Ćwiczenie nr 5 WYZNACZANIE CIEPŁA WŁAŚCIWEGO CIAŁ

Ćwiczenie nr 5
WYZNACZANIE CIEPŁA WŁAŚCIWEGO CIAŁ STAŁYCH
METODĄ KALORYMETRYCZNĄ
Cel ćwiczenia:
1. Wyznaczenie ciepła właściwego aluminium, żelaza i mosiądzu metodą
kalorymetryczną.
2. Ocena dokładności pomiarów kalorymetrycznych.
Przyrządy:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Kalorymetr.
Termometr.
Stoper.
Palnik gazowy i trójnóg.
Waga.
Próbki badanych metali z mosiądzu, aluminium i żelaza.
Zlewka szklana i kulki szklane.
Metoda pomiarowa:
Ogrzane ciała są zanurzane w kalorymetrze wypełnionym wodą. Do wyznaczenia
ciepła właściwego ciał stałych korzystamy z równania bilansu cieplnego.
Przebieg pomiarów:
1. Zważyć puste suche naczynie kalorymetryczne i napełnić je wodą o temperaturze
pokojowej (wody powinno być tyle, aby badane ciało mogło być całe zanurzone).
Ponownie zważyć i wyznaczyć masę wody w kalorymetrze.
2. Po około 5 minutach należy zmierzyć temperaturę wody i kalorymetru.
3. Połączyć żyłką cztery ciała mosiężne i zważyć.
4. Badany metal ogrzewać w kąpieli wrzącej wody w szklanej zlewce tak długo, aż rtęć w
termometrze przestanie się podnosić (ok. 10 min.). Aby podczas ogrzewania próbek
uniknąć bezpośredniego styku z dnem zlewki należy ją napełnić 3 cm warstwą
szklanych kulek.
5. Zanotować temperaturę ogrzanego ciała i sprawnym ruchem przenieść je po
możliwie najkrótszej drodze do naczynia kalorymetrycznego. Mieszając wodę
notować teraz temperaturę co 5 lub 10 sekund. Gdy temperatura w naczyniu
kalorymetrycznym przestanie się szybko zmieniać, mierzyć ją nadal przez kilka minut
co 30 lub 60 s.
6. Powtórzyć doświadczenie i wszystkie pomiary dla pozostałych próbek metali:
aluminium i żelaza.
7. Wyniki pomiarów podać w tabelce.
Opracowanie wyników:
1. Sporządzić i załączyć do sprawozdania wykres temperatury w kalorymetrze jako
funkcji czasu w procesie wymiany ciepła.
2. Z równania bilansu cieplnego wyznaczyć wzór na ciepło właściwe badanego metalu.
3. Obliczyć z wyprowadzonego wzoru ciepło właściwe badanych metali. Wynik podać w
jednostce
.
4. Oszacować niepewność pomiaru ciepła właściwego.
5. Otrzymane wartości ciepła właściwego porównać z wartościami tablicowymi.
Po zakończeniu pomiarów uporządkować stanowisko.
Sprawozdanie studenckie powinno zawierać:
1. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego,
2. Opis stanowiska badawczego,
3. Opis przebiegu realizacji eksperymentu,
4. Zestawienie wyników w tabeli oraz ich analizę (wszystkie obliczenia),
5. Wykresy zależności T=f(t).
6. Wnioski.
Zasady BHP obowiązujące podczas wykonywania ćwiczenia:
1. Przed przystąpieniem do zajęć należy zapoznać się z instrukcją do wykonywanego
ćwiczenia.
2. Dokonać oględzin narzędzi pomiarowych używanych w trakcie ćwiczenia.
3. Bezzwłocznie powiadomić prowadzącego o nieprawidłowościach zauważonych podczas
oględzin stanowiska oraz w czasie wykonywania ćwiczenia (nie naprawiać we własnym
zakresie).
4. Zabrania sie samodzielnego rozpoczęcia wykonywania ćwiczenia bez zgody
prowadzącego
5. Po wykonaniu ćwiczenia grupa zgłasza to prowadzącemu ćwiczenia. Po sprawdzeniu
poprawności wykonanego ćwiczenia przez prowadzącego należy dokonać czynności
porządkowych na stanowisku laboratoryjnym.
Wiadomości teoretyczne:
Mierzeniem ilości ciepła zajmuje się dział nauki o cieple zwany kalorymetrią. Kalorymetria
opiera się na kilku prostych zasadach, które można wyrazić następująco:
1. Ilość ciepła ΔQ1 oddana przez ciało jest równa ilości ciepła ΔQ2 pobranej przez jego
otoczenie (przez ciała, które je otaczają)
ΔQ1 = ΔQ2
(1)
2. Ilość ciepła pobrana przez ciało podczas ogrzewania jest równa ilości ciepła oddanej
podczas stygnięcia w tym samym zakresie temperatur, jeżeli w odwrotnym porządku
przechodzi ono przez te same stany pośrednie.
3. Ilość ciepła ΔQ pobrana przez ciało w procesie ogrzewania (lub oddana w procesie
chłodzenia) jest określona zależnością:
ΔQ = m c ΔT
gdzie:
c – ciepło właściwe
m – masa ciała [kg]
ΔT – różnica temperatur [K]
Związek (1) jest zasadą zachowania energii ograniczoną wyłącznie do procesów wymiany
ciepła pomiędzy ciałami o różnych temperaturach, gdy ciała przyjmujące lub oddające ciepło
nie wykonują równocześnie pracy, ani też, że nie jest ona na nich wykonywana.
Tak ograniczona zasada zachowania energii wewnętrznej jest nazywana prawem bilansu
cieplnego.
Aby móc w praktyce stosować prawo bilansu cieplnego w odniesieniu do ustalonego
układu ciał, należy uniemożliwić dopływ (lub odpływ) ciepła do niego. Mamy wtedy pewność,
że wszelkie zmiany (wymiany) ciepła następują tylko pomiędzy tymi ciałami i mogą być
kontrolowane (mierzone). Taki układ ciał nazywamy izolowanym. W kalorymetrii rolę
urządzenia izolującego spełnia kalorymetr.
Budowę kalorymetru przedstawia schematycznie rysunek .
Zasadniczymi jego częściami są: metalowe naczynie kalorymetryczne K, w które wlewamy
odważoną ilość cieczy (najczęściej wody), dokładny termometr T oraz mieszadło M.
Naczynie K jest ustawione wewnątrz większego naczynia B o podwójnych ściankach,
pomiędzy którymi znajduje się woda (płaszcz wodny), na nóżkach (podstawce) wykonanych z
dobrego izolatora cieplnego, (np. drzewa, styropianu). Zadaniem płaszcza B jak i pokrywy N
jest uniemożliwienie (teoretycznie, a w praktyce zmniejszenie do minimum) wymiany ciepła
ciał znajdujących się w naczyniu K z otoczeniem; np. przez konwekcję, przewodzenie lub
parowanie, czego nie dałoby się dokładnie skontrolować.
Do naczynia wkładamy badane ciało o znanej temperaturze, innej niż temperatura wody
i wyznaczamy temperaturę końcową, wspólną dla wszystkich ciał biorących udział w
wymianie ciepła, tj. dla badanego ciała, wody, naczynia kalorymetrycznego. Znając masy oraz
zmiany temperatur ciał biorących udział w wymianie ciepła możemy wyznaczyć pobrane
i oddane ilości ciepła i zastosować równanie bilansu cieplnego.
Nie istnieje kalorymetr izolujący doskonale. Zawsze pewne nieznane ilości ciepła nie dają się
rachunkowo uwzględnić.
Źródłem niedokładności pomiaru jest również to, że nie można dokładnie wyznaczyć
temperatur początkowej tp i końcowej tk w procesie wymiany ciepła. Aby ten błąd
zminimalizować wprowadza się graficzny sposób określenia tp i tk .
W tym celu sporządzamy dokładny wykres (na papierze milimetrowym) zależności
temperatury w kalorymetrze jako funkcji czasu t= f(τ) mierząc ją przez pewien czas przed, w
czasie i po wymianie ciepła w naczyniu K. Gdy temperatura końcowa wody będzie wyższa od
początkowej oraz nieco wyższa od temperatury otoczenia (na zewnątrz osłony kalorymetru),
otrzymany wykres będzie miał przebieg jak na rysunku:
Następnie wykreślamy styczne do początkowej i końcowej części wykresu oraz rzędną w
takim punkcie osi τ, aby dwie powierzchnie, jakie w ten sposób powstaną, ograniczone
krzywą t = f(τ), stycznymi oraz tą rzędną (na rys. zakreskowane) były w przybliżeniu
jednakowe.
Punkty przecięcia rzędnej ze stycznymi wyznaczają na osi t poszukiwane temperatury.
Warto zauważyć, że nachylenie początkowej i końcowej część wykresu t= f(τ) charakteryzuje
właściwości izolacyjne kalorymetru. Gdyby były doskonałe obie części wykresu byłyby
poziome.
Wyznaczanie ciepła właściwego ciał stałych :
Ciepło właściwe ciała c równa się stosunkowi ilości ciepła ΔQ pobranego przez to ciało w
procesie ogrzewania (lub oddanego przy chłodzeniu) do iloczynu jego masy m przez przyrost
(spadek) temperatury ΔT , jaki w tym procesie nastąpił:
Jednostką ciepła właściwego w układzie SI jest:
Ciepło właściwe ciała stałego wyznaczamy w tym ćwiczeniu z bilansu cieplnego ułożonego
dla wymiany ciepła pomiędzy tym ciałem a wodą i naczyniem kalorymetrycznym.
ΔQx =ΔQ1+ΔQ2
ΔQx - ilość ciepła oddana przez badane ciało ,
ΔQ1 – ilość ciepła pobranego przez wodę w naczyniu kalorymetrycznym,
ΔQ2 – ilość ciepła pobrana przez kalorymetr.
ΔQx = cx mc (Tc−Tk) ,
ΔQ1 = cw mw (Tk -Tp) ,
ΔQ2 = ck mk (Tk−Tp)
gdzie poszczególne symbole oznaczają odpowiednio:
cx , cw , ck – ciepło właściwe ciała, wody, kalorymetru,
mc , mw , mk – masę ciała, wody, kalorymetru,
Tc – temperaturę, do której ogrzewamy ciało.
Po przekształceniu równania bilansu cieplnego otrzymujemy:
Literatura:
1. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker - “ Podstawy fizyki “ PWN 2006
2. T. Dryński – „ Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki ” PWN 1967
3. H. Szydłowski – „ Pracownia fizyczna ” PWN 1994
4. „Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki” Politechniki Wrocławskiej