Изучение теплообмена двух тел.
Цель работы: на основе понятия удельной теплоемкости и законов термодинамики определить установившуюся температуру двух тел, приведенных в тепловой контакт.
Теория.
Если два теплоизолированных от внешней среды тела, имеющих разные начальные температуры, привести в тепловой контакт друг с другом, то горячее тело будет остывать (отдавать свою энергию), а холодное - нагреваться (получать энергию).
Для количественного описания теплообмена между телами вводится понятие удельной теплоемкости с:
(1)
где 
- количество теплоты, полученной телом;
-
изменение температуры тела;
m - масса тела.
Единицей удельной теплоемкости является
.
Удельная теплоемкость показывает, какое количество теплоты необходимо для нагревания 1 кг вещества на 1 К.
Первое начало термодинамики записывается следующим образом:
, (2)
где 
- изменение внутренней энергии системы;
Q - количество полученной теплоты;
- работа внешних сил.
При теплообмене в изолированной системе
,
и внутренняя энергия всей системы (2) не
изменяется, в отличие от внутренних
энергий отдельных тел в системе, которые
изменяются:
,
отсюда следует, что:
; 
;
и
.
Выражая
и
через удельные теплоемкости тел, получим
уравнение теплового баланса:
(3)
Предположим теперь, что первое тело
имело начальную температуру
,
а второе -
.
В конечном состоянии термодинамического
равновесия установится температура
.
Тогда:
,
откуда
(4)
Порядок выполнения работы.
Очистите рабочий стол, нажав кнопку меню "Новый проект".
Соберите на рабочем столе установку из двух контейнеров с веществом, поставив один контейнер на другой. Можно воспользоваться готовыми установками, записанными в файлах Lab1, Lab1a, Lab1b, с помощью меню открыть проект.
Установите параметры для каждого вещества - сорт вещества, масса, начальная температура. Запишите эти параметры в свой лабораторный журнал. Коэффициент теплообмена с окружающей средой должен быть равен нулю для каждого контейнера.
Нажмите для каждого вещества на панели параметров кнопки "Принять параметры" и "Показать график".
Включите проектор для вывода графика на экран.
Выберите подходящие цвета для графиков (цвет линии для горячего тела можно сделать красным, а для холодного - синим).
Нажмите кнопку "Пуск" и наблюдайте на графиках изменение температур веществ в контейнерах со временем.
Когда температуры сравняются, нажмите кнопку "Стоп" и запишите установившуюся температуру в журнал (желательно записать и время выравнивания температуры).
Повторите опыт по схеме пунктов 3 - 8, изменяя параметры каждого вещества (массу, начальные температуры, сорт вещества).
Рассчитайте установившуюся температуру по формуле (4) для всех проделанных опытов и сравните ее с экспериментальными результатами.
Сформулируйте свои выводы по проделанной работе.
Контрольные вопросы.
Что называется удельной теплоемкостью? В каких единицах она измеряется?
От чего зависит удельная теплоемкость? Может ли удельная теплоемкость одного и того же вещества быть разной?
От чего зависит установившаяся температура двух тел, приведенных в тепловой контакт, которые раньше имели разные температуры?
При каких условиях справедлива формула (4)?
Как записывается первое начало термодинамики? Какой смысл имеют входящие в него физические величины?
Какова область применимости первого начала термодинамики? Существуют ли системы, для которых первое начало не справедливо?
Как формулируется второе начало термодинамики для замкнутых систем?
Как объяснить, что температура человеческого тела остается постоянной, а не выравнивается с температурой окружающей среды? Нет ли здесь противоречия с законами термодинамики?
Лабораторная работа № 2