Методички физика / Виртуалка (редакция 10.02.2011) / 06
.docФедеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова (технический университет)
Кафедра Общей и технической физики
(лаборатория виртуальных экспериментов)
Определение теплоемкости твердого тела
Методические указания к лабораторной работе № 6
для студентов всех специальностей
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2010
УДК 531/534 (075.83)
СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА: Лабораторный практикум курса общей физики. Смирнова Н.Н., Фицак В.В. Чернобай В.И. / Санкт-Петербургский горный институт. С-Пб, 2010, 14 с.
Лабораторный практикум курса общей физики по статистической физике и термодинамике предназначен для студентов всех специальностей Санкт-Петербургского горного института.
С помощью учебного пособия студент имеет возможность, в предварительном плане, ознакомиться с физическими явлениями, методикой выполнения лабораторного исследования и правилами оформления лабораторных работ.
Выполнение лабораторных работ практикума проводится студентом индивидуально по графику.
Табл. 3. Ил. 2. Библиогр.: 5 назв.
Научный редактор доц. Н.Н. Смирнова
|
© Санкт-Петербургский горный институт им. Г.В. Плеханова, 2010 г.
|
Цель работы:
1) измерение зависимости повышения температуры исследуемого образца в муфельной печи от времени;
2) вычисление по результатам измерений теплоемкости исследуемого образца.
Определение теплоемкости тел обычно производится путем регистрации количества тепла Q, полученного телом, и соответствующего изменения температуры этого тела dT. Теплоемкость определяется как:
[1]
Надежность измерения определяется в основном качеством калориметра. Необходимо, чтобы количество тепла, затрачиваемое на нагревание исследуемого тела, было существенно больше тепла, расходуемого на нагревание калориметра, и на потери, связанные с утечкой тепла из установки. При измерении теплоемкости твердых тел стараются или обеспечить как можно более полную теплоизоляцию тела от окружающей среды, или наоборот, не принимая специальных мер к теплоизоляции, учитывают при расчете потери тепла в окружающее пространство.
Данная работа проводится на стандартном лабораторном оборудовании и предполагает при расчетах учет потерь тепла. Рассмотрим тепловой баланс установки при нагреве. В любой момент времени количество тепла, поступившее от электронагревателя идет на нагрев установки и на излучение в окружающую среду:
[2]
Величина Qпотерь пропорциональна разнице температур между печью и окружающим воздухом, и может быть принята равной нулю в начальный момент времени. Прямое определение величин в уравнении [2] в начальный момент времени невозможно, но подлежит косвенному вычислению. Для этого преобразуем [2], учитывая, что мощность нагревателя P равна Qнагр/t (t - интервал времени):
[3]
В уравнении [3] слагаемое при t = 0 равно нулю, а значение может быть найдено из графика зависимости T = f(t).
Экспериментальная установка
В работе используются: муфельная печь 1, содержащая электронагреватель 2, вентилятор обдува 3; термопара 4; цифровой термометр 5; регулируемый источник питания 6; выключатель нагрева 7; таймер 8.
Схема установки изображена на рисунке 1. Вентилятор обдува 3 предназначен для равномерного распределения тепла внутри печи. Электронагреватель 2 подключен к регулируемому источнику питания постоянного тока 6, контроль напряжения и тока осуществляется вольтметром и амперметром, входящими в источник питания. Для измерения температуры воздуха служит термопара 4, подключенная к цифровому термометру 5.
ЗАДАНИЕ
1. Запустите лабораторную работу. Отметьте в лабораторном журнале характеристики (масса и материал) полученного образца.
2. Включите источник питания, установите напряжение, указанное преподавателем (или выбранное самостоятельно). Нагрев печи включается кнопкой "ВКЛ", расположенной на пульте НАГРЕВ только при закрытой дверце печи. Для закрывания/открывания дверцы надо нажать на нее левой кнопкой мыши.
3. Включите вентилятор обдува.
4. Не помещая исследуемый образец в печь, закройте дверцу, включите нагрев и одновременно запустите секундомер. Через интервалы времени 2040 сек. запишите значения температуры. Всего надо сделать 68 измерений. Также запишите значения напряжения и силы тока I. Выключите нагрев, откройте дверцу печи (для ускорения остывания).
5. Для каждого интервала времени t найдите соответствующее изменение температуры T и посчитайте значения . Нанесите полученные точки на координатную плоскость (, ), располагая значения посередине временного интервала измерения (те есть, если измерения проводились через 30 сек, то значение , посчитанное на интервале 030 сек. соответствует времени 15 сек). Проведите через точки прямую, продолжая ее до пересечения с осью абсцисс, определите по графику значение при t = 0, пересчитайте значение к . По формуле
[4]
рассчитать собственную теплоемкость печи CП.
6. После остывания печи поместите в нее исследуемый образец (для внесения/убирания образца надо нажать на него левой кнопкой мыши при открытой дверце).
7. Повторите измерения и вычисления по п.п. 4 и 5, изменив, если требуется, напряжение питания.
Результаты измерений занести в таблицу:
Физ. величина |
t |
T1 |
T2 |
СП |
С |
Со |
с |
||
Ед. измерений
Номер опыта |
с |
К |
К |
||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для получения приемлемой погрешности при проведении измерений необходимо, чтобы температура повышалась не менее, чем на 34 С за интервал измерения. По формуле [4] будет определена суммарная теплоемкость печи и образца С. Найдите теплоемкость образца Со:
[5]
Рассчитайте удельную теплоемкость: .
Сравните со справочными значениями.
библиографический список
учебной литературы
-
Калашников Н.П. Основы физики. М.: Дрофа, 2004. Т. 1
-
Савельев И.В. Курс физики. М.: Наука, 1998. Т. 2.
-
Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 2000.
-
Иродов И.Е Электромагнетизм. М.: Бином, 2006.
-
Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1998.