ФИЗИКА 1 семестр / Отчёты 1 семестр / Методички 1 семестр / ФПТ1-8 Честновой

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Нижегородский Государственный Технический Университет

Выксунский филиал

Кафедра общеобразовательных и общепрофессиональных дисциплин

Лабораторная работа ФПТ1-8.

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

г. Выкса

2006 г.

Введение.

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

Цель работы: определение теплоемкости образцов методом электрического нагрева.

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. Атомные массы образцов приведены в табл. 1.

Таблица 1

№ п/п	Материал образца	Атомная масса, кг/моль
1	Дюраль	26,98·10-3
2	Латунь	63,57·10-3
3	Сталь	55,85·10-3

После окончания нагревания для более быстрого охлаждения калориметра могут быть использованы образцы, размещенные в гнездах во втором ряду, которые последовательно помещаются в калориметр.

Порядок выполнения работы

1. Снять кожух с рабочего элемента установки и повесить его на винты задней панели. Включить установку тумблером «Сеть».

2. Плотно закрыть крышку пустого калориметра и включить нагреватель. Установить регулятор мощности источника питания 7 (рис. 1) в положение «4» или «5».

3. При температуре калориметра t₀, равной 25 ⁰С, включить секундомер. Произвести 7-10 измерений времени нагревания пустого калориметра τ₀ с шагом 1 ⁰С. Показания приборов занести в табл. 2.

Таблица 2

Номер измерения

UВ

I А

t0 0С

t 0С

Δt 0С

τ0 c

τc

(τ-τ0) c

CT, Дж/К

Суд,

С,

4. Выключить нагреватель и охладить калориметр до начальной температуры t₀. Для более быстрого остывания калориметра до температуры t₀ последовательно поместить в него образцы, расположенные во втором ряду (без маркировки массы). Извлечение образцов из калориметра произвести рукояткой 5 (рис. 2) при повороте рычага 7 в крайнее правое положение.

5. Повернув рычаг 7 в левое положение, поместить в калориметр один из исследуемых образцов, взятый по указанию преподавателя. Плотно закрыть крышку калориметра и в течение 3-5 минут подождать выравнивания температур калориметра и материала образца.

6. Включить нагреватель калориметра, установив то же значение напряжения в цепи, что и при нагревании пустого калориметра.

7. Включить секундомер при той же начальной температуре t₀, что и при нагревании пустого калориметра. Сделать 7-10 измерений времени нагревания калориметра с образцом τ через интервал температуры 1 ⁰С. Показания секундомера занести в табл. 2.

8. Выключить нагреватель, открыть крышку калориметра и вынуть образец.

9. Построить график τ-τ₀=f(Δt), откладывая по оси ординат разность времени нагревателя калориметра с образцом и пустого калориметра (τ-τ₀), а по оси абсцисс – изменение температуры калориметра Δt. По нанесенным опытным точкам провести усредненную прямую и определить тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс.

10. По формуле (10) рассчитать теплоемкость C_T исследуемого образца.

11. По формулам (3) и (4) определить удельную С_уд и молярную С теплоемкости образца, используя данные табл. 1.

12. Определить погрешность результатов измерений.

13. Выключить установку тумблером «Сеть».

Контрольные вопросы

1. В чем заключается метод электрического нагрева для определения теплоемкости твердых тел?

2. Почему в данной лабораторной работе нагревание пустого калориметра с образцом необходимо производить при одной и той же мощности источника питания нагревательного элемента?

3. Рассчитайте, согласно закону Дюлонга и Пти, удельные теплоемкости алюминия и железа.

8