Ciepło Joule`a

Sprawdzanie prawa Joule'a
1. Po co to robimy? czyli cel ćwiczenia
Prawo Joule'a pozwala nam wyznaczyć ilość ciepła wydzielonego podczas przepływu prądu przez przewodnik. Wydzielone ciepło w jednostce czasu jest proporcjonalne do iloczynu oporu przewodnika i kwadratu natężenia prądu, który przez niego przepływa. Stąd możliwe jest doświadczalne sprawdzenie prawa Joule'a poprzez pomiar ilości wydzielanego ciepła dla:
● dla różnych wartości natężenia prądu przez przewodnik o ustalonym oporze;
● dla różnych wartości oporu przewodnika, przez który płynie prąd o ustalonym natężeniu.
2. Dlaczego tak się dzieje? czyli słów kilka o teorii
Jeśli między końcami przewodnika istnieje napięcie U wywołujące przepływ prądu elektrycznego o natężeniu I, to w czasie t zostanie wydzielona w postaci ciepła energia W równa iloczynowi ładunku q i wartości napięcia U (W=qU). Pamiętając definicję natężenia prądu elektrycznego (I=q/t), możemy wyrazić q za pomocą I otrzymując: W=UIt. Zgodnie z prawem Ohma mówiącym o tym, że napięcie jest wprost proporcjonalne do natężenia prądu, a współczynnikiem proporcjonalności jest opór (U=IR), możemy zapisać:
2 W/t=I R Równanie to stanowi treść prawa Joule'a, które mówi, że ilość ciepła wytwarzana w jednostce czasu w przewodniku, przez który płynie prąd elektryczny jest proporcjonalna do iloczynu kwadratu natężenia prądu i oporu przewodnika.
3. Jak to mierzymy? czyli układ pomiarowy i wykonanie ćwiczenia
Przewodnik zbudowany z dwóch szeregowo połączonych spiral (w pierwszej części ćwiczenia) lub z innej konfiguracji spiral (w drugiej części ćwiczenia) umieszczamy w kalorymetrze wypełnionym wodą destylowaną. Przewodnik podłączamy do zasilacza prądu stałego o regulowanej wartości napięcia, który jest jednocześnie miernikiem natężenia i napięcia. Czas przepływu prądu mierzymy stoperem. Temperaturę mierzymy termometrem, a masę wody w kalorymetrze wyznaczamy używając wagi cyfrowej.
4. Ile nam wyszło? czyli pomiary i analiza wyników Pomiary wstępne:
●
ważymy puste wewnętrzne naczynie kalorymetru
mk = ...........................
●
wlewamy do niego wodę destylowaną i ważymy kalorymetr z wodą mkw = .........................
●
obliczamy masę wody w kalorymetrze mw = mkw ­ mk = .....................
Musimy jeszcze wspomnieć o dwóch zasadach kalorymetrii, które pomogą nam wyznaczyć ilość ciepła wydzieloną na przewodniku:
●
I zasada kalorymetrii:
ilość ciepła oddanego przez ciało jest równa ilości ciepła pobranego przez ciała otaczające czyli ilość ciepła oddanego przez przewodnik jest równa ilości ciepła pobranego przez wodę w kalorymetrze
●
II zasada kalorymetrii:
ilość ciepła potrzebna do ogrzania ciała o masie m od temperatury Tp do temperatury Tk wyraża się wzorem:
Q=cm(Tk­Tp)
gdzie c [J/(kg K)] jest ciepłem właściwym, które mówi nam o ilości ciepła potrzebnej do ogrzania 1 kg ciała o jeden K.
W naszym ćwiczeniu na nasz układ składają się: kalorymetr, woda i spirale, więc wzór będzie wyglądał następująco:
Q=(ckmk + cwmw + csms)(Tk­Tp)
gdzie: ck ,mk ­ masa i ciepło właściwe kalorymetru, ck = cAl = 902.5 J/(kg K)
cw ,mw ­ masa i ciepło właściwe wody, cw = 4180 J/(kg K)
cs ,ms ­ masa i ciepło właściwe spirali, ms = 35 g, cs = cmosiądz = 400 J/(kg K)
Część pierwsza
czyli pomiar ilości wydzielanego ciepła w zależności od natężenia prądu płynącego przez przewodnik
●
●
●
●
●
●
●
●
t[s]
umieszczamy wewnętrzne naczynie w kalorymetrze i przykrywamy je pokrywą z zamocowanymi spiralami (połączonymi szeregowo) i termometrem
podłączamy spirale do zasilacza i ustawiamy na nim napięcie
mierzymy temperaturę początkową wody w kalorymetrze (Tp)
zamykamy obwód elektryczny i jednocześnie uruchamiamy pomiar czasu za pomocą stopera (t)
na zasilaczu odczytujemy wartości natężenia prądu płynącego w obwodzie (I) oraz spadku napięcia na spiralach (U)
przerywamy przepływ prądu i jednocześnie zatrzymujemy pomiar czasu w o
o
chwili gdy temperatura wody wzrośnie o co najmniej 2 C i nie więcej niż 5 C; mierzymy temperaturę końcową (Tk), jaka ustali się po wymieszaniu
pomiar wykonujemy dla pięciu różnych wartości napięcia zapisanych w tabeli
wyniki umieszczamy w tabeli poniżej:
U[V]
I[A]
o
Tp[ C]
o
Tk[ C]
R[]
Q[J]
Q/t[J/s]
W/t [J/s]
6
9
12
18
24

Czy wartości w ósmej i dziewiątej kolumnie są podobne? Odp.: .........
Otrzymane wyniki można przedstawić w formie wykresu zależności ilości wydzielanego ciepła (Q/t) od natężenia prądu płynącego przez przewodnik (I). Opór przewodnika traktujemy jako wielkość stałą.

Jaką funkcję należy dopasować, żeby dobrze opisywała dane? Odp.: ...................................................................................................................................
Część druga czyli pomiar ilości ciepła w zależności od oporu przewodnika przy ustalonej wartości natężenia prądu
●
●
●
●
●
umieszczamy wewnętrzne naczynie w kalorymetrze i przykrywamy je pokrywą z zamocowanymi spiralami i termometrem
ustawiamy na zasilaczu napięcie 20 V
gałką regulacji zasilacza prądu ograniczamy natężenie prądu płynącego w obwodzie do 2.5 A
mierzymy temperaturę początkową wody w kalorymetrze (Tp)
zamykamy obwód elektryczny i jednocześnie uruchamiamy pomiar czasu (t)
●
●
●
●
t[s]
mierzymy natężenie prądu płynącego w obwodzie (I) oraz spadek napięcia na spiralach (U)
przerywamy przepływ prądu i jednocześnie zatrzymujemy pomiar czasu w o
chwili gdy temperatura wody wzrośnie o co najmniej 2 i nie więcej niż 5 C; mierzymy temperaturę (Tk), jaka ustali sie po wymieszaniu
podłączamy spirale do zasilacza na trzy sposoby: szeregowo, równolegle oraz tak, żeby prąd płynął tylko przez jedną spiralę
wyniki umieszczamy w tabeli:
U[V]
I[A]
o
Tp[ C]
o
Tk[ C]
R[]
Q[J]
Q/t[J/s]
W/t [J/s]
Podobnie jak w części pierwszej dane przedstawiamy w postaci wykresu. Tym razem badamy zależność ilości wydzielanego ciepła na przewodniku (Q/t) od jego oporu (R) przy ustalonym natężeniu prądu elektrycznego. 
Jaka funkcja najlepiej opisuje punkty na wykresie? Odp.: ......................