Визначення водяного еквівалента термометра

Водяні еквіваленти невеликих однакових об'ємів скла i ртуті ртутних термометрів є майже однаковими. Справді, питома теплоємність скла становить , ртуті – 0,13 Дж/ , густина дорівнює відповідно 2.5 і 13.6 . Отже, водяний еквівалент 1 складає

К_с = V = 0,8 2,5 = 2

i такого ж об'єму ртуті

= 0, 13 = 1,8 .

Відомо, що водяний еквівалент ртутного термометра можна визначити за виміряним об'ємом його зануреної частини, прийнявши, що водяний еквівалент одиниці об'єму ртутного.

У таких випадках наливають у калориметр невелику кількість води (50... 100 г залежно від об'єму зануреної частини калориметра) та визначають її масу m так само, як i в першому випадку. Вимірюють термометром температуру води . Нагрівши досліджуваний термометр у гарячій воді до температури Т₂, швидко занурюють у калориметр з холодною водою. Після цього вимірюють . На ocновi рівняння теплового балансу

визначають

(24)

Визначення К i необхідне для прецизійних калориметричних вимірювань. Визначення кількості теплоти, що витрачається калориметром у навколишнє середовище

При визначенні методом змішування теплоємності твердих тіл, зокрема тих, які погано проводять тепло, проходить певний час від занурення нагрітого тіла в калориметр з водою до моменту встановлення рівноважної температури. За цей час внаслідок ви-паровування води i випромінювання втрати теплоти будуть значними i нехтувати ними не можна. Часто ці втрати враховують на підставі закону Ньютона, згідно з яким втрата теплоти Q при охолодженні тіла прямо пропорціональна площі поверхні цього тіла S, часу i piзниці температур тіла та навколишнього середовища t, тобто

де — коефіцієнт пропорціональності (коефіцієнт тепловіддачі), який характеризує умови теплообміну між поверхнею твердого тіла та навколишнім середовищем i чисельно дорівнює кількості теплоти, переданої за одиницю часу через одиницю поверхні при різниці температур між поверхнею i речовиною один градус, град ( ).

Закон Ньютона є емпіричним, i його застосування обмежується випадком, коли .Тому температура в калориметрі не повинна відрізнятися від температури навколишнього середовища більше ніж на 5 °С.

В

Рис.5. Температурна зміна в калориметрі:

с — швидкість охолодження; b— залежність швидкостей охолодження від температури.

трати теплоти калориметром у зовнішнє середовище у випадку, коли 5°С, можна визначити графічним методом. Для цього, зануривши нагріте тіло в калориметр, перемішуючи в ньому воду, вимірюють її температуру через рівні проміжки часу. Спостереження припиняють, коли температура води, досягнувши максимуму, знизиться на кілька градусів. За одержаними резуль­татами будують графік (рис. 5.c).

Як бачимо, після досягнення температури води починається її охолодження. Швидкість охолодження дорівнює тангенсу кута нахилу прямолінійної ділянки графіка до oci температур. При температурі, близькій до кімнатної, швидкість охолодження води i тіла в калориметрі зменшується, при кімнатній — дорівнює нулю. Використавши ці величини, побудуємо ще один графік залежності (рис. 5.b)

Нехай точка М відповідає температурі води в калориметрі, при якій швидкість охолодження постійна, а ордината ML – швидкості охолодження води при кімнатній температурі. Точка К відповідає кімнатній температурі, при якій швидкість охолодження дорівнює нулю. Таким чином, пряма КL дає змогу визначити поправ­ку для будь-якої температури в інтервалі від кімнатної до темпера­тури, яка відповідає початку постійної швидкості охолодження.

За графіком знаходять максимальну температуру води в кало­риметрі після занурення в неї гарячого тіла при відсутності втрат теплоти в зовнішнє середовище.

Нехай — температура води в момент занурення тіла в ка­лориметр. Через piвнi проміжки часу в n хвилин отримаємо відповідно Припустимо, що протягом кожного з цих проміжків часу температура не змінюється i дорівнює середньому значенню:

Якщо, наприклад, температурі відповідає швидкість охолодження V град/хв, то теплота, витрачена протягом п хвилин, є достатньою для підвищення температури калориметра з водою і тілом [градусів].

Рис.6. Температурна поправка.

Нехай тіло i вода набули однакової температри в кінці -гo проміжку часу. Тоді найвища однакова температура при відсутності втрат досягається за умови повернення системі всієї витраченої теплоти. Визначивши поправку до температури в цей момент часу, одержимо температуру, яку можна досягнути при відсутності втрат теп­ла. Для цього знайдемо суму доданків виду Уточнені значення наносять на графік (рис.6). Частина цієї кри­вої АВ є прямою, паралельною oci абсцис. Температура, що відповідає цій прямій, є максимальною температурою води у кало­риметрі та тіла при відсутності втрат теплоти в зовнішнє середовище.