Работа № 6 Определение теплоемкости твердого тела

Цель работы:

1) измерение зависимости повышения температуры исследуемого образца в муфельной печи от времени;

2) вычисление по результатам измерений теплоемкости исследуемого образца.

 

Определение теплоемкости тел обычно производится путем регистрации количества тепла dQ, полученного телом, и соответствующего изменения температуры этого тела dT. Теплоемкость определяется как:

[1]

Надежность измерения определяется в основном качеством калориметра. Необходимо, чтобы количество тепла, затрачиваемое на нагревание исследуемого тела, было существенно больше тепла, расходуемого на нагревание калориметра, и на потери, связанные с утечкой тепла из установки. При измерении теплоемкости твердых тел стараются или обеспечить как можно более полную теплоизоляцию тела от окружающей среды, или наоборот, не принимая специальных мер к теплоизоляции, учитывают при расчете потери тепла в окружающее пространство.

Данная работа проводится на стандартном лабораторном оборудовании и предполагает при расчетах учет потерь тепла. Рассмотрим тепловой баланс установки при нагреве. В любой момент времени количество тепла, поступившее от электронагревателя идет на нагрев установки и на излучение в окружающую среду:

[2]

Величина D Q_потерь пропорциональна разнице температур между печью и окружающим воздухом, и может быть принята равной нулю в начальный момент времени. Прямое определение величин в уравнении [2] в начальный момент времени невозможно, но подлежит косвенному вычислению. Для этого преобразуем [2], учитывая, что мощность нагревателя P равна D Q_нагр /D t (D t - интервал времени):

[3]

В уравнении [3] слагаемое при t = 0 равно нулю, а значение может быть найдено из графика зависимости T = f (t).

Экспериментальная установка

В работе используются: муфельная печь 1, содержащая электронагреватель 2, вентилятор обдува 3; термопара 4; цифровой термометр 5; регулируемый источник питания 6; выключатель нагрева 7; таймер 8.

Схема установки изображена на рисунке 1. Вентилятор обдува 3 предназначен для равномерного распределения тепла внутри печи. Электронагреватель 2 подключен к регулируемому источнику питания постоянного тока 6, контроль напряжения и тока осуществляется вольтметром и амперметром, входящими в источник питания. Для измерения температуры воздуха служит термопара 4, подключенная к цифровому термометру 5.

ЗАДАНИЕ

1. Запустите лабораторную работу. Отметьте в лабораторном журнале характеристики (масса и материал) полученного образца.

2. Включите источник питания, установите напряжение, указанное преподавателем (или выбранное самостоятельно). Нагрев печи включается кнопкой "ВКЛ", расположенной на пульте НАГРЕВ только при закрытой дверце печи. Для закрывания/открывания дверцы надо нажать на нее левой кнопкой мыши.

3. Включите вентилятор обдува.

4. Не помещая исследуемый образец в печь, закройте дверцу, включите нагрев и одновременно запустите секундомер. Через интервалы времени 20¸40 сек. запишите значения температуры. Всего надо сделать 6¸8 измерений. Также запишите значения напряжения и силы тока I. Выключите нагрев, откройте дверцу печи (для ускорения остывания).

5. Для каждого интервала времени D t найдите соответствующее изменение температуры D T и посчитайте значения . Нанесите полученные точки на координатную плоскость (, t), располагая значения посередине временного интервала измерения (те есть, если измерения проводились через 30 сек, то значение , посчитанное на интервале 0¸30 сек. соответствует времени 15 сек). Проведите через точки прямую, продолжая ее до пересечения с осью абсцисс, определите по графику значение при t = 0, пересчитайте значение к . По формуле

[4]

рассчитать собственную теплоемкость печи C_П.

6. После остывания печи поместите в нее исследуемый образец (для внесения/убирания образца надо нажать на него левой кнопкой мыши при открытой дверце).

7. Повторите измерения и вычисления по п.п. 4 и 5, изменив, если требуется, напряжение питания.

Результаты измерений занести в таблицу №1:

Таблица 1

Физ. величина	Dt	T1		T2		СП	С	со
Ед. измерений   Номер опыта	с	К		К
…
n

 

Для получения приемлемой погрешности при проведении измерений необходимо, чтобы температура повышалась не менее, чем на 3¸4 °С за интервал измерения. По формуле [4] будет определена суммарная теплоемкость печи и образца С. Найдите теплоемкость образца С_о:

[5]

Рассчитайте удельную теплоемкость: .

Сравните со справочными значениями.