2. Методика проведения лабораторной работы

В данной лабораторной работе для определения некоторых параметров жидкости и нагревателя используется понятие о тепловом балансе системы. Данный эксперимент является многофакторным, так как для определения искомой величины необходимо устранить ряд помех и учесть побочные явления.

Для нагревания жидкости необходим подвод тепла. Для этого возможно использование нагревательных приборов (чайника). Мощность чайника, затраченная за время t₁ на нагревание 1 кг воды до кипения, численно равна количеству теплоты, которую сообщили жидкости за это время:

,

где - количество теплоты полученное жидкостью от нагревателя, - мощность, отданная нагревателем.

Так как часть выделившейся энергии на нагревателе затрачивается на теплообмен с окружающей средой (мощность потерь), на нагревание материала чайника, то тепловой баланс системы определяется из выражения:

, (1)

где

(2)

- количество теплоты, затрачиваемое для нагревания материала чайника,

(3)

- количество теплоты, затрачиваемое для нагревания воды,

- полная мощность нагревателя,

-средняя мощность потерь.

В формулах (2) и (3) - начальная температура системы жидкость-чайник, - температура, до которой нагрели систему, - теплоёмкость чайника, - удельная теплоёмкость воды.

При остывании воды уравнение теплового баланса имеет вид:

или

, (4)

где - мощность потерь, - температура до которой остыла система, - время остывания системы.

Совместное решение уравнений (1) и (2) учитывая, что средняя мощность потерь равна половине мощности потерь ( ), даёт, что мощность потерь определяется выражением:

. (5)

Если в пустой горячий чайник с температурой залить холодную воду температурой , то через некоторое время вода и чайник за счет теплообмена приобретут температуру , установится тепловое равновесие:

. (6)

Используя выражение (1) и (6), получим, что теплоёмкость 1 кг воды равна:

. (7)

Из выражения (6) теплоёмкость чайника:

. (8)

Если довести чайник до кипения и кипятить его в течении времени , то мощность, выделяемая нагревателем за это время, учитывая мощность потерь, пойдет на испарение жидкости массы :

. (9)

В выражении (9) - удельная теплота парообразования. Используя последнее выражение, она равна

. (10)

Средний коэффициент объемного расширения в процессе проведения эксперимента равен:

, (11)

где -объем горячей воды , вылитый в мерный стакан, - начальный объём воды (10^-3 м³), - температура вылитой горячей воды, -температура холодной воды.

Объем, оставшийся в чайнике после выкипания, равен:

, (12)

где - объём горячей воды после кипения. Тогда масса выкипевшей жидкости равна

, (13)

где =1000 кг/м³ – плотность воды при комнатной температуре, - объем воды, оставшийся в чайнике после вскипания, - начальный объём воды (10^-3 м³).