XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Измерение удельной теплоёмкости вещества

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Данилова М.Д. 1Сабирзянова Л.М. 1

---

1МБОУ лицей №2

Хайрулова Р.Н. 1

---

1МБОУ лицей №2

Работа в формате PDF

498.8 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1. ВВЕДЕНИЕ

Окружающий нас мир связан с тепловыми явлениями: лед тает, вода кипит, воздух нагревается или охлаждается.

Физика одна из фундаментальных школьных предметов, где природу можно изучать на практике, исследуя различные зависимости. Поэтому исследовательская деятельность на уроках физики есть неотъемлемая часть процесса изучения и познания мира.

В курсе школьной физики 8 класса в разделе «Тепловые явления» изучается одна из важнейших физических величин, характеризующих вещества, удельная теплоемкость. На уроках учащимся объясняется физический смысл данной величины и проводится лабораторная работа по измерению удельной теплоемкости твердых тел. Полученные результаты, как правило, обладают большой погрешностью.

Возникает вопрос, можно ли в домашних условиях измерить удельную теплоемкость различных веществ и что для этого необходимо сделать?

Актуальность поставленного вопроса очевидна. Изучение физики включает в себя учебно-исследовательскую, поисково-конструкторскую и творческую деятельность. Говоря словами великого Конфуция, «Скажи мне — и я забуду, покажи мне — и я запомню, дай мне сделать — и я пойму».

Цель работы: измерение удельной теплоемкости различных веществ.

Задачи:

1. Изучить литературу по данной теме.

2. Сделать калориметр для измерения удельной теплоемкости твердых веществ ижидкостей.

3. Провестиопыты поизмерениюудельнойтеплоемкостинесколькихвеществижидкостей, сравнить с табличными значениями, определитьпогрешностьизмерений.

2. Основная часть

   1. Теоретическая часть

      1. Удельная теплоемкость

Автор учебника «Физика-8» для обучающихся 8 класса А.В. Перышкин дает следующее определение «удельной теплоемкости»: удельная теплоемкость – физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать телу массой 1 кг для того, чтобы его температура изменилась на 1⁰С [1].

Удельнаятеплоемкостьобозначаетсябуквамиc. Единица измерения удельной теплоемкости Дж/кг℃.

Формуладлявычисленияудельнойтеплоемкостиимеетвид:

Q = с• m• (t₂ - t₁ )

где с – удельная теплоемкость вещества, Q – количество теплоты, m – масса вещества, t₂-t₁– разница конечной и начальной температур.

Удельная теплоемкость для любого вещества есть величина переменная, то есть она зависит от температуры и агрегатного состояния вещества. Например: удельнаятеплоемкость воды отличается от удельной теплоемкости льда в два раза.

2.1.2. Способы измерения теплоемкости

Изучая научную литературу, обнаружили, что для измерения удельной теплоёмкости веществ существуют различные способы. Однако в каждом из них присутствует калориметр.

Калориметр (от лат. calor — тепло и metor — измерять) — прибор для измерения количества теплоты, выделяющейся или поглощающейся в каком-либо физическом, химическом или биологическом процессе. Термин «калориметр» был предложен А. Лавуазье и П. Лапласом (1780) [3].

Исследователи А. Л. Лавуазье (1743-1794) и П. С. Лаплас (1749-1827) разработали калориметр, который использовался для измерения удельной теплоты тела методом таяния льда. Он состоял из луженого цилиндрического стакана, покрытого лаком, удерживаемого штативом и внутренне ограниченного воронкой. Внутри было помещено еще дно стекло, похожее на предыдущее, с трубкой, проходящей через внешнюю камеру снабженной ключом. Внутри второго стекла была сетка. В эту сетку помещалось тело, удельное тепло которого было желательно определить. Лед был помещен внутри концентрических сосудов, как в корзине. Тепло, выделяемое телом, поглощалось льдом, вызывая его слияние. И жидкий водный продукт таяния льда собирали, открывая ключ внутреннего стекла. И, наконец, при взвешивании воды масса расплавленного льда была известна (Приложение 1) [4].

Для экспериментального определения теплоемкости используются различные калориметрические методы. Разнообразие этих методов связано с тем, что точное измерение количества теплоты, сообщаемого телу, требует устранения не учитываемых тепловых потерь при нагревании исследуемого тела.

Обычно, в так называемых калориметрах с изотермической оболочкой, вводится расчетная или экспериментально определяемая поправка на радиацию, то есть количество теплоты, которое калориметр во время опыта получает или отдает внешней среде излучением. Однако, можно существенно уменьшить тепловые потери введением хорошей теплоизоляции или за счет сокращения продолжительности опыта, что достигается высокой скоростью нагрева образца ~  (импульсный метод измерения теплоемкости), при которой тепловые потери будут малы по сравнению с общим подводимым количеством теплоты.

Одним из наиболее точных методов определения теплоемкости является метод адиабатического калориметра. Затруднения, связанные с необходимостью учета тепловых потерь, в калориметрах этого типа устраняются тем, что измерения производятся в условиях теплового равновесия, то есть в условиях равенства температур исследуемого образца и окружающего образец блока. К преимуществам этого метода, наряду с высокой точностью, относится также возможность определения теплоемкости твердых тел в широком температурном интервале, что особенно важно в том случае, если вещества имеют фазовые превращения [5].

Исходя из рассмотренных способов измерения удельной теплоемкости, нами выбран калориметрический способ как возможный для реализации в домашних условиях.

К

Рис.1

ак один из способов, можно взять испытуемое тело, нагреть его до определенной температуры и затем опустить в калориметр, в который налито определённое количество воды (рис.1). Е сли вода в калориметре имеет температуру ниже, чем температура опущенного в неё тела, то она нагревается, а тело охлаждается до тех пор, пока их температуры не сравняются. Количество теплоты, отданное телом, равно количеству теплоты, полученному калориметром и водой. Этот опытный факт и даёт возможность определить удельную теплоёмкость тела.

2. 2. Практическая часть

      1. Калориметр

Проводя в классе лабораторную работу по определению количества теплоты полученного холодной водой и количества теплоты отданной горячей водой при смешивании, наблюдались погрешности. Это говорит о том, что, кроме обмена энергией между внесённым телом и калориметром, такой же обмен может происходить между телом и окружающими калориметр предметами. Поэтому при точных измерениях необходимо по возможности уменьшить потери энергии.

Перед нами возник вопрос: из какого материала сделать калориметр? На выбор у меня были бумажный стаканчик, фарфоровая кружка, стакан из стекла и пластмассовое ведерко. Из всех представленных предметов сравнительно небольшой удельной теплоемкостью обладает бумажный стаканчик (1340 Дж/кг⁰С). Следовательно, стаканчик будет использован в качестве внутреннего сосуда калориметра. Чтобы избежать теплопотери в окружающую среду, требуетсяизолироватьсистему. Для этого возьмем небольшое ведеркои заполнимеемонтажной пеной, так как в пене содержатся пузырьки воздуха,который является отличным изолятором. В центр ведерка с пеной вставим бумажный стаканчик.

Из курса физики 8 класса мне известно, что одним из действий электрического тока является тепловое действие. Т.е. при прохождении электрического тока по проводнику, он нагревается и выделяет тепло. Значит, в качестве нагревательного элемента в опытах можно использоваться спираль, через которую проходит электрический ток.

На рис.2 представлена электрическая схема установки. К никелиновой спирали через соединительные провода подключается блок питания, последовательно подключается амперметр и ключ, к спирали параллельно подключается вольтметр.

Рис.2Электрическаясхемаустановки

На рис. 3 представлено оборудование для измерения удельной теплоемкости. Для расчетов нам еще необходимо иметь термометр, чтобы измерять изменение температуры жидкости, и секундомер для фиксации времени проведения опыта (времени нагрева), весы.

Рис. 3.

2. 2. 2. Математическое обоснование работы

Спираль, через которую проходит электрический ток, опущена в емкость сжидкостью. Электрический ток, проходя через спираль, нагревает ее. Согласно, закону Джоуля-Ленца выделяется тепло и жидкость нагревается.

Уравнение выглядит следующим образом:

UIτ=cm(t₂ - t₁), (1)

где U – напряжение на спирали, I – сила тока в цепи,τ– время измерений, с – удельная теплоемкость системы, m – масса системы, t_1,2– начальная и конечная температура жидкости. Под системой понимаются: железные провода, емкость и жидкость.

Для определения удельной теплоемкости испытуемого вещества необходимо знать удельные теплоемкости и массы железных проводов и емкости, а также массу испытуемого образца.

Введемобозначения:

С₁–удельнаятеплоемкостьиспытуемогообразца(жидкости)

С₂– удельная теплоемкость емкости

С₃–удельнаятеплоемкостьпроводов

m₁– масса испытуемого образца

m₂–массаемкости

m₃–массапроводов

Тогдарассмотренноеуравнениеприметследующийвид:

UIτ=(c₁m₁+с₂m₂+с₃m₃)(t₂ - t₁), (2)

В уравнении (2) остается одна неизвестная величина – удельная теплоемкость испытуемого образца с₁. Выразим ее:

C₁ . (3)

Для измерения удельной теплоемкости твердых тел испытуемый образец помещается в воду. Таким образом, в рассчитанную формулу добавляется удельная теплоемкость и масса воды:

C₁ , (4)

С₄ – удельная теплоемкость воды

m₄ – масса воды.

2. 2. 3. Измерение удельной теплоемкости веществ

Экспериментальные данные:

1).Для определения удельной теплоемкости воды:

Подставляя значения в формулу (3), получим значение удельной теплоемкости воды, равное 4010 Дж/кг⁰С.

2).Для определения удельной теплоемкости подсолнечного масла:

Подставляя значения в формулу (3), получим значение удельной теплоемкости подсолнечного масла, равное 1850 Дж/кг⁰С.

3). Для определения удельной теплоемкости твердого тела (алюминий):

Подставляя значения в формулу (4), получим значение удельной теплоемкости алюминия, равное 892 Дж/кг⁰С

4). Для определения удельной теплоемкости твердого тела (латунь)

Подставляя значения в формулу (4), получим значение удельной теплоемкости латуни, равное 370,3 Дж/кг⁰С.

В таблице 1 приведены результаты измерений удельной теплоемкости для нескольких жидкостей и твердыхтел, полученные при помощи калориметра.

Таблица1

2. 2. 4. Определение погрешности измерений

Для определения погрешности измерений в качестве эталонного принимается табличное значение удельных теплоемкостей веществ. Для вычисления погрешности введем следующие обозначения:

с_о–удельнаятеплоемкостьвещества,полученнаяэкспериментальнымпутем

с_т–табличноезначениеудельнойтеплоемкостивещества

Абсолютнаяпогрешностьизмеренийдлякаждогоопытарассчитанапо формуле:

ΔА = | c_т – c_о |

Относительнаяпогрешностьрассчитываетсяпоследующей формуле

ε =

Втаблице2приведенырезультатывычисленияпогрешности измерений.

Таблица2

Для вычисления приборной погрешности принято выбирать максимальное значение из всех полученных. Таким образом, погрешность разработанной установки для измерения теплоемкости твердых веществ и жидкостей принимается равной 6%.

2. Заключение

Окружающий нас мир связан с тепловыми явлениями: лед тает, вода кипит, воздух нагревается или охлаждается. Всем известно, что физика – наука экспериментальная.

Возникает вопрос, можно ли в домашних условиях измерить удельную теплоемкость различных веществ и что для этого необходимо сделать? Актуальность поставленного вопроса очевидна. Изучение физики включает в себя учебно-исследовательскую, поисково-конструкторскую и творческую деятельность.

Целью работы является измерение удельной теплоемкости различных веществ с помощью калориметра. В ходе исследовательской работы решались следующие задачи: изучалась литература по данной теме, изготовлен калориметр и собрана установка, позволяющая экспериментальным путем определять удельную теплоемкость вещества.

При изучении научной литературы, сети Интернет выяснили историю создания калориметра, его составные части, познакомились с методами измерения удельной теплоемкости.

Были проведены измерения удельных теплоемкостей двух жидкостей и двух твердых тел. Получены следующие результаты: удельная теплоемкость воды равна 4010 Дж/кг⁰С, подсолнечного масла - 1850 Дж/кг⁰С, для алюминия с = 892 Дж/кг⁰С и латуни с = 370,3Дж/кг⁰С.

Определена погрешность полученной установки. Погрешность измерений составляет 6%.

Таким образом, можно сказать, что в домашних условиях можно разработать экспериментальную установку, которую можно применять как на уроках физики, так и во внеурочной деятельности для наглядных демонстраций. Это позволит вовлечь учащихся в процесс изучения физики, может подтолкнуть их к творческой деятельности.

СПИСОКИСПОЛЬЗОВАННЫХИСТОЧНИКОВ

1. Перышкин А.В. Физика.8 кл.: учебник/ А.В.Перышкин. -2-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2014

2. Автор: Originally en:User:Sadi Carnot - originally uploaded http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Ice-calorimeter.jpg, Общественноедостояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1746897

3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Калориметр

4. https://ru.thpanorama.com/articles/qumica/calormetro-historia-partes-tipos-y-sus-caractersticas.html

5. http://studopedia.ru/Способыизмеренияудельнойтеплоемкости

Приложение

Рис.1

Калориметр, рисунок из книги Антуана Лорана Лавуазье «Начальный учебник химии» (1789). Обозначения во всплывающих примечаниях: 1 — внутренняя ёмкость, для исследуемого вещества 2 — средняя ёмкость, сюда помещался лёд, по количеству образовавшейся из него воды судили о количестве теплоты, выделенной исследуемым веществом 3 — внешняя ёмкость, здесь находился лёд, который ограждал среднюю и внутреннюю ёмкости от влияния атмосферного тепла 4 — крышка внутренней ёмкости 5 — крышка всего калориметра 6 — коническая воронка с трубкой, через которую талая вода из средней емкости попадала в накопитель для последующего измерения её количества 7 — трубка для отвода талой воды из внешней ёмкости 8 — решётка, поддерживавшая лёд в средней ёмкости 9 — сито, помещавшееся под решёткой 8 10 — колба с исследуемой жидкостью (например, кислотой), помещавшаяся во внутреннюю ёмкость; через пробку колбы проходит опущенный в жидкость термометр; перед помещением во внутреннюю ёмкость колбу нагревали и по термометру определяли, что температура достигла значения, необходимого для течения реакции в жидкости 11 — элемент, поддерживавший колбу 10