ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА
ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: калориметр, термометр, весы, испытуемые тела, мензурка (проградуированная в граммах), электронагревательный прибор.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
– подтвердить экспериментально справедливость уравнения теплового баланса;
– вычислить удельные теплоемкости твердых тел;
– оформить в виде таблицы результаты измерений и вычислений;
– записать свои предложения по улучшению техники измерений и вычислений в данной работе.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ОПЫТА
Одним из основных физических понятий термодинамики является теплоемкость.
Теплоемкостью теланазывается физическая величина, численно равная теплоте, которую надо сообщить телу для изменения ее температуры на 1 К в рассматриваемом термодинамическом процессе. С другой стороны, теплоемкость тела равна отношению теплоты dQ, сообщаемой телу, к изменению dT температуры тела в рассматриваемом термодинамическом процессе:
(2.1).
Теплоемкость тела зависит от его химического состава, массы тела и его термодинамического состояния, а также, как видно из определения, от вида процесса изменения состояния тела, в котором поступает теплота dQ.
Тепловые свойства однородных тел характеризуются значениями удельной и мольной (молярной) теплоемкости. Удельной теплоемкостью вещества называется физическая величина с, численно равная теплоте, которую надо сообщить одному килограмму вещества для изменения его температуры на 1 К в рассматриваемом термодинамическом процессе. Теплоемкость однородного тела можно определить как произведение массы тела m на удельную теплоемкость с его вещества:
или 
(2.2).
Таким образом, связь между dQ и dT для однородного тела имеет вид:
dQ = 
(2.3).
Молярной теплоемкостьюназывается физическая величина С, численно равная теплоте, которую нужно сообщить одному молю вещества для изменения его температуры на 1 К в рассматриваемом термодинамическом процессе:
С = Мс = 
(2.4),
где М – молярная масса вещества; С– его удельная теплоемкость в том же процессе.
Выражение (2.4) можно записать теперь в форме:
dQ = 
(2.5),
где 
= n – количество вещества.
Единицей измерения теплоемкости тела является 1 Дж/К, удельной теплоемкости – 1 Дж/кг.К, молярной – 1 Дж/моль.К.
Если нагревание происходит в условиях, когда объем остается постоянным, то соответствующая молярная теплоемкость называется теплоемкостью при постоянном объеме, или изохорической теплоемкостью, и обозначается Сv:
Сv = 
v.
Если при нагревании постоянным остается давление, то теплоемкость называется теплоемкостью при постоянном давлении Ср (ее можно также назвать изобарической теплоемкостью):
Ср = 
p.
Отметим, что для твердых тел непосредственному измерению доступна только теплоемкость при постоянном давлении, а не при постоянном объеме, так как из-за теплового расширения нельзя обеспечить постоянство объема тела. Однако вследствие малости изменения объема при нагревании различие между теплоемкостями Ср и Сv мало.
Экспериментально теплоемкость тела определяют, применяя уравнение теплового баланса. Пусть тело нагрето до температуры, которая выше температуры окружающей среды. Тогда, остывая, тело отдает некоторое количество тепла. По закону сохранения энергии в замкнутой системе количество тепла, полученное средой, должно быть в точности равно количеству тепла, отданного телом. В данной работе, остывая, испытуемое тело отдает тепло воде, находящейся в калориметре, и самому калориметру.
Пусть данное испытуемое тело массой m, нагретое до температуры t0, опущено в калориметр с водой, температура которой t1. В результате теплообмена температура воды и калориметра повышается до t2, а температура тела понижается до t2. Количество теплоты, отданное телом, равно:
Qотд = cm(t0 - t2) (2.6),
где с – удельная теплоемкость испытуемого тела,
t0 – начальная температура тела,
t2 – конечная температура тела,
m – масса тела.
Количество теплоты, полученное калориметром и водой равно:
(2.7),
где 
и 
– масса и удельная теплоемкость калориметра,
и 
– масса и удельная теплоемкость воды,
t1 – начальная температура воды,
t2 – конечная температура воды.
По закону сохранения энергии в замкнутой системе:
Qотд= Qпол (2.8).
Тогда, подставляя формулы 2.6 и 2.7 в уравнение 2.8 и выражая искомую величину С, получим:
(2.9).
ЗАДАНИЕ
ОПРЕДЕЛИТЬ УДЕЛЬНЫЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТРЕХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ТЕЛ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ МЕТАЛЛОВ
1. Определить значения масс тел – mi, массы калориметра – 
, удельной теплоемкости воды – 
, удельной теплоемкости калориметра – .
2. Налить в калориметр отвешенное количество холодной воды массой 
комнатной температуры (примерно 150 г).
3. Измерить начальную температуру холодной воды t1.
4. Нагреть воду в сосуде до кипения.
5. Поместить одно из испытуемых тел в кипящую воду на некоторое время. Температуру нагретого тела t0 принять равной температуре кипения воды при нормальных условиях – 100 °С.
6. Поместить нагретое тело в калориметр с водой. Дождаться окончания теплообмена и измерить конечную температуру в калориметре – t2.
7. Рассчитать удельную теплоемкость сi испытуемого тела по формуле 2.9.
8. Определить аналогично удельные теплоемкости двух других тел.
9. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 3.
10. По значениям удельных теплоемкостей определить вещества, из которых изготовлены тела.
11.
12. Измерив линейные размеры тел, определить их плотности.
13. Провести расчет погрешностей и записать результат в соответствии с ГОСТом.
14. Записать выводы по лабораторной работе.
Таблица 3
| № п/п | М', кг | М", кг | m, кг | C', Дж/кг.К | C", Дж/кг.К | t0, 0C | t1, 0C | t2, 0C | C, Дж/кг.К |