Методика вимірювань та опис установки

Метод ґрунтується на залежності швидкості охолодження тіла від різниці температур тіла та зовнішнього середовища, а також його питомої теплоємності. Порівнюючи криві охолодження двох зразків, один з яких є еталоном, можна визначити питому теплоємність іншого зразка.

Кількість тепла, що втрачається елементом об'єму тіла dV за час dt можна визначити із співвідношення

dQ = с·ρ· dV·dt, (10)

де ρ – густина тіла, - швидкість охолодження температури тіла.

З іншого боку, таку ж кількість тепла, що віддається тілом за час dt, можна визначити дослідним шляхом з використанням закону Ньютона:

dQ= (T-T_o)dS d , (11)

де dS – зовнішня поверхня елементу об’єма dV, що граничить з середовищем, - коефіцієнт тепловіддачі, Т- температура тіла; Т_о- температура зовнішнього середовища.

Прирівнюючи праві частини рівнянь (10) і (11), отримаємо:

с·ρ· ·dV .

Для всього тіла

.

Припускаючи, що с і  не залежать від координат точок об’єму, а , Т₀ і Т не залежать від координат точок поверхні зразка, можемо написати:

с·ρ· ·V S, (12)

де V – об’єм всього зразка; S  площа його поверхні.

Для порівняння теплоємностей металів наведеним методом необхідно виготовити з цих металів зразки, однакові за формою і розмірами.

Згідно з формулою ( 12 ) для еталонного зразка маємо

с₁ ρ_{1 =} (T-T₀)S₁ , (13)

для досліджуваного

с₂ ρ_{2 =} (T-T₀)S_{2 .} (14)

Тут ₁V₁ = m₁ і ₂V₂ = m₂ – маси порівнюваних тіл при умові, що зразки мають однакову форму та розміри і нагріваються до однакової початкової температури: V₁ = V₂ ; S₁ = S_{2 ;} = . Для забезпечення останньої умови (рівність коефіцієнтів тепловіддачі) поверхня зразків покривається термостійкою фарбою (коефіцієнт тепловіддачі визначається властивостями тільки поверхні тіл).

З (13) і (14) з врахуванням вище вказаних умов отримуємо:

. (15)

Таким чином, для визначення теплоємності другого тіла необхідно знати теплоємність першого тіла і швидкості охолодження тіл при одній і тій самій температурі. Перше тіло розглядається як еталон і для нього заздалегідь повинні бути відомими с₁ і . Звичайно еталоном обирають мідний зразок.

Схема установки для визначення теплоємності твердих тіл методом охолодження зображена на рис. 2.

Е лектрична піч (1), досліджувані зразки розміщені на оптичній лаві (2), якою забезпечується вхід до печі і вихід з неї. Зразки (3) нагрівають до 500... 600⁰ С і виймають з печі. Кінетику їх охолодження реєструють мілівольтметром (4). До термопари додається градуювальна крива, за допомогою якої визначають температуру зразків.

Отримані при вимірюванні криві

Т=f(t) через рівні проміжки часу переводять у криві

= f (t) . Швидкість визначають методом графічного диференціювання.

Послідовність виконання завдання № 1

Визначення температурної залежності питомих теплоємностей сталі та алюмінію

1. Еталонний (мідний) зразок закріпити на фарфоровому тримачі з

термопарою і ввести його в піч.

2. Ввімкнути піч. Зачекати, доки температура зразка не стане дорівнювати 500-600⁰ С. Після досягнення необхідної температури зразка вийняти його з печі.

3. Охолоджувати зразок в спокійному повітрі і через кожні 10 с визначати його температуру за показами потенціометра. Достатньо охолодити зразок до температури біля 100^оС. Результати вимірювань занести в таблицю.

4. За результатами вимірювань побудувати криву охолодження Т = f (t)

еталонного зразка. Для знаходження залежності (T) зручно користуватися графічним диференціюванням.

Криву T = f (t) розбивають на ділянки близькими одна до одної лініями, що проведені на однакових відстанях паралельно осі температур. Різниці значень ординат кривої в точках перетину її з проведеними лініями будуть визначати різницю температур ΔT за деякий проміжок часу Δt. Відношення визначить середню швидкість охолодження тіла на даній ділянці кривої і, як наслідок, середню швидкість охолодження на відповідному температурному проміжку.

Отримані числові значення заносять у таблицю:

В графу температур вписують середнє значення температури на кожній ділянці кривої (половина суми крайніх значень).