ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЁМКОСТИ МЕТАЛЛА

Цель работы: определение удельной теплоемкости алюминия и железа калориметрическим методом.

Оборудование: 15 алюминиевых цилиндров, железный цилиндр, бутылка в водой, стеклянный жидкостный термометр, пластиковый стакан (используется как калориметр), корпус шприца 20 мл на подставке, шприц 10 мл без иглы, динамометр, пластиковое ведёрко для взвешивания, контейнер для оборудования, расходный материал – салфетка (туалетная бумага).

Калориметрический метод основан на применении калориметрических установок, им пользуются главным образом для определения теплового баланса.

Определение количества теплоты выделившейся или поглотившейся в том или ином процессе проводят в специальном приборе – калориметре (от лат. calor – тепло и metor – измерять) (не путать с колориметром – прибором для измерения цвета). Калориметрические измерения, как правило, состоят в наблюдении за изменением температуры калориметрической системы за время опыта.

Существуют различные типы калориметров. В данной лабораторной работе применяется модель адиабатического калориметра, в котором теплообмен с окружающей средой минимален (в идеале – отсутствует).

В учебных лабораторных работах измерения удельной теплоёмкости твердых тел обычно проводят следующим образом. В калориметр наливается вода (известной массы и температуры) и опускается нагретое тело (известной массы и температуры). В результате теплообмена тела с водой в калориметре устанавливается какая-то промежуточная температура, которая измеряется термометром. При составлении уравнения теплового баланса учитывается и количество теплоты, которое идёт на нагрев самой калориметрической установки.

В данной лабораторной работе измерения проводятся не в калориметре, а в маленьком пластиковом стакане, массой (1,6 г) и теплоёмкостью которого можно пренебречь по сравнению с содержащимися в нём массами воды и металла.

Известно, что теплообмен между калориметром и окружающей средой идёт тем интенсивнее, чем больше между ними разность температур DТ. Поэтому, если тело нагрето всего на 5–10 градусов, то тепловыми потерями в окружающую среду можно пренебречь, если измерения продолжаются несколько минут.

В данной лабораторной работе специальных нагревателей не предусмотрено, а используется всегда доступный источник тепла – это тепло ладоней рук, температура которых на 5–15 °С выше комнатной.

При определении удельных теплоёмкостей железа и алюминия считается известной удельная теплоемкость воды с_В = 4190 Дж/(кг×К). Вода обладает в несколько раз большей удельной теплоёмкостью, чем металлы, и поэтому, если для измерений в калориметр налить много воды, то она нагреется всего 1–2 °С, что сравнимо с погрешностью термометра. Поэтому в данной лабораторной работе для увеличения точности измерений воды берётся минимально необходимое количество.

Выполнение работы

1. Подвесить к динамометру ведёрко для взвешивания и определить массу тары. Поместить в ведёрко 15 алюминиевых цилиндров и по динамометру определить их массу m (вычтя из общей массы массу тары).

2. Налить в шприц на подставке воду до краёв, при этом в шприц помещается ровно 28 мл воды (m_В = 28 г). Чтобы точно налить воду до краёв (не больше и не меньше), используйте в качестве дозатора шприц 10 мл.

3. Термометром определить комнатную температуру воды t_K.

Примечание 1. Поскольку при измерениях разница температур будет составлять всего несколько градусов, то для увеличения точности расчетов следует отсчитывать все температуры с точностью до 0,5 °С (например, t_К = 21,5 °С).

4. Зажать в кулаках алюминиевые цилиндры и 5–8 минут греть их в руках до тех пор, пока цилиндры не будут на ощупь казаться тёплыми, а не холодными. Одновременно в руках греется термометр (его можно прижать к указательному пальцу большим пальцем руки). В конце нагрева записать показание термометра – температуру рук t_Р.

Примечание 2. Не следует прижимать стеклянный термометр к металлу – стекло может разбиться.

5. Установить тёплые алюминиевые цилиндры вертикально в пластиковый стаканчик и залить их 28 мл воды комнатной температуры. Поместить в промежуток между цилиндрами термометр и наблюдать за изменениями температуры.

Примечание 3. Если алюминиевые цилиндры будут высыпаны в стакан «навалом», то не все они будут находиться в воде и трудно будет в стакан установить термометр.

6. Через 30–60 секунд в стакане установится тепловое равновесие – температура перестанет изменяться. Записать эту температуру t. (Через 3–5 минут содержимое стакана начнёт остывать, и температура будет понижаться.)

7. Из уравнения теплового баланса (вода – нагревается, металл – остывает, тепловыми потерями и нагревом стакана пренебречь)

с_Вm_B (t – t_K) = сm (t_Р – t)

определить удельную теплоемкость металла:

8. Проделать аналогичные измерения (пп. 1–7) для железного цилиндра.

9. После проведения всех измерений вылить воду из стакана и шприцов в бутылку. Вытереть насухо салфеткой (туалетной бумагой) оборудование (особенно железный цилиндр). Сложить сухое оборудование в контейнер (контейнер крышкой не закрывать, давая возможность высохнуть мелким
каплям воды, если они где-то остались).

10. Рассчитать погрешности измерений, заполнить экспериментальными и расчетными величинами таблицу:

Материал	m, кг	t_K, °C	t_P, °C	t, °C	с, Дж/(кг×К)	Dс, Дж/(кг×К)	с_ТАБЛ, Дж/(кг×К)
Алюминий
Железо

Контрольные вопросы и задания

1. Что такое удельная теплоемкость?

2. Что такое молярная теплоемкость?

3. Какой формулой связаны удельная и молярная теплоемкости?

4. Как формулируется закон Дюлонга и Пти? Рассчитайте теоретически удельную теплоемкость алюминия и железа.

5. Какие бывают калориметры?

6. В данной лабораторной работе влияет ли существенно на результаты измерений тот факт, что в стакане некоторые алюминиевые цилиндры выступают из воды на воздух на 1–2 мм? Ответ обоснуйте.

7. Как влияет большая теплоемкость воды на климат Земли?