Взвесьте на весах внутренний сосуд калориметра

Лабораторная работа №15

по дисциплине «Физика»

на тему: «Определение удельной теплоты плавления льда и изменения энтропии в процессе плавления».

1. Цели и задачи: определение калориметрическим методом удельной теплоты фазового перехода λ и расчет изменения энтропии тела в этом процессе, также нужно рассчитать средние квадратичные погрешности величин удельной теплоты плавления льда и изменения энтропии процесса, построить график зависимости температуры воды в калориметре от времени.

2. Приборы и материалы: калориметр с мешалкой, весы, электронный термометр, секундомер.

3.Используемые формулы: удельная теплота плавления льда рассчитывается из уравнения теплового баланса (с учетом теплообмена с окружающей средой).

а)    где m1 – масса куска льда, m2 – масса воды в калориметре до опыта, m3 – масса калориметра (mк) и мешалки (mм); с=0,092 кал/(г•град) – теплоемкость латуни, из которой сделаны калориметр и мешалка, с1=1 кал/(г•град) – теплоемкость воды

б) Полное изменение энтропии льда в процессе его плавления и нагревания будет равно

 где T  – температура воды после опыта

в) Погрешность окончательного результата вычисляется по формуле

г) Средняя квадратичная погрешность изменения энтропии определяется по формуле

4.Порядок выполнения работы:  

1. Взвешиваем внутренний стакан калориметра и определяем его массу, mк = 348,61 г

2. Наполняем внутренний сосуд калориметра на 2/3 водой, температура которой приблизительно на 10С выше комнатной. Взвешиваем сосуд еще раз, определяя тем самым массу воды m2 = 794,4г – 348,61г = 445,79г.

3. Собираем калориметрическую установку, вставляем внутренний стакан во внешний и помещаем термометр в воду для определения температуры её во время опыта.

4. Берем кусок льда, масса которого m1 = 133,35г – 45,33г = 88,02г.

5. Тщательно перемешиваем воду, записываем в таблицу показания термометра через 1-2 минуты.

6. Ждем, пока температура воды в калориметре понизится примерно на 1-2 градуса до температуры . Опускаем в калориметр, заранее приготовленный и высушенный фильтровальной бумагой кусок льда.

7. Продолжаем перемешивать воду в калориметре, измеряя в нем температуру через 15 секунд до тех пор, пока не окончится процесс плавления льда, что соответствует минимальной температуре в калориметре.

8. Затем отмечаем через 1-2 минуты повышение температуры воды, пока она не повысится на 1,0-1,5 градуса выше температуры .

9. Взвешиваем внутренний сосуд калориметра в третий раз, чтобы определить точную массу льда m1 = 875,91г – 348,61г – 445,79г = 81,51г.

Результаты измерений температур представлены в таблице:

Нагревание системы после того, как весь лед растаял:

 tкомн. = 24С

               tводы = 34С (до опыта)

 tводы = 33С (перед добавлением льда) =

Строим график зависимости измерения температуры воды в калориметре от времени опыта. Учет теплообмена с окружающей средой проводим экстраполяцией отрезков AB и EF, получая исправленные значения температур  и , которые получились бы при бесконечно быстром процессе плавления льда. Естественно, что значения  и  будут несколько ниже значений  и .

6. Ответ: удельная теплота плавления льда λ =(307,2 ± 23,7) кДж/кг

                  изменение энтропии тела в процессе = (111,6 ± 5,7) Дж/К

7. Вывод: по полученным в ходе эксперимента данным были рассчитаны значения удельной теплоты плавления льда и изменения энтропии тела в ходе процесса, относительная погрешность которых составляет 7,7% и 5,1% соответственно.

Объем учебного времени – 2 часа.

Цель работы: определение опытным путем удельной теплоемкости металла.

В результате выполнения лабораторной работы студенты должнызнать:

– формулы расчета количества теплоты при теплопередаче;

– уравнение теплового баланса;

уметь:

– определять удельную теплоемкость металла опытным путем.

Основные теоретические положения

В калориметр массой налита вода массой при температуре Из чайника с кипящей водой достают металлический цилиндр массой m, имеющий температуру и погружают в калориметр. Когда температура воды в калориметре перестанет повышаться, измеряется термометром ее значение .

Количество теплоты отданное металлическим цилиндром при остывании до температуры θ, равно:

), (1)

где с – удельная теплоемкость вещества цилиндра.

Количество теплоты отданное металлическим цилиндром при остывании до температуры θ.

( – – (2)

где удельная теплоемкость металла, из которого сделан калориметр, удельная теплоемкость воды.

При теплообмене количество теплоты, отданное нагретым телом (металлическим цилиндром), равно количеству теплоты, полученному холодными телами (калориметром и водой):

или θ) = ( – (3)

Из уравнения теплового баланса можно найти неизвестную удельную теплоемкость металла, из которого изготовлен цилиндр:

. (4)

Первый уровень

Оборудование: калориметр с водой, чайник (один на всех), цилиндр металлический, проволочный крючок для удаления цилиндра из чайника, бумага фильтровальная, весы с гирями, термометр.

Правила техники безопасности (Приложение Д).

Порядок выполнения работы

Задание I:Вычислить удельную теплоемкость вещества.

1. В чайник с водой поместите цилиндр, изготовленный из металла с неизвестной удельной теплоемкостью. Воду в чайнике нагрейте до кипения.

2. Определите на весах массу внутреннего сосуда калориметра .

3. Налейте в сосуд воду (менее половины объема) и определите массу сосуда с водой .

4. Определите массу воды в сосуде .

5. Собрав калориметр, измерьте начальную температуру воды термометром .

6. Из чайника с кипящей водой достаньте проволочным крючком металлически цилиндр при температуре, близкой и быстро перенесите его в калориметр.

7. Измерьте температуру воды при установлении теплового баланса, т. е. когда температура перестанет повышаться.

8. Выньте металлический цилиндр из воды и, осушив фильтровальной бумагой, определите его массу с помощью весов.

9. Вычислите удельную теплоемкость металла, из которого изготовлен цилиндр, по формуле =

Задание II:Рассчитать относительную и абсолютную погрешности измерения удельной теплоемкости.

1. Абсолютные погрешности измерения масс определите массой минимальной разновески при взвешивании. Из-за выполнения неравенств погрешностями при измерении масс можно пренебречь. Поэтому относительную погрешность при косвенном измерении удельной теплоемкости можно представить выражением:

2. При измерении жидкостным термометром можно считать, что

Тогда относительная погрешность измерения удельной теплоемкости:

2. Рассчитайте абсолютную погрешность измерения удельной теплоемкости:

3. Представьте окончательный результат измерения удельной теплоемкости в виде:

4. Определите вещество, из которого выполнен цилиндр по таблице 2, с.164 [3].

Задание III:Оформить результаты измерений и вычислений в форме отчета по лабораторной работе в соответствии с Приложением Б.

Контрольные вопросы:

1. Почему при плавлении и кипении температура вещества не меняется?

2. Почему во время ледохода становится холоднее, а во время снегопада теплее?

3. Что называется количеством теплоты?

4. Каков физический смысл удельной теплоемкости вещества? В чем её выражают в системе СИ?

5. В чем суть уравнения теплового баланса?

6. Какие потери теплоты не учитывались в данной лабораторной работе?

Форма контроля – письменный отчет

Список рекомендуемой литературы:

1. Мякишев Г.Я. Физика 10 класс.- М.: Просвещение, 2011.- 366 с. + CR-ROM.

Второй уровень

Оборудование:весы и разновес, термометр, калориметр, калориметрические тела (алюминий, железо, медь), сосуд с кипящей водой на плитке (один на всех), вода в стакане.

Правила техники безопасности (Приложение Д).

Порядок проведения работы

Задание I: Приготовить таблицу 1 для записи результатов измерений и вычислений.

Таблица 1

Задание II:Вычислить удельную теплоемкость вещества.

1. Рассмотрите шкалу термометра, определите цену деления. Проверьте весы. Все взвешивания в дальнейшем производите с точностью до 0,1 г.

2. Определите массу испытуемого тела m.

3. Определите массу внутреннего сосуда калориметра

4. Налейте во внутренний сосуд калориметра около 200см воды.

5. Взвесьте внутренний сосуд калориметра с жидкостью и определите массу воды:

6. Поместите внутренний сосуд калориметра во внешний и измерьте начальную температуру воды С.

7. Подогрейте в кипящей воде испытуемое тело и быстро перенести его в калориметр.

8. Перемешивая жидкость в калориметре, подождите, когда перестанет повышаться температура; измерьте окончательную температуру С.

9. Результаты всех измерений и вычислений запишите в таблицу 1.

10. Составьте уравнение теплового баланса и найдите из него удельную теплоемкость вещества с.

Задание III:Сравнить найденный результат с табличным значением удельной теплоемкости вещества (таблица 2, с.164[3]) и определить относительную погрешность измерения по формуле:

где с – измеренное значение;

с – табличное значение удельной теплоемкости вещества.

Задание IV:Оформить результаты измерений и вычислений в форме отчета по лабораторной работе в соответствии с Приложением Б.

Контрольные вопросы:

1. Чему равна удельная теплоемкость воды? Каков физический смысл удельной теплоемкости воды?

2. Вычислить удельную теплоемкость меди, если известно, что она составляет 0,09 от удельной теплоемкости воды.

3. При определении удельной теплоемкости вещества не приняли во внимание массу и удельную теплоемкость калориметра. Как скажется это на величине результата? Ответ обоснуйте.

Форма контроля – письменный отчет

Список рекомендуемой литературы:

Мякишев Г.Я. Физика 10 класс.- М.: Просвещение, 2011.- 366 с. + CR-ROM.

Раздел 3.Электродинамика.

Тема 3.1 Электростатика.

Рекомендуемые страницы:

Оригинальные лабораторные работы

А.А.Чеботарёв,
гимназия № 1567, г. Москва
chebot1@orc.ru

7–8 классы

1. Определение удельной теплоты
парообразования

Один из методов основан на том, что при
конденсации пара происходит выделение тепла в
количестве, равном теплоте парообразования. Пар
получают в парообразователе 1 и пропускают через
сухопарник 2 в воду, налитую в калориметр 3. При
конденсации пара и охлаждении полученной из него
воды происходит нагревание воды в калориметре.

Удельную теплоту парообразования L
вычисляют из уравнения теплового баланса:
приравнивают количества теплоты, полученные
калориметром Q1=cкmкt1
и водой в нём Q2=cвmвt1,
количеству теплоты, отданному паром Q3
= Lmп при конденсации и горячей водой,
полученной из пара при её охлаждении до конечной
температуры Q4 = cвmпt2:

Q1 + Q2 = Q3
+ Q4,

или

cкmкt1 + cвmвt1
= Lmп + cвmпt2.

Массу сконденсировавшегося пара
находят по разности результатов взвешивания
калориметра до и после пропускания пара.
Обратите внимание на то, что колба
парообразователя изготовлена из специального,
закалённого, стекла. Изделия из такого стекла
помечают матовой меткой в форме круга,
прямоугольника или треугольника. Колбу из такого
стекла можно ставить не только на электроплитку,
но и на открытый огонь.

ЗАДАНИЕ 1: определить удельную теплоту
парообразования воды

Оборудование: парообразователь с
сухопарником; электрическая плитка; калориметр с
крышкой; весы с разновесами; термометр.

Ход работы

1. Подготовьте таблицу для записи
результатов измерений и вычислений.

2. Налейте в парообразователь
приблизительно 70–100 мл воды и поставьте его на
электрическую плитку.

3. Массу внутреннего сосуда
калориметра определите на весах.

4. Налейте в калориметр воду
(приблизительно половину его объёма) и снова
взвешиванием определите массу воды.

5. Измерьте перед опытом начальную
температуру воды в калориметре (желательно,
чтобы она была ниже комнатной).

6. Когда из сухопарника начнёт
выделяться сильная струя пара, погрузите конец
трубки через крышку калориметра в воду.
Пропускайте пар в течение 10–12 мин.

7. После этого выньте трубку
сухопарника из калориметра и выключите
электроплитку. Снимите крышку и тщательно
перемешайте воду. Когда повышение температуры
прекратится, в калориметре считайте показания
термометра.

8. Взвесьте калориметр после опыта и
определите массу сконденсировавшегося пара.

9. Результаты измерений и вычислений
занесите в таблицу.

10. Составьте уравнение теплового
баланса и вычислите удельную теплоту
парообразования воды L.

11. Подсчитайте погрешность
определения удельной теплоты парообразования
воды. Результат запишите в виде:

12. Сравните полученный результат с
табличным и сделайте вывод.

ЗАДАНИЕ 2: сравнить скорости потери
тепла горячей водой в открытом стакане,
калориметре и калориметре с крышкой

Оборудование: внутренний стакан от
калориметра, калориметр, калориметр с крышкой,
три одинаковых термометра, горячая вода.

1. Подготовьте таблицу для записи
результатов измерений.

2. Закрепите в штативе на нитях три
термометра над каждым из сосудов – примерно на
одном уровне над дном каждого сосуда.

3. Залейте во все сосуды горячую воду
одной температуры и одинакового объёма (150 мл).

4. Запишите показания термометров в
ячейки «0 мин». Через каждую минуту снимайте
показания термометров и заносите их в
соответствующие ячейки таблицы.

5. По полученным данным на одних
координатных осях, выбрав соответствующий
масштаб, постройте графики зависимости
температуры воды во всех сосудах от времени.

6. Сделайте выводы о скорости потерь
тепла в сосудах и о теплоизолирующих свойствах
калориметров.

2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ МОДЕЛИ ШТАНГЕНЦИРКУЛЯ

Оборудование: деревянный брусок,
ученическая линейка, тонкий картон, ножницы.

Цель работы: изготовление модели
штангенциркуля и измерение с его помощью
размеров деревянного бруска.

Ход работы

1. Вырежьте из картона две заготовки: 1
(на ней будет нанесена основная шкала) и 2 (на ней
будет нанесён нониус).

2. Отступив от края губки заготовки 1 на
5–7 мм, нанесите по её краю деления через 1 см.

3. Вставьте заготовку 2 в заготовку 1
так, чтобы «губки» сомкнулись, и нанесите по её
краю десять делений через 0,9 см. При этом
десятое деление на заготовке 2 должно совпасть с
девятым делени-

ем на заготовке 1.

4. Приложите губку первой детали
изготовленного «штангенциркуля» к грани
измеряемого бруска так, как показано на рисунке.
К противоположному краю бруска приставьте
вторую деталь с нониусом.

5. Для отсчёта длины бруска к числу
полных сантиметров (по основной шкале) прибавьте
число миллиметров (по номеру штриха нониуса,
считая от нулевого штриха до совместившегося с
одним из штрихов основной шкалы).

6. Измерьте длину этого же бруска линейкой с
ценой деления 1 мм и проверьте правильность
измерения, выполненного с помощью модели
штангенциркуля.