1 применять учебный материал в своей будущей профессии. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №5

1
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №5






1.
2.
3.
4.
5.
Тема 1. Теплоемкость
(Раздел 2 - Термохимия) продолжение
Общая цель: Вам необходимо овладеть учебной программой данного занятия и научиться
применять учебный материал в своей будущей профессии.
Сделайте записи в рабочей тетради по плану:
дата;
номер занятия;
тема занятия;
цель занятия;
основные вопросы темы.
конспект лабораторной работы:
- цель работы;
- аппаратура и материалы;
- методика выполнения (рисунки, таблицы, основные формулы);
- экспериментальные результаты (расчеты);
- выводы;
- ответы на контрольные вопросы для защиты лабораторной работы.
Учебные вопросы занятия:
1.
Теплоемкость истинная и средняя.
2.
Теплоемкость идеального газа.
3.
Теплоемкость жидкостей.
4.
Теплоемкость твердого тела.
5.
Составление уравнения ΔH = f(T).
6.
Выполнение лабораторной работы №2.
7.
Расчет. Защита лабораторной работы №2 по контрольным вопросам.
Ваши действия при подготовке к занятию и отработке программы занятия
При подготовке к данному занятию
Повторите «Основы химической термодинамики (Тема1. Первое начало термодинамики и его
применение к химическим процессам. Термохимия.)» рабочей учебной программы дисциплины
«Физическая химия». Это очень важно, так как этот материал является базовой основой для
получения новых знаний и на нем строится программа занятия.
Обратите внимание на:
Рабочее уравнение Кирхгофа.
Истинная и средняя теплоемкость.
Удельная и молярная теплоемкость. Единицы измерения.
Изобарная и изохорная теплоемкость. Связь между ними для газов, жидкостей и твердых тел.
Расчет теплоемкости газов, жидкостей и твердых тел.
При отработке 1-го учебного вопроса обратите внимание на: формулы для расчета истинной
и средней теплоемкости.
При отработке 2-го учебного вопроса обратите внимание на: определение теплоемкости
идеального газа (одно-, двух- и многоатомного).
При отработке 3-го учебного вопроса обратите внимание на: формулу расчета теплоемкости
жидкостей (привести пример расчета).
При отработке 4-го учебного вопроса обратите внимание на: определение теплоемкости
твердых тел (закон Дюлонга и Пти, правило Коппа-Неймана).
При отработке 5-го учебного вопроса обратите внимание на: расчет теплового эффекта
химической реакции, если ΔН=f(Т). Интегрирование уравнения Кирхгофа.
2
При отработке 6-го учебного вопроса обратите внимание на: технику безопасности при
работе в химической лаборатории; методику выполнения лабораторной работы №2.
Подготовьте конспект этой лабораторной работы.
При отработке 7-го учебного вопроса обратите внимание на: формулы для расчета
теплоемкости твердого тела калориметрическим способом; контрольные вопросы для защиты
лабораторной работы.
Лабораторная работа № 2
Определение теплоемкости
твердых образцов в массивном калориметре
Цель и содержание. Ознакомиться с методом определения теплоемкости твердых образцов в
массивном калориметре. Определить теплоемкость неизвестного образца калориметрическим
способом. Определить материал образца.
Аппаратура и материалы: Массивный калориметр с калориметрическим термометром,
нагреватель для исследуемого вещества (термостат), алюминиевый усеченный конус
(эталонный образец), образец неизвестного материала, секундомер.
Теоретическое обоснование.
Теплоемкость вещества определяют в специально сконструированном приборекалориметре (рис. 1).
Рисунок 1 – Массивный калориметр для
определения средней теплоемкости (разрез):
3
5
1 – металлический блок (оболочка), 2 –
калориметр,
3
–
калориметрический
термометр,
4
–
теплоизолирующая
1
подставка,
5
–
электрический
нагреватель, 6
2
7
– металлический корпус, 7 – исследуемый
6
образец в форме усеченного конуса.
4
Тепловое значение калориметра W находят тогда по уравнению (1), где q – известно:
W=q/t.
(1)
Такой метод опытного определения величины W широко используется в современной
калориметрии и применяется в этой работе.
Если бы можно было создать условия, полностью исключающие теплообмен между
калориметром и окружающей его средой, проведение любого калориметрического опыта было
бы значительно упрощено. Достаточно было бы измерить температуру t1 калориметра до
проведения в нем изучаемого процесса и температуру его t2 после проведения этого процесса,
чтобы подучить необходимую для вычисления теплового эффекта разность:
t=t2-t1.
(2)
В действительности теплообмен калориметра со средой в той или иной мере всегда
происходит. Поэтому в найденную в опыте величину t должна быть внесена поправка. Для
того чтобы поправка была невелика и могла быть достоверно вычислена, необходимо
соблюдать ряд условий: калориметр должен быть по возможности изолирован в тепловом
отношении, температура пространства, окружающего калориметр, должна быть определенной
и возможно близкой к температуре калориметра.
В работе производят измерение температуры калориметра через равные промежутки
времени (30сек.) Первые 11 отсчетов температуры составляют так называемый "начальный"
период опыта. Его назначение – измерить "ход" температуры калориметра (изменение его
температуры со временем до начала теплового процесса в калориметре).
В момент 11-го отсчета (11-й отсчет целесообразно не делать, а записать его после опыта
в журнал, экстраполируя данные предыдущих отсчетов) начинают "главный" период
калориметрического опыта (вводят нагретый образец), продолжая как и в начальном периоде
3
проводить отсчеты температуры калориметра через каждые 30 секунд (примерно 6 измерений).
Главный период опыта следует считать законченным, когда изменение температуры
калориметра со временем, как и в начальном периоде опыта, становится постоянным. После
этого производят еще 10–20 отсчетов температуры, составляющих так называемый "конечный"
период опыта.
Первым отсчетом главного периода t0 является последний отсчет начального периода.
Последним отсчетом главного периода (т.е. первым отсчетом конечного периода) следует
считать отсчет, начиная с которого температура калориметра имеет постоянный “ход”. Здесь
следует заметить, что в случае сомнений, n предпочтительно взять большим (это не влияет на
результат), но не меньшим (это может внести значительную ошибку).
Теперь легко может быть найдено фактическое изменение температуры калориметра в
главном периоде опыта
t’=tn – t0.
(3)
Величину t’ следует далее исправить, учитывая теплообмен калориметра со средой.
Для вычисления этой поправки предложено несколько способов и эмпирических формул.
Для вычисления результата используются только 10 отсчетов температуры конечного
периода, но так как в процессе проведения опыта часто бывает трудно определить
продолжительность главного периода, рекомендуется в конечном периоде провести большее
количество (20–30) отсчетов.
Таблица 1 – Экспериментальные результаты
Начальный период
№
Температура
отсчета калориметра (0С)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
t0
t
Главный период
№
Температура
отсчета
калориметра (0С)
12
t1
13
t2
14
15
16
tn-1
17
tn
Конечный период
№ отсчета
Температура
калориметра (0С)
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
t
По этой формуле поправка на теплообмен вычисляется так:
t1ср  t 0ср  t n  t 0 n 1

(t )  nt 0ср 
  t  n 0  ,
(4)

 n   2
1

где: n – число отсчетов в главном периоде опыта;
t1ср – средний ход температуры за один отсчет в конечном периоде опыта;
t0ср – то же в начальном периоде.
Если калориметр теряет тепло (температура падает), tср берется со знаком "+" (в
противоположном случае знак "-").
0 – средняя температура калориметра в начальном периоде (сумма 1–го и II-го отсчетов,
деленная на 2);
n – то же для конечного периода;
tn – последний отсчет главного периода;
t0 – последний отсчет начального периода;
n 1
t
– сумма температур всех отсчетов главного периода, кроме последнего отсчета, т.е.
1
t1 + t2 + … + tn-2 + tn-1.
(5)
4
Вычисленную по этой формуле поправку следует алгебраически суммировать с
определенной в опыте величиной изменения температуры калориметра tn – t0 и получить так
называемое "исправленное" изменение температуры калориметра t.
Образец, средняя теплоемкость которого с известна из справочника (например,
алюминий), нагревают вне калориметра до постоянной температуры Т и затем вводят в
калориметр, находящийся при температуре t0 (во время 11-го отсчета, методика эксперимента
описана выше). Наблюдают изменение температуры калориметра, вызванное введением в него
этого образца. Затем рассчитывают t как показано в примере. Тепловое значение калориметра
W находят из формулы:
c (T  t n )
.
(6)
W  алюм
tn  t0
Дальше опыт проводят с образцом, теплоемкость которого неизвестна (выдает
преподаватель). Рассчитывают t с учетом поправки на теплообмен. По формуле (7) находят
теплоемкость исследуемого образца.
W (t n  t 0 )
.
(7)
с
T  tn
Разделив полученную величину c на массу образца, находят среднюю удельную
теплоемкость вещества.
Контрольные вопросы и защита лабораторной работы №2
1. Что такое удельная и мольная теплоемкость?
2. По каким формулам рассчитывают cv и cp?
3. Какова размерность теплоемкости?
4. Как рассчитывается атомная теплоемкость твердых тел при температурах, близких к 3000С?
5. Как рассчитывается теплоемкость твердых тел при температурах от 00 до немногих 0К?
6. Какими методами измеряют теплоемкости твердых тел?
1.
2.
3.
4.
1.
2.
3.
4.
Рекомендуемая литература:
Список основной литературы:
Беляев, А. П. Физическая и коллоидная химия [Текст] : учеб. для студ. вузов / А. П. Беляев, В.
И. Кучук ; под ред. А. П. Беляева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : ГЭОТАР-Медиа, 2012. - 752 с.
Разделы физической химии. лабораторные работы и тесты: уч. по. – Ставрополь: СтГМА,
2008.-120с.
Кудряшева, Н. С. Физическая химия : [базовый курс] : учебник для бакалавров / Н.С.
Кудряшева, Л.Г. Бондарева ; Сиб. федер. ун-т. – Москва : Юрайт, 2012. – 340 с.
Горшков, В. И. Основы физической химии : учебник / В. И. Горшков, И. А. Кузнецов. – 3-е изд.
– Москва : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – 407 с.
Дополнительная литература:
Задачи по физической химии : учеб. пособие для студентов вузов / В.В. Еремин, С.И. Каргов,
И.А. Успенская [и др.]. – Москва : Экзамен, 2005. – 318 с.
Основы физической химии : теория и задачи : учеб. пособие для вузов / [Еремин В. В. и др.] ;
Мос.гос. ун-т им. М. В. Ломоносова. – М. : Издательство "Экзамен", 2005. – 478 с.
Стромберг, А. Г. Физическая химия : учебник для вузов / А. Г. Стромберг, Д. П. Семченко ; под
ред. А. Г. Стромберга. – Изд. 4-е испр. – М. : Высшая школа, 2001. – 527 с.
Бокштейн, Б. С. Краткий курс физической химии : учеб. пособие для вузов / Б. С. Бокштейн, М.
И. Менделеев. – Изд. 2-е., испр. – М. : ЧеРо, 2001. – 232 с.