ФИЗИКА 1 семестр / Отчёты 1 семестр / ФПТ1-8

Нижегородский Государственный Технический Университет

Выксунский Филиал

Лабораторная работа ФПТ 1-8

по общей физике

Исследование теплоемкости твердых тел

Выполнила:

Герасимова Е. Н.

ПТК-09

Проверил:

Маслов В.П.

г.Выкса

2009г.

Цель работы: определение теплоемкости образцов методом электрического нагрева.

Теоретический минимум

Теплоемкостью тела называется величина, равная количеству теплоты, которое нужно сообщить телу, чтобы повысить его температуру на один Кельвин. Если при сообщении телу количества теплоты δQ температура тела повышается на dT, то, согласно определению, теплоемкость будет:

. (1)

Теплоемкостью одного моля вещества называется молярной теплоемкостью:

. (2)

Здесь υ – число молей, υ=m/M, где m – масса вещества, M – молярная масса вещества. В СИ единицей молярной теплоемкости является джоуль на моль-кельвин. Так: (Дж/моль·К).

Теплоемкость единицы массы вещества называется удельной теплоемкостью:

. (3)

В СИ единицей удельной теплоемкости является джоуль на килограмм-кельвин (Дж/(кг·К)).

Молярная и удельная теплоемкости связаны соотношением:

. (4)

Величина теплоемкости вещества зависит от условий, при которых происходит нагревание.

Исследование теплоемкости твердых тел

Методика измерений

Исследуемое тело помещается в калориметр. При достаточно медленном нагревании калориметра в фиксированный момент времени температура во всех точках калориметра и исследуемого образца одинакова. Тогда уравнение теплового баланса можно записать в виде:

, (5)

где Q – количество теплоты, переданного нагревательной спиралью; Q_К – количество теплоты, затраченное на нагревание калориметра; Q_Т – количество теплоты, затраченное на нагревание исследуемого тела; ΔQ₁ – потери теплоты в теплоизоляцию калориметра и в окружающую среду при нагревании калориметра с образцом.

Переданное нагревателем количество теплоты будет равно:

, (6)

где I – ток; U – напряжение на нагревательном элементе; τ – интервал времени, за который температура калориметра и образца изменяется на Δt.

Количество теплоты, затраченное на нагревание калориметра, может быть определено при нагревании пустого калориметра (без образца). В этом случае уравнение теплового баланса имеет вид:

, (7)

где ΔQ₂ – потери тепла в теплоизоляцию и окружающую среду при нагревании пустого калориметра; τ₀ – интервал времени, за который температура калориметра (без образца) изменяется на Δt.

При условии постоянства мощности источника питания нагревательного элемента, из уравнений (5) и (7), получаем:

. (8)

Полагая, что теплоемкость образца в рабочем интервале температур Δt (Δt<20⁰C) постоянна, согласно формуле (1), получаем линейную зависимость времени нагревания от изменения температуры исследуемого образца:

. (9)

Зависимость (9) может быть проверена экспериментально. Построив график (τ-τ₀)=f(Δt) по тангенсу угла наклона прямой к оси абсцисс α можно рассчитать теплоемкость образца

. (10)

Экспериментальная установка.

Для определения теплоемкости твердых тел предназначена экспериментальная установка ФПТ1-8, общий вид которой приведен на рис. 1.

Нагревание исследуемых образцов 1 производится в калориметре 2, принципиальная схема которого приведена на рис. 2. Калориметр представляет собой латунный корпус 2 с коническим отверстием, куда помещается исследуемый образец 1. На наружной поверхности корпуса в специальных пазах размещена нагревательная спираль 9. Снаружи корпус калориметра теплоизолирован слоями асбеста 3 и стекловолокна 6 и закрыт алюминиевым кожухом 4. Крышка калориметра 10 также теплоизолирована. Рычаг 7 и рукоятка 5 предназначены для удаления образцов из конической полости после окончания эксперимента. Для измерения температуры калориметра в его корпусе находится полупроводниковый датчик температуры 8. Температура регистрируется на цифровом индикаторе.

Нагревание калориметра осуществляется пропусканием по спирали постоянного тока низкого напряжения от источника питания, размещенного в блоке приборов. Мощность источника питания устанавливается регулятором 7 (см рис. 1). Напряжение и ток в цепи измеряются вольтметром 3 и амперметром 4, включенными в электрическую схему установки.

Время нагревания калориметра регистрируется на цифровом индикаторе. Секундомер приводится в действие нажатием клавиши 5 «Пуск». Прекращение счета времени производится повторным нажатием клавиши «Пуск». Третьим нажатием клавиши осуществляется сброс значений на индикаторе. Конструкция секундомера предусматривает фиксацию значений на индикаторе нажатием клавиши 6 «Останов» без прекращения счета времени. Сброс зафиксированных значений производится повторным нажатием клавиши «Останов», после чего на индикаторе продолжается счет с учетом времени, затраченного на фиксацию значений.

Исследуемые образцы размещены в гнездах в первом ряду. На торцевой поверхности образцов нанесена маркировка массы.

Энтропия-

является пятым параметром состояния газа и характеризует направления протекания процессов теплообмена между системой и окружающей средой.

Условно считают, что при нуле градусов Цельсия и энтропия равна нулю.

Пусть- элементарное количество теплоты, сообщаемое нагревателем системе при малом изменении её состояния, а Т – температура нагревателя. Если процесс обратимый, то температура системы тоже равна Т. Можно показать, что в отличие от отношение в обратимом процессе есть полный дифференциал функции состояния системы, называемой энтропией S системы:

Таким образом, в обратимом процессе температура Т является интегрирующим делителем, который обращает элементарную теплоту в полный дифференциал dS.

При нагревании тела и его энтропия возрастает, при охлаждении и энтропия тела убывает. В обратимом адиабатном процессе, так что и S=const. Таким образом, обратимый адиабатный процесс представляет собой изоэнтропийный процесс. Энтропия, подобно внутренней энергии, - аддитивная функция состояния системы: энтропия системы равна сумме энтропий всех тел, входящих в состав системы.

Расчеты:

Таблица№1

Номер измерения	U В	I А	t0 0С	t 0С	Δt 0С	τ0, c	τ ,c	(τ-τ0) c	CT, Дж/К	Суд,	С,
1	2	0,6	25	25	0	0	0	0	2,04	44,7
2	2	0,6	25	26	1	15,7	18,5	2,8
3	2	0,6	25	27	2	29,5	37,3	7,8
4	2	0,6	25	28	3	46,3	57,6	11,3
5	2	0,6	25	29	4	61,3	74,2	12,9
6	2	0,6	25	30	5	77,5	91,3	13,8
7	2	0,6	25	31	6	91,2	106,4	15,2
8	2	0,6	25	32	7	107,4	122,1	14,7
9	2	0,6	25	33	8	122,4	137,3	14,9
10	2	0,6	25	34	9	136,3	151,6	15,3

1. Из графика τ-τ₀=f (Δt):

=60⁰, а значит tg1,7

2. - теплоемкость алюминия;

3. - удельная теплоемкость алюминия;

m=

4. - молярная теплоемкость алюминия;

М=- молярная масса алюминия;

Погрешности косвенных измерений:

(С_Т)=<С_Т>S(С_Т)=(2,040,54)Дж/К

С_уд=<С_уд>S(С_уд)=(44,715,34)

С=<С>S(С)=(1,03 0,09)

_{Вывод: мы научились определять теплоемкость образцов металлов с помощью электрического нагрева.}