Экспериментальная установка
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ
ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)
¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾
Кафедра «Физика – I»
Ю.Н.Харитонов, Р.М. Лагидзе
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ ПО ФИЗИКЕ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 145
Москва – 2005
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ
ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)
¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾
Кафедра «Физика – I»
Ю.Н.Харитонов, Р.М. Лагидзе
Утверждено
редакционно-издательским
советом университета
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ ПО ФИЗИКЕ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 145
для студентов 1 и 2 курсов энергетических, строительных и
механических специальностей
Москва – 2005
УДК 539.19
Х20
Харитонов Ю.Н., Лагидзе Р.М.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ Методические указания к лабораторной работе №145 по дисциплине Физика под ред. проф. Курушина А.Д. – М.: МИИТ, 2005. - 11 с.
Методические указания к лабораторной работе №145 «ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ» предназначены для студентов 1 и 2 курсов энергетических, строительных и механических специальностей и соответствуют программе и учебным планам по физике (раздел «Молекулярная физика»).
Ил. 2 , табл.2.
Ó Московский государственный
Университет путей сообщения
(МИИТ), 2005
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ИЗДАНИЕ
Харитонов Юрий Николаевич, Лагидзе Раули Михайлович
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Методические указания к лабораторной работе
по физике № 145
___________________________________________________
Подписано к печати Заказ № Формат 60х84х21/16
Усл.печ.л. Изд. № Тираж 300 экз.
Цена
127994, Москва, ул. Образцова 15. Типография МИИТ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Цель работы – определение теплоемкости образцов металлов калориметрическим методом с использованием электрического нагрева.
Введение
Из теории идеального газа известно, что средняя кинетическая энергия одноатомных молекул (изолированных частиц)
где К – постоянная Больцмана
Тогда среднее значение полной энергии частицы при колебательном движении в кристаллической решетке
Полную внутреннюю энергию одного моля твердого тела получим, умножив среднюю энергию одной частицы на число независимо колеблющихся частиц, содержащихся в одном моле, т.е. на постоянную Авогадро NA:
(1)
где R – универсальная газовая постоянная, R=8,31 Дж/(моль К).
Для твердых тел вследствие малого коэффициента теплового расширения теплоемкости при постоянном давлении и постоянном объеме практически не различаются. Поэтому, учитывая (1), молярная теплоемкость твердого тела
(2)
Подставляя численное значение молярной газовой постоянной, получим:
С = 25 Дж(моль К)
Это равенство, называемое законом Дюлонга и Пти, выполняется с довольно хорошим приближением для многих веществ при комнатной температуре. Со снижением температуры теплоемкости всех твердых тел уменьшаются, приближаясь с нулю при Т 0. Вблизи абсолютного нуля молярная теплоемкость всех тел пропорциональна Т3, и только при достаточно высокой, характерной для каждого вещества температуре начинает выполняться равенство (2). Эти особенности теплоемкостей твердых тел при низких температурах можно объяснить с помощью квантовой теории теплоемкости, созданной Эйнштейном и Дебаем.
Для экспериментального определения теплоемкости исследуемое тело помещается в калориметр, который нагревается электрическим током. Если температуру калориметра с исследуемым образцом очень медленно увеличивать от начальной Tо на T, то энергия электрического тока пойдет на нагревание образца и калориметра:
(3)
где I и U- ток и напряжение нагревателя; – время нагревания; mо и m – массы калориметра и исследуемого образца; со и с – удельные теплоемкости калориметра и исследуемого образца; Q – потери тепла в теплоизоляцию калориметра и в окружающее пространство.
Для исключения из уравнения (3) количества теплоты, расходованной на нагрев калориметра и потери теплоты в окружающее пространство, необходимо при той же мощности нагревателя нагреть пустой калориметр (без образца) от начальной температуры Tо на ту же разность температур T. Потери тепла в обоих случаях будут практически одинаковыми и очень малыми, если температура защитного кожуха калориметра в обоих случаях постоянная и равная комнатной:
(4)
Из уравнений (3) и (4) вытекает
(5)
Уравнение (5) может быть использовано для экспериментального определения удельной теплоемкости материала исследуемого образца. Изменяя температуру калориметра, необходимо построить график зависимости разности времени нагрева от изменения температуры исследуемого образца: (-о)=f(T), по угловому коэффициенту которого 
можно определить удельную теплоемкость образца.
Экспериментальная установка.
Для определения теплоемкости твердых тел предназначена экспериментальная установка ФПТ1-8, общий вид которой показан на рисунке №1.
Образцы нагреваются в калориметре, схема которого приведена на рисунке №2.
Калориметр представляет собой латунный корпус с коническим отверстием, куда вставляется исследуемый образец. На наружной поверхности корпуса в специальных пазах размещается нагревательная спираль. Снаружи корпус калориметра теплоизолирован слоями асбеста и
Рисунок №1 Общий вид экспериментальной установки ФПТ1-8
1 - блок приборов; 2 – блок рабочего элемента; 3 – стойка; 4 – нагреватель; 5 – исследуемые образцы
стекловолокна и закрыт алюминиевым кожухом. Калориметр закрывается теплоизолирующей крышкой. Исследуемые образцы расположены в гнездах блока рабочего элемента 2. после окончания эксперимента образец можно вытолкнуть из конического отверстия корпуса калориметра с помощью винта. Для удаления нагретого образца в нагреватель используется рукоятка, расположенная в специальном гнезде рядом с исследуемыми образцами.
Рисунок 2 – Схема калориметра: 1 – образец; 2 – корпус; 3 – асбест; 4 – кожух; 5 – рукоять; 6 – стекловолокно; 7 – винт; 8 – датчик температуры; 9 – нагреватель; 10 – крышка.
Температура калориметра измеряется цифровым термометром, датчик которого находится в корпусе калориметра. В блоке приборов 1 расположен источник питания нагревателя, мощность которого устанавливается регулятором “Нагрев”. Напряжение и ток в цепи нагревателя измеряется вольтметром и амперметром, расположенными на передней панели блока приборов. Время нагрева калориметра измеряется секундомером, расположенным в блоке приборов. Секундомер приводится в действие при включении питания блока приборов.
Атомные массы образцов приведены в таблице №1.
Таблица №1
| № п/п | Материал образца | Атомная масса, кг/моль |
| Дюраль | 26,98 10-3 | |
| Латунь | 63,57 10-3 | |
| Сталь | 55,85 10-3 |
Порядок выполнения работы
1. Снять кожух блока рабочего элемента установки и подвесить его на винтах задней панели. Включить установку тумблером “Сеть”.
2. Пустой калориметр плотно закрыть крышкой. Включить тумблер “Нагрев”. С помощью регулятора “Нагрев” установить необходимое напряжение в цепи.
3. При температуре калориметра tо=25оC включить отсчет времени. Сделать 7-10 измерений времени нагрева пустого калориметра через интервал 1 оС. Результаты занести в таблицу №2.
Таблица №2
| Номер измер. | U, B | I, A | T K | o, c | , c | -o, c | c, Дж/(кг*К) | c, Дж/(мольК) |
4. Выключить тумблер “Нагрев”, открыть крышку и охладить калориметр до начальной температуры tо.
5. Вращая винт влево, поместить в калориметр один из исследуемых образцов, взятый по указанию преподавателя. Плотно закрыть крышку калориметра и подождать три мин. для того, чтобы температуры калориметра и образца сравнялись.
6. Включить нагреватель калориметра, установив такое же напряжение в цепи как и при нагревании пустого калориметра.
7. Включить отсчет времени при той же температуре t. Сделать 7-10 измерений времени нагревания калориметра с образцом через интервал температуры 1° С. Результаты занести в таблицу №2.
8. Регулятор “Нагрев” установить в крайнее левое положение, выключить тумблер “Нагрев”, открыть крышку калориметра. Для удаления образца из калориметра винт вращать вправо, после чего с помощью рукоятки вынуть нагретый образец.
9. Выключить установку тумблером “Сеть”