Дослідне підтвердження закону Бойля-Маріотта (стр. 3 из 4)
Молярна теплоємкість речовини С– це кількість теплоти, яку надають тілу, яке складається з 6,02 1023 штук молекул або атомів ( це відповідає кількості речовини ν = 1 моль ) для його нагрівання на 1 0С.
Теплоємкість одного моля речовини називають його молярною теплоємкістю.
Молярна теплоємкість зв’язана з питомою теплоємкістю тої самої речовини:
, (2)де М – молярна маса твердих речовин,
;С - молярна теплоємкість твердих речовин,
;с - питома теплоємкість твердих речовин,
;Для твердих речовин молярні теплоємкості при постійному тиску Ср і при постійному об’ємі СV однакові, тому говорять просто про питому теплоємкість.
Як було встановлено П.Л. Дюлонгом і А.Г. Пті, молярна теплоємкість твердих одноатомних тіл майже однакова і дорівнює:
, (3)де R= 8,31
– універсальна газова стала.Закон Дюлонга і Пті є дійсним для твердих одноатомних тіл для достатньо високих температур. Для більшості тіл такою високою температурою є вже кімнатна температура.
Для деяких тіл з малою атомною масою, наприклад, берилію, бора, вуглецю (структури алмазу), молярну теплоємкість можна визначити і при високих температурах за законом Дюлонга і Пті. Навпаки, при охолоджені, для всіх тіл закон Дюлонга і Пті не дає точне визначення молярної теплоємкості, тобто, є відходження від закону.
При охолодженні теплоємкість всіх тіл зменшується. Ці твердження теорії можна перевірити. Для цього достатньо визначити кількість теплоти Q, яку віддає тверде тіло з відомими масами m і M при охолодженні в інтервалі температур ∆Т і скористатися формулою 5.
Калориметр складається з двох металевих циліндричної форми посудин, вставлених одна в одну. Велика посудина стоїть на дерев’яній підставці, а менша посудина стоїть на дерев’яній хрестовині. Відомо, що дерево і повітря погано проводять тепло, що заважає теплообміну з навколишнім середовищем.
Порядок виконання роботи
4.1 Визначте за допомогою терезів і важків масу калориметра mк і маси m мідного, залізного і алюмінієвого тіл.
4.9 Опустіть тіло в посуд з киплячою водою.
4.10За допомогою мензурки виміряйте і налийте у калориметр 100 мл води при кімнатній температурі. Виміряйте термометром початкову температуру води і калориметра t1.
4.11Опустіть у калориметр тіло, нагріте до температури 100ºС, і визначте температуру t2 у калориметрі після встановлення теплової рівноваги між тілом, водою і калориметром.
4.12З рівняння теплового балансу обчисліть кількість теплоти Q, яке передало тіло калориметру і воді.
, (4)де ск – табличне значення питомої теплоємкості калориметра,
;св - табличне значення питомої теплоємкості води,
;t1 - початкова температура води і калориметра, 0С;
t2 - кінцева температура води, калориметра і металевого тіла, 0С;
mк – маса калориметра, кг;
mв – маса води у калориметрі, кг.
ск=500
; св=4200 .4.13Обчислюємо молярну теплоємкість тіла, використовуючи вираз:
,(5)де М – молярна маса металевого тіла,
;m – маса металевого тіла, кг;
∆t = 100 - t2 – на стільки зменшилася температура тіла при теплообміні у калориметрі, 0С.
Результати вимірювань і обчислень записуємо у звітну таблицю 1.
Таблиця 1
Звітна таблиця
| № | Речовинаметалевого тіла | Маса тіла, (кг) | Маса калориметра, (кг) | Маса води у калориметрі, (кг) | Початкова температура води t1, (0С) | Температура у калориметрі після занурення тіла t2, (0С) | Кількість теплоти, переданої тілом, Q (Дж) | Зміна температури тіла ∆t=100-t2, (0С) | Молярна маса речовини М, (кг/моль) | Молярна теплоємкість речовини С, Дж/(моль·К) |
| 1 | Мідь (Cu) | |||||||||
| 2 | Залізо (Fe) | |||||||||
| 3 | Алюміній(Al) |
4.14Аналогічні вимірювання і обчислення виконуємо для алюмінієвого і залізного тіл.
4.15Оцінити відносну похибку δ виконаних вимірювань.
Визначте, чи є різниця між результатами досліду і теорією за формулою 6:
,(6) ,(7)де С – молярна теплоємкість, що визначена дослідним шляхом;
СT – теоретична молярна теплоємкість.
Контрольні запитання
Що називають питомою теплоємкістю речовини?
Залізу чи воді однакових мас потрібно надати більше теплової енергії, щоб їх підігріти на 1 0С? ( Використовуйте таблицю питомих теплоємкостей різних речовин, наприклад, у збірнику задач і запитань Р. А. Гладковой, 1988 року видання на сторінці 376)
Чому калориметр має дві посудини? Чи буде звичайний термос для зберігання гарячого чаю або охолодженої води ідеальним калориметром для проведення цього досліду? Чому?
Навіщо корпус (посудину) сучасного електрочайника для нагрівання води зроблено з пластмаси, а не з заліза? Як це впливає на коефіцієнт корисної дії (ККД) електроприладу?
Що швидше нагріється від 0 0С до 100 0С - 1 кг води, чи 4 кг заліза від одного і того самого нагрівника? (Використовуйте таблицю питомих теплоємкостей різних речовин)
Чому вдень вода холодніше суши, а вночі – навпаки?
Як записується рівняння теплового балансу для випадку теплопередачі?
Яка приладна похибка кожного приладу, який був використаний у роботі?
На чому засновано метод вимірювання температури?
Висновки
Оформлення звіту
Лабораторна робота №4 (2 години)
ТемаПорівняння молярних теплоємкостей металів
1 Мета роботи: дослідним шляхом перевірити закон П.Л. Дюлонга і А.Г. Пті.
2Прилади і обладнання:
Алюмінієве, мідне і залізне тіла, масою 50-100 г
Калориметр
Термометр
Посуд з водою
Електроплитка
Важелі з важками
Мензурка (одна на всіх)
Загальнітеоретичні положення
Молекули і атоми різних речовин перебувають у безперервному хаотичному (невпорядкованому) русі. У твердих тілах вони коливаються навколо положень рівноваги, тобто, вліво – вправо, вверх – вниз, вперед – назад та в різних напрямках. Це обумовлено існуванням у твердих тілах кристалічної решітки. У рідинах молекули та атоми рухаються коливально – обертально, тому що стикаються між собою та хаотично рухаються навколо один одного. У газах молекули та атоми рухаються поступально, а після зіткнення один з одним змінюють напрямок руху.
При нагріванні речовини збільшуються інтенсивність і середня швидкість руху молекул та атомів, але це відбувається для різних речовин по різному. Одна речовина швидше нагрівається, ніж інша, тому що вони мають різні маси у молекул, різні сили взаємодії між молекулами, атомами.
Температура є макропараметром, який характеризує інтенсивність руху великої кількості молекул, атомів. Чим більша температура – тим більші середні швидкості руху молекул та атомів і більша внутрішня (теплова) енергія тіла.
При теплообміні більш нагріте тіло (електроплита) передає теплову енергію менш нагрітому тілу (чайнику з водою). Або теплообмін відбувається між двома тілами з різними початковими температурами: у більш нагрітого тіла температура зменшується, а у менш нагрітого тіла температура збільшується. Коли їхні температури зрівняються, теплопередача зупиняється і наступає теплова рівновага.
Щоб визначити кількість теплоти Q, яку потрібно надати тілу масою mдля його нагрівання від температури t1 до температури t2 використовують формулу:
, (1)Питома теплоємкість речовини с – це кількість теплоти, яку надають тілу масою 1кг для його нагрівання на 1 0С.
Молярна теплоємкість речовини С– це кількість теплоти, яку надають тілу, яке складається з 6,02 1023 штук молекул або атомів ( це відповідає кількості речовини ν = 1 моль ) для його нагрівання на 1 0С.
Теплоємкість одного моля речовини називають його молярною теплоємкістю.
Молярна теплоємкість зв’язана з питомою теплоємкістю тої самої речовини:
, (2)де М – молярна маса твердих речовин,
;С - молярна теплоємкість твердих речовин,
;