Экспериментальная установка и методика измерений

Для экспериментального определения теплоемкости в данной лабораторной работе используется калориметрический метод. Калориметр представляет собой латунный корпус с коническим отверстием, куда вставляется исследуемый образец. На наружной поверхности корпуса в специальных пазах размещается нагревательная спираль. Калориметр закрывается теплоизолирующей крышкой.

После окончания эксперимента образец можно вытолкнуть из калориметра с помощью винта. Для удаления нагретого образца из калориметра используется специальная рукоятка.

Температура калориметра измеряется цифровым термометром, датчик которого находится в корпусе калориметра. Нагревательная спираль калориметра соединена с источником питания, мощность которого устанавливается регулятором «Нагрев». Напряжение и ток в цепи нагревателя измеряются вольтметром и амперметром. Секундомер приводится в действие при включении питания приборного блока. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 3.2.

Энергия, выделяющаяся при прохождении электрического тока за время , расходуется на нагревание образца и калориметра. Количество теплоты, выделяемое нагревателем, на основании закона Джоуля-Ленца и закона сохранения энергии определяется формулой:

, (3.10)

где – ток через нагреватель,U – напряжение на нагревателе, t – время нагрева калориметра с образцом; и– массы калориметра и исследуемого образца;и– удельные теплоемкости калориметра и исследуемого образца;– потери тепла.

Рис. 3.2. Лабораторная установка для определения теплоемкости твердых тел:

1, 2 – измерительные блоки; 3 – подставка; 4 – калориметр; 5 – образцы;

6 – датчик температуры

Для исключения из расчетов количества теплоты, расходуемой на нагрев калориметра и потерь теплоты в окружающее пространство, необходимо при той же мощности нагревателя нагреть пустой калориметр (без образца) от такой же начальной температуры на такую же величину. Потери тепла в обоих случаях будут практически одинаковыми ().

. (3.11)

Вычитая уравнение (3.11) из уравнения (3.10), получаем:

. (3.12)

Это уравнение может быть использовано для определения теплоемкости материала. Построим график зависимости разности времени нагрева калориметра с образцом и времени нагрева пустого калориметраот изменения температуры при нагреве. Угловой коэффициент этого графикапозволяет определить удельную теплоемкость образца. Для определения молярной теплоемкости необходимо воспользоваться формулой:

, (3.13)

где – молярная масса исследуемого вещества. Данные для образцов, используемых в данной работе, приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Массы и молярные массы лабораторных образцов

Материал образца	Молярная масса вещества, кг/моль	Масса образца, г
Дюраль		34
Латунь		142
Сталь		132

Эксперимент осуществляется в следующем порядке.

1. Включите установку тумблером «Сеть».

2. Пустой калориметр плотно закройте крышкой. Включите тумблер «Нагрев». С помощью регулятора «Нагрев» установите необходимое напряжение в сети. Запишите значения тока и напряжения на нагревателе.

3. При температуре ⁰ С включите отсчет времени. Сделайте 7-10 измерений времени нагрева пустого калориметра через интервал 1⁰ С.

4. Выключите тумблер «Нагрев», откройте крышку и охладите калориметр до начальной температуры .

5. Поместите в калориметр один из исследуемых образцов, взятый по указанию преподавателя. Плотно закройте крышку калориметра и подождите 3 мин для того, чтобы температуры калориметра и образца сравнялись.

6. Включите нагреватель калориметра, установив такое же напряжение в цепи, как и при нагреве пустого калориметра.

7. Включите отсчет времени при той же начальной температуре . Сделайте 7-10 измерений времени нагрева калориметра с образцом через интервал 1⁰С.

8. Регулятор «Нагрев» установите в крайнее левое положение, выключите тумблер, откройте крышку калориметра. Для удаления образца из калориметра винт вращайте вправо, после чего с помощью рукоятки выньте нагретый образец.