Опр тепл с пом калор

Лабораторная работа 3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ С ПОМОЩЬЮ
КАЛОРИМЕТРА
Экспериментальная часть работы
Приборы и оборудование:
Водяной калориметр; электрический нагреватель; щипцы; технические весы;
разновес; мешалка; регулятор напряжения;
термопара;
график для
термопары; мензурка; исследуемые тела из разных металлов.
Техника безопасности
Перед включением лабораторного автотрансформатора (ЛАТРа) в
сеть ручку регулятора напряжения поставить в нулевое положение (против
часовой стрелки до упора).
Будьте осторожны при работе с печкой. На печь подавать
напряжение не более 70 вольт.
Тело переносите из нагревателя в калориметр только с помощью
щипцов. Температура тела больше100 0С.
1 Кратки теория метода измерения
Количество теплоты Q, полученное (или отданное) телом массы m
при изменении температуры от t1 до t 2 равно:
Q  cmt 2  t1   cmt
(1)
где c - удельная теплоемкость вещества. Из (1) следует:
c
Q
mt
(2)
Удельная теплоемкость вещества - это физическая величина,
характеризующая процесс теплообмена термодинамической системы с
окружающей средой и численно равная количеству теплоты, которое надо
сообщить единице массы системы для изменения ее температуры на
2
единицу в данном процессе.
Рис. 1. Принципиальная схема устройства калориметра
Для измерения теплоемкости исследуемое тело нагревают до
температуры t и быстро с помощью щипцов переносят в калориметр (рис.
1). Воду в калориметре осторожно помешивают термометром и следят за
изменением температуры, пока она не начнет уменьшаться. Наибольшую
температуру  принимают за температуру теплового равновесия жидкости
и тела в калориметре.
Для расчета удельной теплоемкости составляют уравнение теплового
баланса
Q1  Q2
(3)
где Q1 - количество теплоты, отданное телом при охлаждении от
температуры t до температуры  ; Q2 - количество теплоты, полученное
водой и внутренним стаканчиком калориметра при нагревании от
температуры t 0 до  . При записи уравнения теплового баланса в виде (3)
потерями тепла пренебрегают.
Введем обозначения: m - масса и c - удельная теплоемкость тела, mk и масса и ck - удельная теплоемкость калориметра, mb - масса и cb - удельная
теплоемкость воды. Тогда можно записать:
3
Q1  mct   
(4)
Q2  mk ck   t 0   mb cb   t 0 
(5)
Подставив (4) и (5) в уравнение теплового баланса (3), получим
выражение для удельной теплоемкости твердого тела:
c
mb cb  mk ck   t0 
mt   
(6)
2 Порядок выполнения работы
1. Вспомнить правила взвешивания на лабораторных весах и определить
массу исследуемого тела и внутреннего стаканчика калориметра с
точностью до 0,01 г.
2. С помощью мензурки налить в калориметр 170 г воды. Определить
начальную температуру воды t 0 термометром.
3. Подготовить к работе нагреватель (рис. 2), подсоединить его к ЛАТРу.
Температура тела в нагревателе измеряется с помощью термопары.
Концы термопары подсоединить к милливольтметру (предел шкалы 15
мВ). Показания милливольтметра позволяют по градуированному графику
определить температуру тела. Перед измерениями необходимо проверить
изоляцию проводников термопары.
4. Подать на нагреватель через ЛАТР напряжение 70 В. Нагреть тело до
температуры большей 100 0С, записать показания милливольтметра.
5. С помощью щипцов быстро перенести тело в калориметр с водой.
Осторожно помешивая воду в калориметре термометром, следить за
увеличением температуры до тех пор, пока она не начнет уменьшаться.
Записать максимальную температуру воды в калориметре  .
6. Рассчитать значение удельной теплоемкости исследуемого вещества по
формуле (6).
7. Определить
измерения.
абсолютную
c
и
относительную
c
погрешности
4
Рис. 2. Схема установки для нагревания твердого тела
Примечания
• При выполнении работы измеряются массы и температуры. Массы могут
быть определены на весах с большой точностью, а изменение температуры
определяется жидкостным термометром с недостаточно большой точностью.
Поэтому определять массу очень точно не имеет смысла.
• Погрешность измерения изменения температуры будет уменьшаться при
увеличении температуры  . Однако повышение температуры  увеличивает
потери тепла из калориметра во внешнюю среду. Чтобы не вводить поправки
в температуру, учитывая теплообмен калориметра с внешней средой,
рекомендуется брать начальную температуру воды на столько градусов
ниже комнатной температуры, на сколько она будет выше комнатной после
опускания тела. Желательно также пронаблюдать, как изменяется со
временем температура воды в калориметре после опускания в него нагретого
тела, и сделать соответствующие выводы.
3 Задания
1 Определить с помощью калориметра удельную теплоемкость меди.
Рассчитать молярную теплоемкость меди. Вычислить:
5
CÑu 
3R  CCu
3R
100%
(7)
2 Определять с помощью калориметра удельную теплоемкость железа.
Рассчитать молярную теплоемкость железа. Вычислить:
C Fe 
3R  C Fe
100%
3R
(8)
Дополнительное задание. Пользуясь теорией Дебая, рассчитать молярную
и удельную теплоемкость железа.
4 Контрольные вопросы
1 Что называется теплоемкостью тела (системы)? Что называется
молярной теплоемкостью, удельной теплоемкостью?
2. Какова связь между молярной и удельной теплоемкостями?
3. Как определить удельную теплоемкость твердого тела с помощью
калориметра?
4. До какой максимальной температуры можно нагревать тело? Почему?
5. Как пользоваться градуировочным графиком термопары?
6. Вывести рабочую формулу для расчета теплоемкости и погрешности
измерений.
7. Какие измерения вносят наибольший вклад в погрешность результата?
Как уменьшить этот вклад?
8. Каково содержание закона Дюлонга и Пти? При каких температурах этот
закон удовлетворительно описывает результаты эксперимента?
9. Каковы основные положения классической теории теплоемкости и ее
выводы?
10.Какова средняя энергия квантового осциллятора?
11.Получить формулу для теплоемкости кристаллической решетки по
Эйнштейну.
12.Чем отличаются модели теплоемкости твердых тел, предложенные
Эйнштейном и Дебаем?
13.Что такое характеристическая частота Дебая?
6
14.Что называют температурой Дебая?
15.По
какой
причине
внутренняя
энергия
кристалла
при
низких
температурах растет ~ T 4 , а при высоких температурах она растет ~ T ?
16.Существует ли связь между теплоемкостью и коэффициентом линейного
расширения кристаллов?
5 Литература
1 Кикоин A.K., Кикоин И.К. Молекулярная физика. - М.: Наука, 1976. – С 459 –
467.
2. Курс общей физики: Молекулярная физика /Е.М. Гершензон, Н.Н.Малов и др.
- М.: Просвещение, 1982. - С. 162 -169.
3. Яковлев В.Ф. Курс физики: Теплота и молекулярная физика. - М.:
Просвещение, 1976. - С. 262 - 265.
4. Епифанов Г.И. Физика твердого тела. - М.: Высшая школа, 1977 - С. 89 –
103.
5. Матвеев А.Н. Молекулярная физика. - М.: Высшая школа, 1987. -С. 289300.
6. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. - М.: Наука, 1978. -С. 211230.
7. Жданов Г.С. Физика твердого тела. - М.: МГУ, 1962. - С 378 – 381,
С 387-388.
8. Физический практикум. Механика и молекулярная физика. /Под ред. В.И.
Ивероновой. - М.: Физматгиз. 1967 - С. 196 - 198.
9. Tуровский Я.А., Бартенев Г.М. Определение теплоемкости металлов
методом охлаждения // ЖТФ. - 1940. - Т.10, вып. 6. - С. 514 - 524.
10.
Сборник задач по общему курсу физики: Термодинамика и
молекулярная физика. /Под ред. Д. В. Сивухина. - М.: Наука, 1976.