Определение теплоемкости и водяного эквивалента калориметра и термометра

Вводные лабораторные работы

По термодинамике

Пенза, 2006

Пензенский государственный педагогический университет

имени В. Г. Белинского

УДК 53(075)

А. Ю. Казаков, Н. И. Аксененко, Т. В. Ляпина

Вводные лабораторные работы

По термодинамике

Пенза, 2006

Печатается по решению редакционно-издательского совета Пензенского государственного педагогического университета имени В. Г. Белинского

УДК 53(075)

Казаков, А. Ю. Вводные лабораторные работы по термодинамике

/ А. Ю. Казаков, Н. И. Аксененко, Т. В. Ляпина. – Пенза: ПГПУ, 2006. – 24 с.

Учебно-методическое пособие предназначено студентам физико-математического факультета, а также других факультетов изучающих физику. Пособие содержит элементы теории, описание конкретных лабораторных работ, поэтапные инструкции по их выполнению, контрольные вопросы и задания. Даны разработки лабораторных работ «Определение теплоемкости и водяного эквивалента калориметра и термометра», «Определение удельной теплоемкости твердого тела».

Ó Пензенский государственный

педагогический университет

имени В.Г. Белинского, 2006

Ó А. Ю. Казаков, 2006

Ó Н. И. Аксененко, 2006

Ó Т. В. Ляпина, 2006

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ И ВОДЯНОГО ЭКВИВАЛЕНТА КАЛОРИМЕТРА И ТЕРМОМЕТРА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить устройство и правила пользования термометром и калориметром; сформировать навыки измерения температуры; подтвердить экспериментально справедливость уравнения теплового баланса, определить теплоемкости и водяной эквивалент калориметра и термометра.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: калориметр, термометр, мензурка, жидкость (вода).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

– изучить устройство термометра и калориметра;

– определить теплоемкость термометра;

– определить теплоемкость калориметра;

– вычислить водяной эквивалент термометра;

– вычислить водяной эквивалент калориметра;

– оформить в виде таблицы результаты измерений и вычислений;

– записать свои предложения по улучшению техники измерений и вычислений в данной работе;

– оценить полученные в эксперименте результаты.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ОПЫТА

Энергия, которую тело получает или отдает при теплопередаче, называется КОЛИЧЕСТВОМ ТЕПЛОТЫ. Термин «количество теплоты» принято относить к изменению внутренней энергии только путем теплопередачи. Количество теплоты, необходимое для нагревания тела (или выделяемое им при остывании), зависит от рода вещества, из которого оно состоит, от массы этого тела и от величин изменения его температуры. Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты требуется для изменения температуры вещества массой 1 кг на 1 К, называется удельной теплоемкостью вещества. Удельную теплоемкость вещества обозначают буквой с, единицей удельной теплоемкости вещества является 1 Дж/кг∙К.

Чтобы подсчитать количество теплоты, необходимое для нагревания тела или выделяемое им при охлаждении, нужно удельную теплоемкость вещества умножить на массу тела и на изменение температуры:

(1.1), где

Q – количество теплоты,

с – удельная теплоемкость вещества,

m – масса тела,

(t₁ – t₂) – изменение температуры тела.

Опыт показывает, что если между телами в замкнутой системе происходит теплообмен, то внутренняя энергия всех нагревающихся тел увеличивается на столько, на сколько уменьшается внутренняя энергия остывающих тел, т. е. количество теплоты Q_отд, отданное некоторыми телами, равно количеству теплоты Q_пол, полученному другими телами:

Q_{отд =}Q_пол (1.2).

Это уравнение теплового баланса.

При проведении опытов по смешиванию холодной и горячей воды обычно отданная горячей водой энергия больше энергии, полученной холодной водой. Это объясняется тем, что часть энергии передается окружающему воздуху, а часть – сосуду, в котором смешивали воду. Если подсчитать и учесть эти потери, то равенство будет точным.

Для экспериментального измерения количества теплоты, отданного или полученного телом, служат специальные приборы – калориметры.

Калориметр состоит из двух сосудов, разделенных воздушным промежутком. Дно внутреннего сосуда отделено от внешнего подставкой. Такое устройство позволяет уменьшить теплообмен содержимого внутреннего сосуда с внешней средой.

Необходимо учитывать, что теплота передается не только содержимому внутреннего сосуда калориметра (воде), но и самому сосуду, а также различным устройствам, которые могут в него помещаться (термометр). Поэтому перед измерением количества теплоты в калориметре нужно определить теплоемкости калориметра и термометра: количество теплоты, нагревающее "пустой" калориметр или термометр на один градус.

Для определения теплоемкости термометра необходимо взять отвешенное количество горячей и холодной воды. Нагреть термометр в горячей воде до температуры t, потом быстро погрузить его в отвешенное небольшое количество холодной воды массой М в калориметре, температура которой повышается вследствие этого от до . Количество теплоты, отданное термометром:

(1.3),

где w – теплоемкость термометра.

Количество теплоты, полученное холодной водой:

(1.4),

где М и с – масса и удельная теплоемкость воды соответственно.

Составим уравнение теплового баланса:

Q_отд = Q_пол,

(1.5).

Выразим теплоемкость термометра:

(1.6).

Для определения теплоемкости калориметра поместим внутренний сосуд c водой во внешний, опустим в воду термометр и определим ее температуру t₀. Возьмем горячую воду, измерим ее температуру t₁ и нальем в калориметр. Перемешаем воду и, когда установится тепловое равновесие, определим конечную температуру t₂. Количество теплоты, отданное горячей водой:

(1.7),

где – масса горячей воды.

Количество теплоты, полученное холодной водой:

(1.8),

где М – масса холодной воды,

– теплоемкость калориметра.

На основании закона сохранения энергии составим уравнение теплового баланса:

Q_{отд =}Q_пол,

(1.9).

Решая последнее уравнение, найдем теплоемкость калориметра:

(1.10).

Физическая величина, численно равная массе воды, которая нагревается на один градус тем же количеством тепла, что и данное тело, называется ВОДЯНЫМ ЭКВИВАЛЕНТОМ тела.

ЗАДАНИЕ 1

ОПРЕДЕЛИТЬ ТЕПЛОЕМКОСТЬ И ВОДЯНОЙ ЭКВИВАЛЕНТ ТЕРМОМЕТРА

1. Налить в калориметр отвешенное количество холодной воды массой М (примерно 50 г.) комнатной температуры.

2. Налить в мензурку некоторое количество горячей воды массой (примерно 75 г).

3. Измерить температуру холодной воды

4. Нагреть термометр в горячей воде до температуры t (до 60–70 °С).

5. Погрузить нагретый термометр в калориметр и измерить конечную температуру воды в калориметре.

6. Определить теплоемкость термометра по формуле 1.6.

7. Рассчитать водяной эквивалент термометра исходя из определения.

8. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1.

ЗАДАНИЕ 2

ОПРЕДЕЛИТЬ ТЕПЛОЕМКОСТЬ И ВОДЯНОЙ ЭКВИВАЛЕНТ КАЛОРИМЕТРА

1. Налить в калориметр отвешенное количество холодной воды комнатной температуры массой М (примерно 50 г).

2. Налить в мензурку некоторое количество горячей (температура около 60 °С) воды массой (примерно 75 г).

3. Измерить температуру холодной воды в калориметре t₀.

4. Измерить температуру горячей воды t₁.

5. Налить горячую воду в калориметр. Перемешать воду и измерить конечную температуру воды в калориметре t₂.

6. Определить теплоемкость калориметра по формуле 1.10.

7. Рассчитать водяной эквивалент калориметра исходя из определения.

8. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 2.

9. Записать выводы по лабораторной работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Что называется водяным эквивалентом калориметра, термометра?

2. Что называется теплоемкостью тела, молярной теплоемкостью и удельной теплоемкостью вещества?

3. Объяснить физический смысл уравнения теплового баланса.

4. В чем состоит явление теплового равновесия? Какие физические явления лежат в основе термометрии?

5. Изучить раздел «Молекулярная физика» и «Тепловые явления» по школьным учебникам.

6. Какие лабораторные работы с применением калориметра можно включить в школьный практикум? Привести пример одного из экспериментов. Подготовить план его проведения, в который включить номер и название работы, перечень оборудования, таблицу измерений, расчет погрешностей.

7. Решить одну задачу по выбору преподавателя: 8, 37–46; 10, 87–93; 9, 75–78.

Таблица 1

№ п/п	М, кг	⁰C	t, ⁰С	⁰С	w, Дж/К	кг

Таблица 2

№ п/п	М, кг	М¢ кг	t₀, ⁰C	t₁, ⁰С	t₂, ⁰С	Дж/К	кг

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2