Определение средней теплоемкости вещества

Цель работы: определение средней теплоемкости малого количества вещества методом смешения.

Теоретические основы работы

Теплоемкостью называется количество теплоты, подведенное к системе некоторой массы, увеличивающее температуру этой системы на некоторую величину. Различают истинную и среднюю теплоемкость, а также молярную и удельную. Истинная теплоемкость – это дифференциально малое количество теплоты, подведенное к системе, увеличивающее температуру этой системы на дифференциально малую величину. Средняя теплоемкость – это количество теплоты, подведенное к системе, увеличивающее температуру этой системы на 1 К. Молярная теплоемкость – это теплоемкость вещества массой 1 моль. Удельная теплоемкость – это теплоемкость вещества массой 1 кг.

Величину теплоемкости можно определить как по справочным данным, так и экспериментальными методами. Одним из таких методов является метод смешения. Метод смешения заключается в том, что два вещества (вода и исследуемое вещество) приводятся в термический контакт. В результате теплообмена система приходит в тепловое равновесие, при котором температуры обоих веществ выравниваются. Если такой процесс провести в калориметрической установке, то к системе применимо уравнение теплового баланса.

Определение теплоемкости вещества осуществляется в две стадии: определение тепловой константы пробирки К (опыт 1) и определение теплоемкости исследуемого вещества (опыт 2).

В опыте 1 в результате теплообмена между нагретой пробиркой и калориметром с водой система приходит в тепловое равновесие, при котором температуры пробирки, калориметра и воды выравниваются. К системе тогда применимо уравнение теплового баланса:

,

где К – тепловая константа пробирки для исследуемого вещества, Дж/К; Т₁ – начальная температура пробирки, равная температуре термостата, К; Т_равн.1 – температура пробирки после установления равновесия, К (Т_равн.1= Т₂ + ΔТ₁ (граф)) – температура в калориметре после теплообмена между нагретой пробиркой и водой, К; Т₂ – температура среды, измеренная в конце опыта, К; W - тепловая константа калориметра, Дж/К; С₁ – удельная теплоемкость воды, Дж/(кг∙К); m₁ – масса воды, залитой в калориметр, кг; ΔТ₁ – изменение температуры в результате опыта, найденное графически, К.

В опыте 2 в уравнении теплового баланса учитываются теплоемкость и масса нагретого исследуемого вещества:

,

где С₂ – теплоемкость исследуемого вещества, Дж/(кг∙К); m₂ – масса навески исследуемого вещества, кг; Т_равн.2 – температура пробирки с веществом после установления равновесия, К (Т_равн.2 = Т₃ + ΔТ₂ (граф)) – в калориметре после теплообмена между нагретой пробиркой и водой; Т₃ – температура среды, измеренная в конце опыта, К; ΔТ₂ – изменение температуры в результате теплообмена, найденное графически, К.

Приборы и материалы: термостат, калориметр, термометр Бекмана, мешалка, секундомер, аналитические весы, мерная колба, контейнер (стеклянный сосуд из толстого стекла), дистиллированная вода, исследуемое вещество.

Порядок выполнения работы

1. Получить от преподавателя задание по виду и количеству исследуемого вещества.

2. Включить термостат и нагреть его до Т₁ = 50 ⁰С.

3. Поместить в термостат две одинаковых пробирки, используемых в двух опытах: одну пустую, а другую – с навеской исследуемого вещества на 15-20 мин.

4. Тем временем установить в калориметр термометр Бекмана и мешалку. Залить 60 мл дистиллированной воды комнатной температуры (объем измерить мерным цилиндром).

5. Перемешивая воду, записывать через 1 минуту показания термометра Бекмана в течение 7 – 10 мин до равновесного значения температур. Не прерывая отсчета времени, на 8 – 11 мин от начала опыта поместить в калориметре пробирку, нагретую в термостате. Продолжить отсчет времени еще 10 мин.

6. После окончания отсчетов измерить температуру воды в калориметре обычным термометром Т₂. По результатам опыта построить график изменения температуры и определить графически ΔТ₁.

7. Используя уравнение теплового баланса (опыт 1), рассчитать тепловую константу пробирки.

8. Провести второй опыт с навеской вещества, помещенного во вторую пробирку, в соответствии с пп. 4 и 5. В конце опыта измерить температуру среды Т₃ обычным термометром. По результатам опыта построить график изменения температуры и определить графически ΔТ₂.

9. По результатам опыта рассчитать среднюю теплоемкость исследуемого вещества по второму уравнению теплового баланса (опыт 2).

10. Использовать для расчетов следующие справочные величины:

W = 14,6 Дж/К; С₁ – 4,18∙10³ Дж/(кг∙К).

Контрольные вопросы

1. Что называется теплоемкостью?

2. Что называется истинной и средней теплоемкостью? Как они связаны между собой?

3. Что называется удельной и молярной теплоемкостью?

4. В чем сущность метода смешения?

5. За счет чего устанавливается тепловое равновесие?

6. Для каких целей определяется тепловая константа пробирки?