e w m a n , S E . ( 1 9 8 8 ) . C o g n i t i v e a p p r e n t i c e s h i p : t e a c h i n g t h e c r a f t o f r e a d i n g , w r i t i n g a n d m a t h e m a t i c s . I n L . B . R e s n i c k ( E d . ) C o g n i t i o n a n d I n s t r u c t i o n : I s s u e s a n d a g e n d a s . H i l l s d a l e , N J : L E A C o n w a y , J u d i t h ( 1 9 9 7 ) . E d u c a t i o n a l T e c h n o l o g y ’ s E f f e c t o n M o d e l s o f I n s t r u c t i o n , h t _ t p : l l c o p l a n d . u d e l . e d u l ~ j c o n w a y / E D S T 6 6 6 . h t m D e w e y , J o h n . D e m o c r a c y a n d E d u c a t i o n . N e w Y o r k : F r e e p r e s s , 1 9 6 6 . E r n s t , P . ( 1 9 9 5 ) . T h e o n e a n d t h e m a n y . I n L . S t e f f e & J . G a l e ( E d s ) . C o n s t m c t i v i s m i n e d u c a t i o n ( 4 5 9 - 4 8 6 ) . N e w J e r s e y : L a w r e n c e E r l b a u m A s s o c i a t e s . I n c . G e r g e n , K . ( 1 9 9 5 ) . S o c i a l c o n s t r u c t i o n a n d t h e e d u c a t i o n a l p r o c e s s . I n L . S t e f f e 8 . J . G a l e ( E d s ) . C o n s t r u c t i v i s m i n e d u c a t i o n , ( 1 7 - 3 9 ) . N e w J e r s e y : L a w r e n c e E r l b a u m A s s o c i a t e s , I n c . G o k h a l e , A n u r a d h a A . , C o l l a b o r a t i v e L e a r n i n g E n h a n c e s C r i t i c a l T h i n k i n g , h g p z l l s c h o l a r . l i b . v t . e d u / e j o u r n a l l e T E f j t e - v 7 n 1 : g o k h a l e . j t e - v 7 n 1 . h t m l H a b e r - S c h a i m , U r i , C r o s s , J u d s o n B . , A b e g g , G e r a l d L . , D o d g e , J o h n H , W a l t e r , J a m e s A . , ( 1 9 7 7 ) M o l e c u l a r M o t i o n - T h e r m a l E x p a n s i o n o f S o l i d s , I n t r o d u c t o r y P h y s i c a l S c i e n c e , T h i r d E d i t i o n 9 , 1 7 3 - 1 7 4 . 3 6 1 H e w i t t , P a u l G . , ( 2 0 0 2 ) H e a t , C o n c e p t u a l P h y s i c s , 3 , 3 0 6 - 3 7 0 . H o l t , R i n e h a r t a n d W i n s t o n , ( 1 9 9 0 ) , H e a t i n g a n d C h e m i c a l E f f e c t s , M o d e m P h y s i c s h g p z l l e d w e b s d s u . e d u / c o u r s e s l e d _ t _ e c 5 4 0 l P e r s p e c t i v e s , H o w i s k n o w l e d g e p r o c e s s e d o r H o w d o l e a r n e r s l e a r n ? J o h n s o n D . , J o h n s o n , R . , H o l u b e c , E . a n d R o y , P . ( 1 9 8 4 ) . C i r c l e s o f I e a m i n g . A l e x a n d r i a , V A : A S C D . J o h n s o n , R . T . , & J o h n s o n , D . W . ( 1 9 8 6 ) . A c t i o n r e s e a r c h : C o o p e r a t i v e l e a m i n g i n t h e s c i e n c e c l a s s r o o m . S c i e n c e a n d C h i l d r e n , 2 4 , 3 1 - 3 2 . M c C l i m e n t , E d w a r d R . , ( 1 9 8 4 ) , T e m p e r a t u r e , P h y s i c s 1 1 , 3 2 2 - 3 4 2 . M c C l i n t o c k , R . ( 1 9 7 1 ) T o w a r d a p l a c e f o r s t u d y i n a w o r l d o f i n s t r u c t i o n . T e a c h e r s C o l l e g e R e c o r d , 7 2 , 4 0 5 - 4 1 6 . M u r p h y , E l i z a b e t h , ( 1 9 9 7 ) , C o n s t r u c t i v i s t L e a r n i n g T h e o r y , w w w . s t e m n e t . n f . c a / ~ e l m u r p h y / e m u r p h y l M i l l e r , F r a n k l i n , J r . ( 1 9 5 9 , 1 9 6 7 a n d 1 9 7 2 ) T e m p e r a t u r e a n d E x p a n s i o n , C o l l e g e P h y s i c s , 1 3 , 2 8 7 - 2 9 5 . M u r p h y , J a m e s T . , H o l l o n , J a m e s M a x , Z i t z e w i t z , P a u l W . , ( 1 9 8 6 ) , T h e r m a l E n e r g y . P h y s i c s - P r i n c i p l e s & P r o b l e m s 1 2 , 1 9 4 - 2 1 5 . P i a g e t , J e a n . T o U n d e r s t a n d i s t o I n v e n t . N e w Y o r k , G r o s s m a n , 1 9 7 3 . R o b l y e r , E d w a r d s , a n d H a v r i l u k , M . D . , E d w a r d s , J a c k & H a v r i l u k , M a r y A n n e & 1 9 9 7 ) I n t e g r a t i n g E d u c a t i o n a l T e c h n o l o g y i n t o T e a c h i n g , M e r r i l l , U p p e r S a d d l e R i v e r , N J . R o s e n s h i n e , B . ( 1 9 8 6 ) . S y n t h e s i s o f r e s e a r c h o n e x p l i c i t t e a c h i n g , E d u c a t i o n a l L e a d e r s h i p . A p r i l i s s u e , ( 6 0 - 6 9 ) . S e r w a y , R a y m o n d A . , F a u g h n , J e r r y S . , ( 1 9 8 5 ) T h e r m o d y n a m i c s , C o l l e g e P h y s i c s . S l a v i n , R . E . ( 1 9 8 9 ) . R e s e a r c h o n c o o p e r a t i v e l e a r n i n g : A n i n t e r n a t i o n a l p e r s p e c t i v e . S c a n d i n a v i a n J o u r n a l o f E d u c a t i o n a l R e s e a r c h , 3 3 ( 4 ) , 2 3 1 - 2 4 3 . S t o l l b e r g , R o b e r t a n d H i l l , F a i t h F i t c h ( 1 9 8 0 , 1 9 7 5 ) P h y s i c s , F u n d a m e n t a l s a n d F r o n t i e r s — R e v i s e d E d i t i o n , 7 , 2 1 1 - 2 4 3 . 3 6 2 T i l l e y , D o n a l d E . , ( 1 9 7 9 ) , E n e r g y . C o n t e m p o r a r y C o l l e g e P h y s i c s , 5 , 1 1 3 - 1 3 7 . T o t t e n , S . , S i l l s , T . , D i g b y , A . , & R u s s , P . ( 1 9 9 1 ) . C o o p e r a t i v e l e a m i n g : A G u i d e t o R e s e a r c h . N e w Y o r k , G a r l a n d v o n G l a s e r s f e l d , E . ( 1 9 8 4 ) . A n i n t r o d u c t i o n t o r a d i c a l c o n s t r u c t i v i s m . I n P . W a l t z l a w i c k , T h e I n v e n t e d R e a l i t y , ( 1 7 - 4 0 ) . N e w Y o r k : W . W . N o r t o n & C o m p a n y . v o n G l a s e r s f e l d , E . ( 1 9 9 5 ) . A c o n s t r u c t i v i s t a p p r o a c h t o t e a c h i n g . I n L . S t e f f e & J . G a l e ( E d s ) . ( 1 9 9 5 ) . C o n s t r u c t i v i s m i n e d u c a t i o n , ( 3 - 1 6 ) . N e w J e r s e y : L a w r e n c e E r l b a u m A s s o c i a t e s , I n c . v o n G l a s e r s f e l d , E . ( 1 9 9 5 b ) . S e n s o r y e x p e r i e n c e , a b s t r a c t i o n , a n d t e a c h i n g . I n L . S t e f f e & J . G a l e ( E d s ) . C o n s t r u c t i v i s m i n e d u c a t i o n , ( 3 6 9 - 3 8 5 ) . N e w J e r s e y : L a w r e n c e E r l b a u m A s s o c i a t e s , I n c . V y g o t s k y , L e v S . M i n d i n S o c i e t y : T h e d e v e l o p m e n t o f H i g h e r P s y c h o l o g i c a l P r o c e s s e s . C a m b r i d g e , M A : H a r v a r d U n i v e r s i t y P r e s s , 1 9 7 8 . T h e V y g o t s k y R e a d e r . R e n e v a n d e r V e e r a n d J a a n V a l s i n e r , e d s . C a m b r i d g e , M A : B l a c k w e l l , 1 9 9 4 . W e b b , N . ( 1 9 8 5 ) . S t u d e n t i n t e r a c t i o n a n d l e a m i n g i n s m a l l g r o u p s : A r e s e a r c h s u m m a r y . L e a r n i n g t o C o o p e r a t e , C o o p e r a t i n g t o L e a m , 1 4 8 - 1 7 2 . W I I s o n , B r e n t G . , M e t a p h o r s f o r I n s t r u c t i o n : W h y W e T a l k a b o u t L e a r n i n g E n v i r o n m e n t s , n t _ t p : l / c g _ r _ b o n . c u d e n v e r . e d u l ~ b w i l s o n l w i l s 9 5 W i l s o n , B C . ( 1 9 9 6 ) . C o n s t r u c t i v i s t l e a r n i n g e n v i r o n m e n t s : C a s e s t u d i e s i n i n s t r u c t i o n a l d e s i g n . E n g l e w o o d C l i f f s N J : E d u c a t i o n a l T e c h n o l o g y P u b l i c a t i o n s . 3 6 3 1 . 1 . 1 . 1 1 I I l I I I ' . I l v f l . . . . A R I E I I I T T T T T T T T T T T T T T T T T T T I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I 3 1 2 9 3 0 2 5 0 4