Метод випромінювання

Тіло, температура якого вища за температуру зовнішнього середовища, втрачає певну кількість теплоти внаслідок охолодження. Якщо різниця температур тіла перевищує 5°С, то кількість теп­лоти Q, яку витрачає тіло за певний проміжок часу, пропорціональна різниці температур тіла Т i зовнішнього середовища t:

де К — коефіцієнт, який залежить від властивостей поверхні тіла. При охолодженні двох тіл з однаковими випромінюючими властивостями

або

Якщо заповнити калориметр, водяний еквівалент якого дорівнює К, спочатку водою з питомою теплоємністю , а потім досліджуваною рідиною i нагріти до температури то проміжки часу i , протягом яких температура води i досліджуваної рідини понизиться від до , будуть відноситися як кількості втрачених теплот:

звідки теплоємність досліджуваної рідини

(34)

Для вимірювання питомої теплоємності рідин методом випромінювання використовують калориметр спеціальної конструкції (рис.10). У масивну посудину 2 на підставках, виготовлених з матеріалу, що погано проводить тепло, поміщають посудину 1, яка має зачорнену внутрішню поверхню. Для стабілізації температури між посудинами 1i 2заливають воду. У центрі посудини 1на шовкових нитках підвішують пластмасове кільце 8, в яке помiщають третю внутрішню посудину 7 (мідний циліндр з обідком). Термометри 3i 5служать для вимірювання відповідно температури.зовнішнього середовища та досліджуваних рідин.

Перед вимірюванням зважують внутрішню посудину калориметра з мішалкою, наповнюють її дистильованою водою i знову зва­жують. Різниця між цими двома значеннями дає масу води . Попередньо нaгpiтy в кип'ятильнику посудину з водою поміщають у калориметр. Після понижения температури води в калориметрі до 85°С записують її значення через piвнi проміжки часу (1 – 2 хв) до температури 50 °С. Аналогічно поступають з досліджуваною рідиною. Після цього будують криві залежності температури від часу (рис.11), що дає змогу визначити проміжки часу,

Рис. 10. Калориметр спеціальної конструкції: 1 – внутрішня посудина калориметра; 2 – зовнішня посудина калориметра; 3, 5 – термометри; 4 – мішалка; 6 – кришка; 7 – посудина з дослідною рідиною; 8 – пластмасове кільце.

Рис. 11. Залежність температури від часу. яких температура води i досліджуваної рідини зміниться на однакову величину ; . За формулою (34) знаходять питому теплоємність досліджуваної рідини.

протягом

Метод постійної течії (неперервного витікання рідини)

Питому теплоємність води при постійному тиску визначають за допомогою установки, зображеної на рис.12. Через скляну трубку МNпротікає вода. У звуженій частині трубки розміщений електричний нагрівникiз тонкого нixpoмовогo дроту, через який пропускають змінний електричний струм. Силу струму вимірюють амперметром А, напругу – вольтметром V.

Різницю температур води па початку звуженої частини трубки MNi на виході з неї визначають за допомогою термопари, в коло якої ввімкнено мілівольтметр. Ефективну напругу на кінцях cпіралі змінюють за допомогою автотрансформатора, який споживає напругу через стабілізатор.

Рис. 12 Метод постійної течії: /, 2, 3 – гумові шланги; 4 – нагрівник. спіраль, дорівнює де – ефективна сила струму; U ₁ – ефективна напруга на кінцях спиралі; – час проходження струму.  

Для зменшення теплообміну iз зовнішнім середовищем стінки в середній частині трубки MNвиготовляють подвійними, з прошарку між якими відкачують повітря. Вода з водопровідного крану по гумовому шлангу 1піднімається в посудину С i витікає по гумових шлангах 2 і 3. Рівень води h у посудині С підтримується однаковим, що забезпечує постійну швидкість протікання води у вузькій частині трубки MN. Регулюють швидкість за допомогою крана К.

Електричний струм, проходячи по спіралі 4, нагpiває її. У випадку рівноважного режиму кількість теплоти , яку віддає достаоипзаюранапруги

Якщо за час через будь-який nepepiз трубки протікає маса води , то для нагрівання її від температури до необхідно витратити кількість теплоти . Оскільки температура во­ди на вході i виході з трубки менша порівняно з кімнатною, воді передається певна кількість теплоти q із зовнішнього середовища. За законом Ньютона, де — коефіцієнт пропорційності; S — площа поверхні, що отримує (віддає) тепло; — різниця температур зовнішнього середовища i поверхні; — час, протягом якого передається тепло.

При встановленому режимі різниця температур пoстійна, а отже, не міняється i кількість теплоти, що одержує вода із зовнішнього середовища за одиницю часу:

Кількість теплоти, яку отримує вода від зовнішнього середовища за час , визначити важко. Тому для вилучення її з рівняння дослід повторюють при iншій швидкості протікання води, причому підбирають таку потужність струму , при якій тепловий режим залишається таким самим, тобто різниця температур на вході і виході води є однаковою i дорівнює (). Оскільки в другому досліді набирається в посудину маса води т₂ за той самий час , томожна вважати, що в обох випаках q буде однаковим, , звідки

(35)

Розглянутий метод забезпечує досить високу точність визначення питомої теплоємності рідин (до сотих долей процента).

При вимірюванні у спеціальну посудину збирають воду, витікаючу із трубки MNпротягом часу t (40... 60 с), відмічаючи при цьому значення сили струму та напруги в початковий момент часу та через кожних 10 – 20 с. Знаходять середні значення ефективної сили струму та ефективної напруги U₁. Зважуючи посудину з водою, знаходять масу М₁.

У наступній cepiї вимірювань змінюють швидкість протікання

води, а отже, i потужності струму. Потужність змінного струму розраховують за формулою , де — зсув фаз коливання напруги та струму. Оскільки індуктивність спіралі незначна, то можна прийняти, що 1. Очевидно, що М₁–М₂дорівнюватиме, .

Теплоємність води можна визначити й іншим способом, використовуючи вже відомий прилад (див. рис.12). За умови, що по трубці тече вода зі сталою витратою , а по спіралі — струм зі сталим ефективним значенням після досягнення рівноваги буде справедливим співвідношення

(36)

де U— напруга в колі (~20... 50 В); IU— потужність струму; — різниця температур на вході ()i на виході (); () – кількість теплоти, яку одержує вода від нагрівника за 1 с; – витрати енерії за 1 с.

Із графіка залежності IU = f (), побудованого за формулою (36), видно, що тангенс кута нахилу є не що інше, як , a її перетин з ординатою – витрати енергії. Отже, можна визначи­ти питому теплоємність води. Оскільки залежить лише від , то коли інтенсивність витікання води i напругу в колі змінювати так, щоб було сталим, то й буде сталим. Таким чином, можна побудувати графік секундних витрат води.

Під час досліду вода повинна надходити в посудину краплями, а не неперервним струменем, що забезпечують за допомогою крана. Оптимальна різниця температур 5... 10 К.

Для визначення питомої теплоємності води спочатку за відомим значениям Uобчислюють на кінцях трубки, за допомогою мipнoї посудини визначають масу води. Змінивши Uта режим витікання води так, щоб не змінилося, визначають масу води, що витікає за час . За одержанними даними будують графік для визначення питомої теплоємності води.

Дата добавления: 2015-05-26