Порядок виконання і етапу роботи

1. Кількість теплоти Q, що виділилась за час τ, розраховується за формулою:

, (10.3.)

де W - потужність електричного нагрівача, може бути виміряна ваттметром або визначена за формулою:

(10.4.)

де: І - струм, який протікає через нагрівач; V - падіння напруги на самому наг-

рівачі.

2. Теплоємність С_р досліджуваної речовини визначається за формулою:

,

де: Q - кількість теплоти, підведена до досліджуваної речовини; т - маса дос-ліджуваної речовини; t₂ - t₁ - зміна , температури досліджуваної речовини.

3. Кількість теплоти, яка виділилась у електричному нагрівачі, дорівнює:

Q_ел = Q + Q_K + Q_Т.П. , (10.5.)

де: Q_K - кількість теплоти, що витрачається на нагрівання деталей калориметра;. Q_Т.П - теплові втрати.

Облік теплоти, яка йде на нагрівання калориметра

Заздалегідь визначається кількість теплоти, необхідна для нагрівання калориметра на 1^оС. Ця величина називається постійною калориметра А. Вона представляє собою сумарну теплоємність всіх частин калориметра. Тоді теплота, яка йде на нагрівання деталей, у калориметричному досліді розраховується за формулою:

. (10.6.)

Найбільш простий спосіб визначення постійної калориметра - розрахунковий. Для цього необхідно зважити всі деталі калориметра, і знаючи С_р матеріалів, із яких вони виготовлені, провести розрахунок. Так, для калориметра зображеного на рис. 14.1. постійна розраховується за формулою:

, (10.7.)

де: індекси 1,2,3,4,5 відносяться до деталей калориметра (термометр, нагрівач, мішалка, корпус калориметра).

Із даних досліду, комбінуючи формули (14.4.) - (14.6.) і використовуючи відоме значення С_р для води, можна визначити постійну калориметра.

, (10.8.)

тут чисельник представляє собою кількість теплоти, підведеної до деталей калориметра, а знаменник - підвищення температури.

Внаслідок неминучих похибок при визначенні А дуже важливо, щоб сумарна похибка була значно меншою за добуток , де т₂ - маса досліджуваної речовини, а С_Р2- його теплоємність. Важливо, щоб із всієї кількості підведеної теплоти Q_ел, лише невелика частина йшла на нагрівання деталей калориметра (С_Р2 оцінюється орієнтовно). Для цього калориметр повинен бути якомога легшим. Співвідношення повинно бути таким:

< . (10.9.)

Облік теплових витрат

Формула розрахунку теплоємності речовини за даними калориметричного досліду одержується із комбінації формул (10.4.) - (10.6.)

, (10.10.)

де (t₂ - t₁) - дійсна зміна температури речовини у калориметричному досліді.

Хоча справедливість формули (10.10.) не викликає сумнівів, розрахунок все ж ведеться не за нею і теплові втрати Q_Т.П. не розраховуються.

Введення поправки на теплові втрати здійснюється тим, що замість визначення теплових втрат калориметра Q_Т.П. обчислюється така зміна температури у калориметричному досліді (t₂ - t₁)₀, яка була б при відсутності теплових втрат.

Якщо, за даними досліду обчислене значення (t₂ - t₁)₀ , то формула для розрахунку теплоємності буде мати вигляд:

. (10.11.)

Підвищення температури при відсутності теплових втрат t₂ - t₁ , визначається із даних самого калориметричного досліду, точніше із даних по зміні темпе-ратури в процесі охолодження калориметра після закінчення теплопідведення.

Рис. 10.2. Зміна температури протягом калориметричного досліду

На рис. 10.2. представлена зміна температури в калориметричному досліді в залежності від часу t. До початку підводу теплоти температура досліджуваної речовини, температура калориметра і температура оточуючого середовища дорівнюють t₁; вона може підтримуватись незмінною з високим ступенем точності (лінія АВ). У момент часу вмикається нагрівач калориметра, температура у калориметрі збільшується, досягаючи значення t₂ (лінія ВС).

Після вимкнення нагрівача і досягнення максимальної температури t₂ починається охолодження калориметра (крива СD). Теплові втрати виникають одразу ж після початку підвода теплоти; чим більше нагрівається калориметр у порівнянні з температурою оточуючого середовища t₁ , тим більше втрати теплоти.

Якщо б теплота підводилась миттево, то за такий нескінченно малий проміжок часу калориметр взагалі не мав би витрат теплоти, тоді кінцева температура була б вище, ніж дійсна t₂, і досягла б значень , а процес нагрівання відбувався б по прямій ВЕ з подальшим охолодженням калориметра по лінії ЕД. Треба знайти значення (t₂ - t₁)₀. Точка Е визначається екстраполяцією кривої ДС на момент часу τ₀. Це можна зробити, так як закон охолодження калориметра (крива СД або як її називають, крива вибігу) піддається математичному опису. Дійсно, зміна температури у часі пропорційна цій температурі (точніше різниці температур калориметра і оточуючого середовища):

. (10.12.)

Інтегруючи рівняння (10.12.) отримуємо відомий експоненціальний закон охолодження тепла в середовищі постійної температури:

. (10.13.)

Це рівняння описує лінію ЕД. За допомогою рівняння знаходять температуру Г° до моменту часу г₀. Постійну К визначають по будь-якій точці кривої СД. Знайдене значення (t₂ - t₁) підставляють у рівняння (10.11.).

Описаний вище калориметр з тепловими втратами носить назву неадіабатного калориметра.