Работа № 27 определение удельной теплоемкости твердых тел калориметрическим методом
Приборы и принадлежности: калориметр с мешалкой, термометр, нагреватель, латунный стакан с подвижным дном, электроплитка, барометр-анероид, таблицы, исследуемое вещество.
Цель работы: определить удельную теплоемкость металла, проверить выполнение закона Дюлонга и Пти.
Методика измерений и описание установки
На рис. 1 изображена установка для проведения опыта. Установка состоит из следующих составных частей: калориметра (К), водяного нагревателя (Н), и специального латунного стакана (Л) с подвижным дном для размещения нагреваемого стакана.
Рис.
1
Для нагревания исследуемого тела используется специальный латунный стакан (Л), устроенный так, чтобы можно было быстро, избежав нежелательного охлаждения, перенести исследуемое тело из нагревателя в калориметр. Исследуемое тело – металлические дробинки – помещается в латунный стакан. Стакан устанавливается в углублении (У) съемной крышки водяного нагревателя (Н). Такая конструкция нагревателя позволяет сохранить исследуемое тело сухим. Для подогрева нагревателя используется бытовая электрическая плитка.
Тело массы m с неизвестной теплоемкостью Сx, нагретое в нагревателе до температуры t, опускают с помощью латунного стакана в калориметр. Охлаждаясь, тело нагревает калориметр и налитую в него воду от начальной температуры t0 до температуры . Зная массу воды М, налитой в калориметр, массу калориметра с мешалкой m, их удельные теплоемкости С и С1, соответственно и начальную температуру воды и калориметра t0, легко составить уравнение теплового баланса. Если пренебречь потерями тепла в окружающую среду, то можно записать:
Cx m ( t –) = M C (– t0) + m1 C1 ( – t0)
откуда искомая удельная теплоемкость:
(1).
Согласно (1), относительная погрешность Cx:1
,
откуда следует, что измерение температур и t0 необходимо выполнять с особой тщательностью. Дело в том, что разность – t0 в условиях опыта оказывается небольшой, что может приводить к существенным погрешностям измерения теплоемкости, поскольку эта разность стоит в знаменателе.
Порядок выполнения работы.
Взвесьте исследуемый металл (дробь) на технических весах, поместите его в латунный стакан и установите стакан в углубление (У) крышки нагревателя. Предварительно проверьте, есть ли в нагревателе вода, и, если слой воды не менее 2-3 сантиметров, можно включить электроплитку и начать нагрев.
Пока вода в нагревателе будет нагреваться, взвесьте внутренний сосуд калориметра вместе с мешалкой (вынув термометр). Определите по барометру – анероиду атмосферное давление и найдите по таблице соответствующее значение температуры кипения воды.
Наполните калориметр водой комнатной температуры (воду получите у лаборанта) так, чтобы толщина слоя воды составляла 3-5 см, взвесьте его и определите массу воды М.
Поставьте калориметр с водой во внешний сосуд, опустите в него термометр и перед тем, как переносить в него исследуемый металл, отметьте начальную температуру t0 воды и калориметра.
Когда исследуемый металл в нагревателе прогреется (нагрев при температуре кипения воды t вести 15 – 20 минут), выньте за изолирующую ручку стакан из нагревателя и по возможности быстрее, не касаясь воды дном стакана, опустите металл в калориметр. Сразу же начните следить за повышением температуры. Заметьте максимальную температуру , до которой нагревается вода в калориметре.
По данным взвешиваний, измерений давления и температуры, используя формулу (1), подсчитайте удельную теплоемкость Сх. Зная молярную массу металла, определите его молярную теплоемкость. Запишите результаты в тетрадь. Сравните молярную теплоемкость с тем значением, которое дается законом Дюлонга и Пти.
Если полученная вами молярная теплоемкость соответствует закону Дюлонга и Пти, то что вы можете сказать о температуре Дебая для данного металла?
Если ваш результат заметно отличается от закона Дюлонга и Пти, можете ли вы оценить температуру Дебая?
Оцените погрешности ваших измерений.