Temat: Badanie ciepła właściwego ciał stałych i cieczy.

1. Wprowadzenie.

Ilość ciepła potrzebna do zwiększenia temperatury masy m ciała o T przedstawia się wzorem:

Q = m * c * T

Mc Δ gdzie c oznacza ciepło właściwe substancji. Jeżeli w kontakcie pozostają ciała o różnych temperaturach to będą one dążyły do osiągnięcia stanu równowagi termicznej, czyli do wyrównania temperatur przekazując między sobą ciepło. Zgodnie z zasadą bilansu cieplnego w układzie izolowanym ilość ciepłą oddanego przez jedne ciała musi być równa ilości ciepła pobranego przez pozostałe ciała układu. Do wykonania doświadczenia potrzebne są kalorymetr, termometr, woda, czajnik elektryczny, badane ciało, waga. Do kalorymetru należy wrzucić badane ciało. Ponieważ kalorymetr i badane ciało znajdowały się wcześniej w sali w temperaturze pokojowej, to należy przyjąć, że zarówno kalorymetr, jak i ciało mają początkową temperaturę T0 równą pokojowej. Należy wyznaczyć masy kalorymetru mk (z mieszadełkiem) i ciała mc. Następnie do kalorymetru należy wlać masę mw wrzątku (założyć należy, że jego temperatura jest równa 100C). Odczekać dopóki temperatura w kalorymetrze nie ustali się (od czasu do czasu mieszając). Odczytać temperaturę końcową Tk. W układzie tym ciepło oddawać będzie wrzątek, a pobierać badana substancja i kalorymetr. Ilość ciepła oddanego jest więc równa:

Qoddane = mwcw(100C – Tk)

gdzie mw - masa wrzątku, Tk - temperatura końcowa w C, cw – ciepło właściwe wody. Ciepło pobrane przez kalorymetr i ciało można opisać wzorem:

Qpobrane = mkcAl( Tk – T0) + mccc( Tk – T0)

gdzie mk, mc - masa odpowiednio kalorymetru (z mieszadełkiem) i ciała, Tk - temperatura końcowa, T0 - temperatura początkowa ciała i kalorymetru, cAl, cc – ciepła właściwe odpowiednio aluminium (z którego wykonane są kalorymetr i mieszadełko) i ciała. Zgodnie z zasadą bilansu cieplnego ciepło pobrane musi być równe oddanemu, czyli:

mkcAl( Tk – T0) + mccc( Tk – T0) = mwcw(100C – Tk)

Ćwiczenie rozpoczynamy od określenia masy m_k kalorymetru wraz z pokrywa i mieszadłem (na wadze laboratoryjnej). Następnie do kalorymetru wlewamy wodę w ilości ok. 1/3 jego objętości. Mierzymy na wadze masę kalorymetru wraz z woda m₁ Po wyrównaniu sie temperatur wody i kalorymetru mierzymy temperaturę wody, T₁. Ciało stałe o masie m, którego ciepło właściwe chcemy określać ogrzewamy w naczyniu (np. zanurzonym we wrzącej wodzie) i mierzymy jego temperaturę T₂. Po ogrzaniu szybko wrzucamy do kalorymetru, zamykamy go pokrywa i mieszając czekamy do wyrównania sie temperatur kalorymetru, wody i badanego ciała T₃.

2. Przebieg ćwiczenia.

2.1. Wyznaczanie ciepła właściwego ciał stałych.

1. Na wadze laboratoryjnej ważę badane ciało– jego masę oznaczam m₁:

2. m₁=0,227kg

3. Ważę suchy kalorymetr właściwy z mieszadełkiem– m_k:

4. m_k=0,146kg

5. Do kalorymetru wlewam wodę (ok.1/3 jego objętości) i ważę go– m₂. następnie obliczam masę wody wlanej do kalorymetru ze wzoru:

6. m_w=m₂-m_k.

7. m₂=0,323kg m_w=0,177kg

8. Wsypuję badane ciało do probówki, i umieszczam probówkę w pojemniku z gorącą wodą.

9. Notuję temperaturę t₁ jaka się ustaliła, a następnie mierzę temperaturę wody w kalorymetrze– t₀. Po zmierzeniu temperatury wsypuję ciało do kalorymetru.

10. t₁=50,4°C t₀=20,6°C

11. Wodę w kalorymetrze mieszam, a następnie mierzę jej temperaturę t, jaka się ustali:

12. t=21,7°C

13. Obliczam ciepło właściwe ciała.

OBLICZENIA:

$$W = \ \frac{m_{2}(T_{2} - T_{3})}{T_{3} - T_{1}} - m_{1}$$

$$W = \frac{0,146(357,2 - 318,7)}{318,7 - 288,7} - 0,139 = 0,0484$$

RACHUNEK BŁĘDU:

Błąd bezwzględny Δc liczę na podstawie powyższego wzoru metodą różniczki zupełnej.

gdzie:

Δm=0,0001kg

Δm_w=2Δm=0,0002kg

Δt=2Δt=0,02°C

Δc=374,005 J / kg * K

3. Wnioski i spostrzeżenia.

Ciepło właściwe ciała stałego nie zgadza się z wartością tablicową. Różnica pochodzi głównie z niedokładności pomiarów. Błąd powstały w obliczeniach może być wynikiem niedokładności przyrządów pomiarowych: wagi i termometru (przy ważeniu badanego ciała, kalorymetru z mieszadełkiem– pustego i z wodą). Na procent błędu mogło również wpłynąć niedokładne określenie wspólnej temperatury wody, kalorymetru i badanego ciała. Tak duży błąd może być również wynikiem nieuwzględnienia udziału ciepła z otoczenia. Błąd pomiaru związany jest również z utratą ciepła ciała stałego podczas przekładania go do kalorymetru.