M-14.1P, Politechnika Lubelska, Studia, Studia, fizyka

Pracownia Zakładu Fizyki Technicznej Politechniki Lubelskiej
Nazwisko i imię Ignatowicz Paweł studenta:					Symbol grupy MD 103.1c
Data wykonania ćwiczenia:	Symbol ćwiczenia: 14.1	Temat zadania: Sprawdzenie słuszności I zasady termodynamiki za pomocą kalorymetru elektrycznego.
Zaliczenie:		Ocena:	Data:09.12.99	Podpis

Tabela pomiarów.

Lp.

M
[kg]

T
[K]

c
[
]

V[m
]

i[A]

R[
]

t[s]

0,064

0,285

295

296

203

206

896

2430

270

351

263

Lp.

L[J]

[J]

W = L -

14580

18954

9468

6022,312

8280,679

7527,89

8557,688

10673,321

1940,11

Obliczenia.

Pomiar pierwszy:

L = (3A)
6
270s = 9A
6
270s = 14580 J

Pomiar drugi:

L = (3A)
6
351s = 9A
6
351s = 18954 J

Pomiar trzeci:

L = (3A)
4
263s = 9A
4
263s = 9468 J

pomiar pierwszy:

= 5540,4 J + 458,752 J + 23,16 J = 6022,312 J

pomiar drugi:

= 7618 J + 630,784 J + 31,845 J = 8280,679 J

pomiar trzeci:

= 6925,5 J + 573,44 J + 28,95 J = 7527,89 J

Krótka teoria.

I zasada termodynamiki, rozumiana również jako zasada zachowania energii, jest jednym z podstawowych praw przyrody.

Zasadę tę można sformułować w sposób następujący: w układzie odosobnionym, w którym zachodzą dowolne zjawiska mechaniczne, cieplne, elektryczne, magnetyczne czy też przemiany jądrowe, nie można w żaden sposób zmienić całkowitej energii układu. jeśli mogą natomiast zachodzić wymiany energii układu z otoczeniem, to przyrost /lub ubytek/ całkowitej energii układu równa się doprowadzonej z zewnątrz /lub odprowadzonej na zewnątrz/ energii.

Energię układu termodynamicznego stanowi nie tylko energia mechaniczna układu jako całości lecz także energia U ruchu i wzajemnego oddziaływania elementarnych składników tego układu /cząsteczek, atomów, elektronów itd./, zwana energią wewnętrzną układu. Całkowita energia jest więc równa

Układ może wymieniać energię z otoczeniem w dwojaki sposób; jeden z nich nazywamy ciepłem, drugi - pracą.

Ciepłem nazywamy taki sposób przekazywania energii, który dokonuje się W wyniku istnienia różnicy temperatur między ciałami.

Praca to taka forma przekazywania energii, która nie wymaga istnienia różnicy temperatur; wiąże się ona z procesem przekazywania energii uporządkowanego ruchu.

Zjawiska zachodzące w układzie pomiarowym.

W kalorymetrze K napełnionym cieczą, zanurzona jest spirala grzejna R, którą można łączyć ze źródłem prądu Z. Natężenie prądu płynącego w obwodzie pokazuje amperomierz A. Temperaturę cieczy w kalorymetrze odczytuje się na termometrze T umieszczonym w pokrywie kalorymetru.

Budowa kalorymetru zapewnia możliwie dokładną izolację cieplną układu; wypolerowanie ścianek ma , na celu zmniejszenie strat energii przez promieniowanie, a umieszczenie kalorymetru w tzw. płaszczu izolacyjnym, utrudnia przekazywanie energii wskutek przewodnictwa cieplnego.

W związku z tym możemy przyjąć, że rozpatrywany przez nas układ nie wymienia energii z otoczeniem na sposób ciepła,

Ruch ładunków elektrycznych zachodzi dzięki pracy pola elektrycznego. Jest to pracą, którą otoczenie wykonuje nad układem. Dlatego też I zasada termodynamiki dla rozpatrywanego układu ma następującą postać:

czyli wykonana nad układem praca pola elektrycznego jest równa przyrostowi jego energii wewnętrznej.

Pracę wykonywaną przez pole elektryczne na przesuwanie ładunków w spirali, możemy zapisać:

gdzie R oznacza opór spirali , i- natężenie prądu /stałego/, t - czas przepływu prądu.

Wzrost temperatury jest jedynym efektem pracy wykonanej nad układem w rozważanym przez nas procesie; zmiany objętości ciał tworzących układ są małe i możemy je pominąć. Wobec tego zmiana energii wewnętrznej układu, przy jego przejściu ze stanu początkowego do stanu końcowego, jest związana tylko ze zmianą temperatury.

Jeśli temperatura początkowa układu była równa Tp, a po czasie t osiągnęła wartość Tk, to przyrost temperatury

Dla rozpatrywanego układu, przyrost energii wewnętrznej będzie równy sumie przyrostów tej energii obliczonych dla poszczególnych części układu:

cieczy

kalorymetru

spirali

termometru

gdzie m i c z odpowiednimi indeksami, oznaczają masy i ciepła właściwe wymienionych elementów układu. Ze względu na bardzo małą masę spirali, wartość
możemy w warunkach tego eksperymentu zaniedbać i wówczas

U
można wyliczyć , znając objętość V części zanurzonej termometru i korzystając z faktu, że pojemności cieplne jednostki objętości rtęci i jednostki objętości szkła są prawie równe sobie i wynoszą około 1.93 · 10

; wtedy

1.93 · 10

V

Jak wynika z powyższych rozważań, I zasadę termodynamiki możemy zapisać w postaci następującej:

lub:

Schemat ćwiczenia i opis wykonania.

Układ pomiarowy do sprawdzania słuszności I zasady termodynamiki.

Zestawiamy obwód wg schematu przedstawionego powyżej . Ważymy kalorymetr /bez pokrywy/, napełniamy go cieczą do 2/3 objętości i ważymy ponownie. Notujemy wartość m
wartość m
znajdujemy jako różnicę obu ważeń. Następnie mierzymy objętość V zanurzonej części termometru.

Umieszczamy kalorymetr w osłonie i po odczekaniu kilku minut na wyrównanie się temperatury elementów układu, notujemy temperaturę początkową T

Po wykonaniu tych wstępnych czynności, zamykamy obwód elektryczny, uruchamiając jednocześnie sekundomierz. Natężenie prądu należy ustalić w przedziale wartości(1-2)A a ewentualne jego wahania redukować pokrętłem zasilacza. Przepływ prądu powinien trwać

10-15 minut; w tym czasie mieszamy ciecz w kalorymetrze, aby wyrównać temperaturę w całej jej objętości.

Z chwilą przerwania obwodu wyłączamy również sekundomierz. Notujemy wskazanie sekundomierza - t i termometru - T

Pomiary przeprowadzamy kilkakrotnie dla rożnych wartości natężeń prądu i różnych wartości oporów włączanych spiral. Podgrzaną w jednym eksperymencie ciecz oziębiamy do temperatury pokojowej i używamy ponownie do kolejnych pomiarów.