Контрольные вопросы

1. В чем заключается явление поверхностного натяжения?

2. Каков механизм поверхностного натяжения?

3. Дайте определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости и его единицы измерения в СИ.

4. Как направлены силы поверхностного натяжения по отношению к поверхности жидкости и к контуру, ограничивающему жидкость?

5. Как зависит коэффициент поверхностного натяжения от температуры?

6. Что называется критической температурой?

7. Как направлены силы поверхностного натяжения в месте отрыва капли?

8. Вывести формулу для коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом отрыва капли.

9. Что такое капиллярные явления?

10. Зачем выполняется опыт с эталонной жидкостью (водой)?

11. У какой из исследуемых жидкостей число капель в единице объема больше и почему?

Литература

1. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Академия, 2008. – 560 с. § 66-69.

2. Грабовский Р.И. Курс физики. СПб.: Лань. 2005. -608 с. Ч. I, § 53, 61-63.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2-05

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ ЖИДКОСТИ

С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОКАЛОРИМЕТРА

Цель работы: изучение понятия теплоемкости вещества, определение удельной теплоемкости трансформаторного масла с помощью электрокалориметра.

Приборы и принадлежности: два электрокалориметра, два термометра, весы, трансформаторное масло, вода.

Краткая теория

При описании тепловых и акустических свойств веществ, изучении явлений теплообмена в атмосфере Земли, в космосе, в прикладных задачах конструирования и подбора материалов отопительных и охладительных систем, в любых технологических процессах большое значение имеют количественные значения удельных теплоемкостей веществ, участвующих в теплообмене.

Теплообменом называется переход внутренней энергии от одного тела к другому вследствие разности их температур. Внутренняя энергия U тела (системы частиц) включает в себя кинетическую энергию хаотического (теплового) движения всех микрочастиц системы (молекул, атомов, ионов и др.) и потенциальную энергию взаимодействия этих частиц.

Количественной мерой изменения внутренней энергии тела является количество теплоты Q. Количество теплоты Q определяет количество энергии, получаемой или отдаваемой телом при теплообмене.

Теплоемкостью С называется отношение элементарного (бесконечно малого) количества теплоты dQ, сообщенного телу в каком-либо процессе, к соответствующему изменению температуры dТ тела:

. (1)

Теплоемкость зависит от массы тела, его химического состава, агрегатного состояния и вида процесса сообщения теплоты. Если условия нагревания тела (вещества) фиксированы, то теплоемкость становится характеристикой тепловых свойств вещества, приобретает определенное числовое значение для данных условий и приводится для разных веществ в таблицах физических величин. Например, теплоемкость при постоянном давлении С_р, теплоемкость при постоянном объеме С_v . Теплоемкости С_р, С_v различны для веществ в газообразном состоянии, но близки (С_р С_v) для веществ в жидкoм и твердом состояниях.

Теплоемкость, отнесенная к массе m тела, называется удельной. Удельная теплоемкость с измеряется количеством теплоты Q, затрачиваемым для повышения температуры на один кельвин единицы массы вещества:

, . (2)

Удельную теплоемкость жидкости можно определить методом электрокалориметра, который состоит в следующем. Два калори­метра содержат различные

Рис. 1. Метод электрокалориметра

жидкости. В первом калориметре нахо­дится вода, а во втором калориметре — жидкость, удельную теп­лоемкость которой требуется определить. В оба калориметра опу­щены спирали, соединенные в общую электрическую цепь и имею­щие одинаковые электрические сопротивления R (рис. 1). Если через спирали пропускать электрический ток, то спирали, на­греваясь, за одинаковое время передадут жидкостям одинаковые коли­чества теплоты. При протекании тока через металлический проводник работа сил элект-

рического поля преобразуется во внутреннюю (тепловую) энергию проводника, т.к. свободные электроны металла в результате работы сил поля приобретают дополнительную кинетическую энергию и затем расходуют ее на возбуждение колебаний кристаллической решетки металла. Между нагревшимся проводником (спиралью) и жидкостью идет теплообмен путем конвекции (переносе теплоты потоками вещества при перемешивании и под действием силы тяжести) и теплопроводности (переносе теплоты при столкновениях молекул с разными энергиями), приводящий к повышению температуры жидкости и содержащего ее сосуда.

Количество теплоты, отданное спиралью с сопротивлением R при прохождении силы тока I за время t, согласно закону Джоуля -­ Ленца, равно

. (3)

Количества теплоты, полученные каждым калориметром с жидкостью от спиралей, одинаковы, что записывается в виде уравнения теплового баланса

Q' = Q'', (4)

где Q' - количество теплоты, полученное калориметром с водой:

Q' ;

Q'' - количество теплоты, полученное калориметром с исследуемой жидкостью:

Q'' ;

m_в, c_в - масса воды в первом калориметре и ее удельная теплоемкость соответственно;

m₁, c_ст – масса внутреннего стакана первого калориметра и удельная теплоемкость материала стакана соответственно;

m_ж, c_ж - масса исследуемой жидкости во втором калориметре и ее удельная теплоемкость соответственно;

m₂, c_ст – масса внутреннего стакана второго калориметра и удельная теплоемкость материала стакана соответственно;

t₁, t₂ - начальная и конечная температура воды соответственно (и стакана первого калориметра, где вода находится);

t₃, t₄ - начальная и конечная температура исследуемой жидкости соответственно (и стакана второго калориметра, где исследуемая жидкость находится).

Уравнение теплового баланса (4) в развернутом виде имеет вид:

,

тогда ,

и ,

откуда для удельной теплоемкости исследуемой жидкости имеем:

.

(5)