Теоретические основы

ЖИДКОСТИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

- Ознакомление с одним из методов определения теплоёмкости жидкости;

- Построение графической зависимости t= f(τ)

- Определение средней массовой удельной теплоёмкости жидкости и сравнение полученных значений с табличными.

Теплоёмкостью называется отношение количества тепла Q, подведенного (отведенного) к телу в определенном термодинамическом процессе, к соответствующему изменению температуры.

В данной лабораторной работе среднюю удельную теплоёмкость жидкости экспериментально определяют методом калориметрирования. Исследуемое вещество, количество которого известно, помещается в калориметрический сосуд. Там же помещается термометр, электрический нагреватель и мешалка. Для уменьшения тепловых потерь калориметр защищен слоем изоляции,

Для определения средней и удельной теплоемкости необходимо знать количество теплоты на нагрев исследуемого вещества Q_в, изменение температуры вещества t₂-t₁ и массу вещества m. Тогда:

(1)

Количество теплоты электронагревателя Q расходуется на нагревание исследуемого вещества – Q_в, нагревание деталей калориметра – Q_к и на тепловые потери в окружающую среду ΔQ.

Таким образом, Q= Q_в + Q_к + ΔQ.

Следовательно, Q_в=Q- Q_к - ΔQ. (2)

Теплота, идущая на нагревание деталей калориметра Q_к определяется по формуле:

Q_к = A(t₂ – t₁) (3)

где А- постоянная калориметра - количество тепла, идущего на нагревание частей калориметра в расчёте на 1 °С, кДж/град.

Наиболее простой способ определения А - расчётный. Для этого необходимо взвесить все детали калориметра и, зная удельную теплоёмкость материалов, из которых они изготовлены, произвести расчёт, то есть

A = ∑c_im_i (4)

Такой расчёт постоянной калориметра А не даёт большой точности. Постоянную калориметра обычно определяют опытным путём и дают в паспорте калориметра.

Подставляя в формулу (1) величины Q и Q_к из формул (2) и (3) получим

(5)

В этой формуле (t₂ – t₁) действительное изменение температуры вещества в опыте. Если отсутствуют тепловые потери, то есть ΔQ=0, то формула (5) принимает вид:

(6)

где (t₂′ - t₁) - изменение температуры в опыте при отсутствии тепловых потерь. Эту величину определяют из самого калориметрического опыта, для чего по опытным данным строят график изменения температуры по времени t= f(τ) (рис 1).

Рис 1. График изменения температуры жидкости во времени

Линия АВ соответствует температуре t₁ равной начальной температуре исследуемого вещества.

В момент времени τ₁ включается нагреватель и температура в калориметре возрастает, достигая температуры t₂ - линия ВС. После выключения нагревателя и достижения максимальной температуры t₂′ начинается охлаждение калориметра - кривая CD.

Тепловые потери калориметра ΔQ возникают сразу же после начала подвода тепла. Они тем больше, чем больше нагревается калориметр по сравнению с окружающей средой.

Если бы потери калориметра ΔQ отсутствовали, то конечная температура была бы выше, чем действительная t₂, она достигла бы значения t₂⁰. Величину t₂⁰ находят по изменению температуры в процессе охлаждения калориметра путём экстраполяции температурной кривой CD на момент времени τ₁, то есть построением кривой DE,

СХЕМА И ОПИСАНИЕ ОПЫТНОЙ УСТАНОВКИ

Рис. 2. Схема опытной установки

Установка состоит из калориметра 1, представляющего собой стакан, нагреваемый нагревателем 4. Исследуемая жидкость 2 перемешивается мешалкой 5 для выравнивания поля температур. Температура жидкости измеряется ртутным термометром 3. Температура окружающей среды измеряется ртутным термометром 6. Для снижения тепловых потерь калориметр окружён теплоизоляционным слоем (в данном случае слоем воздуха). Мощность нагревателя измеряется ваттметром 8.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТА

1. В калориметр заливается исследуемая жидкость массой m;

2. Записывают показания ртутного термометра 3, включают мешалку 5 и одновременно секундомер. Через каждую минуту производится замер температуры жидкости в течение 10 минут.

3. Через 10 минут одновременно с окончанием замера температуры t₁ включают нагреватель 4 и через каждую минуту производят снятие показаний ртутного термометра 3 в течение 5 минут. Записывают показания ваттметра 8.

4. По истечении 5 минут выключают нагреватель и продолжают снятие показаний температуры жидкости через каждую минуту в течении 10 минут (период ожидания),

Таким образом, все три периода температурного поля (рис. 1) снимают непрерывно друг за другом, не выключая секундомера. В конце опыта записывают показания температуры окружающей среды. Результаты замеров записывают в протокол наблюдений (таблица 1).

Таблица 1

Протокол наблюдений

Время замера τ, мин	Температура жидкости t, ^0С	Мощность нагревателя Р, кВт	Температура окружающей среды t0, °С

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТА

1. По полученным данным строитсяграфик изменения температуры жидкости по времени, то есть t= f(τ)

2. Строится кривая выбега DE и определяется величина (t₂⁰-t₁) из графика.

3. Общее количество тепла, отданного нагревателем, определяется по формуле Q = P∙τ, где Р - мощность нагревателя, кВт; τ - время работы нагревателя в основной период, с. (τ=τ₂ –τ₁)

4. Находят постоянная калориметра А ( кДж/град) по формуле 4, для этого взвешивают отдельные части калориметра на весах и находят удельную теплоемкость материалов из которых они изготовлены в термодинамических таблицах.

5. По формуле 6 определяют среднюю массовую удельную теплоёмкость жидкости и полученное значение сравнивают с табличным значением, определяя погрешность измерения.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое теплоёмкость?

2. Виды теплоемкостей.

3. В чём разница между средней и истинной теплоемкостями?

4. Как объяснить смысл всех величин, входящих в уравнение Майера? В чём состоит физический смысл уравнения Майера?

5. Каков физический смысл удельной газовой постоянной?

6. Физический смысл постоянной калориметра.

7. В чем состоит метод определения теплоёмкости жидкости, используемый в данной работе?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

Дата добавления: 2017-02-01