Тема: Визначення питомої теплоємності речовини.
Мета: визначити питому теплоємність речовини у твердому стані.
Обладнання: мірний циліндр; терези з важками; термометр; калориметр; металеве тіло з ниткою; склянка з водою кімнатної температури; паперові серветки; мішалка; електричний чайник з водою, що кипить (один на клас).
Опрацювання результатів експерименту
1. Визначте масу води в калориметрі $(m_{\text{води}} = \rho_{\text{води}} V_{\text{води}})$. Результат обчислень занесіть до таблиці.
$m_{\text{води}} = \rho_{\text{води}} \cdot V_{\text{води}} = 1 \text{ г/см}^3 \cdot 150 \text{ см}^3 = 150 \text{ г} = 0{,}15 \text{ кг}$
2. Помірку́йте та запов́ніть стовпчики 5–7 таблиці.
Виміряні дані:
$c_{\text{води}} = 4200$ Дж/(кг·°C), $t_{0\text{тіла}} = 98°C$ (температура кипіння), $t = 28°C$ (кінцева температура)
| Вода | Тверде тіло | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| $t_{0\text{води}}$, °C | $t$, °C | $V_{\text{води}}$, м³ | $m_{\text{води}}$, кг | $c_{\text{води}}$, Дж/(кг·°C) | $t_{0\text{тіла}}$, °C | $t$, °C | $m_{\text{тіла}}$, кг | $c_{\text{тіла}}$, Дж/(кг·°C) |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| 20 | 28 | 0,00015 | 0,15 | 4200 | 98 | 28 | 0,08 | 900 |
3. Скориставшись формулою $c_{\text{тіла}} = \frac{c_{\text{води}} m_{\text{води}} (t – t_{0\text{води}})}{m_{\text{тіла}} (t_{0\text{тіла}} – t)}$, визначте питому теплоємність металу, з якого виготовлено тіло $(c_{\text{тіла}})$.
$c_{\text{тіла}} = \dfrac{4200 \cdot 0{,}15 \cdot (28 – 20)}{0{,}08 \cdot (98 – 28)} = \dfrac{4200 \cdot 0{,}15 \cdot 8}{0{,}08 \cdot 70} = \dfrac{5040}{5{,}6} = 900$ Дж/(кг·°C)
4. Скориставшись таблицею питомих теплоємностей деяких речовин у твердому стані, дізнайтеся, з якого металу виготовлено тіло.
Обчислене значення $c_{\text{тіла}} = 900$ Дж/(кг·°C) відповідає алюмінію, чия табличне значення питомої теплоємності становить $920$ Дж/(кг·°C). Тіло виготовлено з алюмінію.
Аналіз результатів експерименту
а) Яку величину визначали в експерименті?
У роботі визначали питому теплоємність металу у твердому стані методом калориметрії. Питома теплоємність показує, яку кількість теплоти потрібно передати 1 кг речовини для нагрівання її на 1°C.
б) Який результат отримали?
За допомогою формули $c_{\text{тіла}} = \frac{c_{\text{води}} m_{\text{води}} (t – t_{0\text{води}})}{m_{\text{тіла}} (t_{0\text{тіла}} – t)}$ обчислили питому теплоємність металу: $c_{\text{тіла}} = 900$ Дж/(кг·°C). Порівнявши це значення з табличними даними, встановили, що досліджуване тіло виготовлено з алюмінію (табличне значення 920 Дж/(кг·°C)). Відхилення від табличного значення становить близько 2%.
в) Які чинники вплинули на точність результату?
На точність вимірювання вплинули декілька факторів. По-перше, частина теплоти передалася калориметру та термометру, а не тільки воді. По-друге, під час переміщення гарячого тіла з киплячої води до калориметра воно встигло трохи охолонути. По-третє, похибки виникли при вимірюванні температури та маси тіл. Також теплообмін із навколишнім середовищем призвів до втрат теплоти.
Творче завдання
Запропонуйте спосіб визначення питомої теплоємності рідини. Запишіть план відповідного експерименту.
План експерименту:
1. За допомогою важільних терезів визначити масу невідомої рідини ($m_р$) та масу залізного циліндра ($m_т$).
2. Термометром виміряти початкову температуру рідини ($t_р$).
3. Нагріти залізний циліндр в окропі до температури $t_т = 100°C$ та швидко занурити його в калориметр із досліджуваною рідиною.
4. Виміряти кінцеву температуру рідини та циліндра після встановлення теплової рівноваги ($t$).
5. Розрахувати питому теплоємність рідини за рівнянням теплового балансу:
$Q_{віддане} = Q_{отримане}$
$m_т \cdot c_т \cdot (t_т – t) = m_р \cdot c_р \cdot (t – t_р)$
$c_р = \dfrac{m_т \cdot c_т \cdot (t_т – t)}{m_р \cdot (t – t_р)}$
де $c_т$ — питома теплоємність заліза (беремо з таблиці: 460 Дж/(кг·°C)).