ИЗМЕРЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ ПЛАВЛЕНИЯ ЛЬДА.

Оборудование: калориметр; термометр; сосуд с теплой водой; лед; измерительный цилиндр.

Задание.

Определите удельную теплоту плавления льда, используя калориметр с теплой водой.

Теоретические основы работы.

Удельную теплоту плавления льда можно определить следующим способом. Если налить в стакан калориметра теплую воду массой m₁ с температурой t₁ и опустить в нее лед массой т₂ при температуре t₃ = 0°С, то после расплавления всего льда установится температура t₂ воды в калориметре, которая может быть определена из уравнения:

m₂λ + m₂c(t₂ – t₃) = m₁c(t₁ – t₂) + m_k c_k(t₄ – t₂),

где λ — удельная теплота плавления льда, с — удельная теплоемкость воды, m_k—масса калориметра, c_k—удельная теплоемкость вещества калориметра, t₄ — начальная температура калориметра.

Эксперимент и расчеты можно упростить, если проводить эксперимент таким образом, чтобы начальное t₄ и конечное t₂ значения температуры калориметра были одинаковыми. В этом случае уравнение теплового баланса принимает вид:

m₂λ + m₂c(t₂ – t₃) = m₁c(t₁ – t₂).

 

Если учесть, что t₃ =0 °С, то для удельной теплоты плавления льда получим:

.

Порядок выполнения работы

1. Приготовьте немного льда. Подержите лед некоторое время при комнатной температуре, чтобы его температура стала равной 0 °С. При этом часть льда должна растаять, оставшийся лед будет плавать в воде.

2. Налейте в измерительный цилиндр теплую воду объемом 150 см³. Температура теплой воды должна превышать комнатную температуру t₂ примерно на 40 °С. Измерьте температуру t₁ теплой воды в измерительном цилиндре. Перелейте теплую воду во внутренний стакан калориметра.

3. Возьмите небольшой кусок льда, осушите его фильтровальной бумагой и опустите в теплую воду в калориметре. Воду постоянно перемешивайте и следите за показаниями термометра. После полного расплавления первого куска льда положите в воду второй кусок и т. д., до тех пор, пока температура воды в калориметре не достигнет значения t₂, равного температуре воздуха в комнате.

4. Перелейте воду из стакана калориметра в измерительный цилиндр. По увеличению объема ∆ V воды найдите массу т₂ растаявшего льда.

5. Вычислите удельную теплоту плавления льда λ _э. Результаты измерений и вычислений занесите в отчетную таблицу.

6. Сравните экспериментальное значение удельной теплоты плавления λ _э с табличным значением λ _T.Определите абсолютную погрешность измерения δ = | λ _э – λ _т |. Подсчитайте относительную погрешность измерения ε = .

Отчетная таблица

m1, кг	t1, 0С	t2, 0С	∆ V, м3	m2, кг	λ э, Дж/кг	ε

Контрольные вопросы

1. Почему при выполнении расчетов не учитывалась теплоемкость калориметра?

2. В каком случае погрешность измерений будет меньше:

при быстром выполнении всех операций или при медленном? Почему?

 

 

Практическая работа № 4.

Определение удельной теплоты парообразования воды

Содержание и метод выполнения работы. Удельная теплота парообразования воды определяется по изменению ее уровня в сосуде при выкипании.

Процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы называется теплообменом, или теплопередачей. В процессе теплообмена тело может либо принимать, либо отдавать энергию, которая называется количеством теплоты.

Чтобы тело массой m₁ нагреть от начальной температуры t₁ до конечной температуры t₂, необходимо затратить количество теплоты Q₁ = cm₁(t₂ – t₁), где c – удельная теплоемкость вещества. Для превращения жидкости массой m₂ в пар при постоянной температуре ей необходимо передать количество теплоты Q₂ = Lm₂, где L – удельная теплота парообразования.

Пусть вода нагревается электрокипятильником и вся работа электрического тока идет: 1) на нагревание воды от начальной температуры t₁ до температуры кипения t₂; 2) на последующее превращение некоторой массы  m воды в пар. Тогда, согласно закону сохранения энергии, для этих двух процессов можно записать:

P τ 1 = cm1(t2 – t1); P τ 2 = Lm,

(1) (2)

где P – мощность кипятильника, c = 4190 Дж/(кг • К) – удельная теплоемкость воды, m₁ – первоначальная масса воды, t₁ – начальная температура воды, t₂ = 100 °С – конечная температура воды, τ ₁ – время нагревания воды до температуры t₂, L – удельная теплота парообразования воды, m – масса испарившейся воды, τ ₂ – время, в течение которого вода массой m превратилась в пар.

Если вода находится в цилиндрическом сосуде, то ее массу можно определить по формуле:

m₁ = ρ V₁ = ρ Sh₁, (3)

где ρ = 1000 кг/м³ – плотность воды, h₁ – начальный уровень воды (рис. а), S – площадь дна сосуда. Аналогично можно определить массу воды, которая останется после испарения:

m₂ = ρ V₂ = ρ Sh₂, (4)

где h₂ – уровень оставшейся воды (рис. б). Решая систему уравнений (1)–(4) и учитывая, что Δ m = m₁ – m₂, получим формулу для вычисления удельной теплоты парообразования воды:

Оборудование: цилиндрический сосуд (внутренний стакан калориметра); сосуд с водой; электрокипятильник; термометр; часы с секундной стрелкой; линейка с миллиметровыми делениями; лист поролона, скотч.

Ход работы

1. Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений.

2. Налейте в цилиндрический сосуд воду и измерьте ее температуру t₁ и начальный уровень h₁.

3. Осторожно, соблюдая безопасность, опустите в воду кипятильник, включите его и измерьте время τ ₁, в течение которого вода нагреется до температуры t₂ = 100 °С и начнет кипеть.

4. Дайте воде покипеть в течение некоторого времени τ ₂, после чего выключите кипятильник.

5. Измерьте уровень h₂ оставшейся в сосуде воды.

6. Удельную теплоту парообразования воды рассчитайте по формуле (5).

7. Сравните полученный результат с табличным значением и рассчитайте погрешность измерений.

Дополнительное задание. Используя предложенное оборудование, рассчитайте массу испарившейся воды и количество теплоты, которое пошло на ее испарение.

Контрольные вопросы

1. Удельная теплоемкость ртути 120 Дж/(кг • К), удельная теплота ее парообразования 0, 29 МДж/кг. Что это значит физически?
2. Какие потери энергии были допущены при проведении работы и как их можно было бы избежать?

 

Практическая работа № 5.

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: