Метод випромінювання

Тіло, температура якого вища за температуру зовнішнього середовища, втрачає певну кількість теплоти внаслідок охолодження. Якщо різниця температур тіла перевищує 5°С, то кількість теп­лоти Q, яку витрачає тіло за певний проміжок часу, пропорціональна різниці температур тіла Т i зовнішнього середовища t:

де К — коефіцієнт, який залежить від властивостей поверхні тіла. При охолодженні двох тіл з однаковими випромінюючими властивостями

або

Якщо заповнити калориметр, водяний еквівалент якого дорівнює К, спочатку водою з питомою теплоємністю , а потім досліджуваною рідиною i нагріти до температури то проміжки часу i , протягом яких температура води i досліджуваної рідини понизиться від до , будуть відноситися як кількості втрачених теплот:

звідки теплоємність досліджуваної рідини

(34)

Для вимірювання питомої теплоємності рідин методом випромінювання використовують калориметр спеціальної конструкції (рис.10). У масивну посудину 2 на підставках, виготовлених з матеріалу, що погано проводить тепло, поміщають посудину 1, яка має зачорнену внутрішню поверхню. Для стабілізації температури між посудинами 1i 2 заливають воду. У центрі посудини 1 на шовкових нитках підвішують пластмасове кільце 8, в яке помiщають третю внутрішню посудину 7 (мідний циліндр з обідком). Термометри 3 i 5 служать для вимірювання відповідно температури .зовнішнього середовища та досліджуваних рідин.

Перед вимірюванням зважують внутрішню посудину калориметра з мішалкою, наповнюють її дистильованою водою i знову зва­жують. Різниця між цими двома значеннями дає масу води . Попередньо нaгpiтy в кип'ятильнику посудину з водою поміщають у калориметр. Після понижения температури води в калориметрі до 85°С записують її значення через piвнi проміжки часу (1 – 2 хв) до температури 50 °С. Аналогічно поступають з досліджуваною рідиною. Після цього будують криві залежності температури від часу (рис.11), що дає змогу визначити проміжки часу, п ротягом

Метод постійної течії (неперервного витікання рідини)

Питому теплоємність води при постійному тиску визначають за допомогою установки, зображеної на рис.12. Через скляну трубку МN протікає вода. У звуженій частині трубки розміщений електричний нагрівник iз тонкого нixpoмовогo дроту, через який пропускають змінний електричний струм. Силу струму вимірюють амперметром А, напругу – вольтметром V.

Різницю температур води па початку звуженої частини трубки MN i на виході з неї визначають за допомогою термопари, в коло якої ввімкнено мілівольтметр. Ефективну напругу на кінцях cпіралі змінюють за допомогою автотрансформатора, який споживає напругу через стабілізатор.

Д ля зменшення теплообміну iз зовнішнім середовищем стінки в середній частині трубки MN виготовляють подвійними, з прошарку між якими відкачують повітря. Вода з водопровідного крану по гумовому шлангу 1 піднімається в посудину С i витікає по гумових шлангах 2 і 3. Рівень води h у посудині С підтримується однаковим, що забезпечує постійну швидкість протікання води у вузькій частині трубки MN. Регулюють швидкість за допомогою крана К.

Електричний струм, проходячи по спіралі 4, нагpiває її. У випадку рівноважного режиму кількість теплоти , яку віддає до стаоипзаюра напруги

Якщо за час через будь-який nepepiз трубки протікає маса води , то для нагрівання її від температури до необхідно витратити кількість теплоти . Оскільки температура во­ди на вході i виході з трубки менша порівняно з кімнатною, воді передається певна кількість теплоти q із зовнішнього середовища. За законом Ньютона, де — коефіцієнт пропорційності; S — площа поверхні, що отримує (віддає) тепло; — різниця температур зовнішнього середовища i поверхні; — час, протягом якого передається тепло.

При встановленому режимі різниця температур пoстійна, а отже, не міняється i кількість теплоти, що одержує вода із зовнішнього середовища за одиницю часу:

Кількість теплоти, яку отримує вода від зовнішнього середовища за час , визначити важко. Тому для вилучення її з рівняння дослід повторюють при iншій швидкості протікання води, причому підбирають таку потужність струму , при якій тепловий режим залишається таким самим, тобто різниця температур на вході і виході води є однаковою i дорівнює ( ). Оскільки в другому досліді набирається в посудину маса води т₂ за той самий час , то можна вважати, що в обох випаках q буде однаковим, , звідки

(35)

Розглянутий метод забезпечує досить високу точність визначення питомої теплоємності рідин (до сотих долей процента).

При вимірюванні у спеціальну посудину збирають воду, витікаючу із трубки MN протягом часу t (40 ... 60 с), відмічаючи при цьому значення сили струму та напруги в початковий момент часу та через кожних 10 – 20 с. Знаходять середні значення ефективної сили струму та ефективної напруги U₁. Зважуючи посудину з водою, знаходять масу М₁.

У наступній cepiї вимірювань змінюють швидкість протікання

води, а отже, i потужності струму. Потужність змінного струму розраховують за формулою , де — зсув фаз коливання напруги та струму. Оскільки індуктивність спіралі незначна, то можна прийняти, що 1. Очевидно, що М₁–М₂ дорівнюватиме , .

Теплоємність води можна визначити й іншим способом, використовуючи вже відомий прилад (див. рис.12). За умови, що по трубці тече вода зі сталою витратою , а по спіралі — струм зі сталим ефективним значенням після досягнення рівноваги буде справедливим співвідношення

(36)

де U — напруга в колі (~20... 50 В); IU — потужність струму; — різниця температур на вході ( ) i на виході ( ); ( ) – кількість теплоти, яку одержує вода від нагрівника за 1 с; – витрати енерії за 1 с.

Із графіка залежності IU=f( ), побудованого за формулою (36), видно, що тангенс кута нахилу є не що інше, як , a її перетин з ординатою – витрати енергії. Отже, можна визначи­ти питому теплоємність води. Оскільки залежить лише від , то коли інтенсивність витікання води i напругу в колі змінювати так, щоб було сталим, то й буде сталим. Таким чином, можна побудувати графік секундних витрат води.

Під час досліду вода повинна надходити в посудину краплями, а не неперервним струменем, що забезпечують за допомогою крана. Оптимальна різниця температур 5 ... 10 К.

Для визначення питомої теплоємності води спочатку за відомим значениям U обчислюють на кінцях трубки, за допомогою мipнoї посудини визначають масу води. Змінивши U та режим витікання води так, щоб не змінилося, визначають масу води, що витікає за час . За одержанними даними будують графік для визначення питомої теплоємності води.