Cieplny równoważnik pracy
1
MECHANICZNY RÓWNOWAŻNIK CIEPŁA
Cele ćwiczenia
Wyznaczenie wartości cieplnego równoważnika pracy prądu elektrycznego.
Utrwalenie pojęć związanych z przepływem prądu elektrycznego. Utrwalenie
umiejętności układania bilansu cieplnego.
Spis przyrządów
Zestaw do wyznaczania cieplnego równoważnika pracy prądu elektrycznego:
zasilacz (z woltomierzem i amperomierzem), naczynie Dewara, termometr
cyfrowy. Czajnik elektryczny, cylinder miarowy, stoper.
Zagadnienia
1. Natężenie prądu elektrycznego i jego jednostka.
2. Praca i moc prądu elektrycznego.
3. Bilans cieplny. Cieplny równoważnik pracy prądu elektrycznego.
4. Wyznaczanie pojemności cieplnej kalorymetru.
Literatura
1. A. Zawadzki, H. Hofmokl, Laboratorium fizyczne, PWN, Warszawa, 1964
2. S. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna cz. 2 i 3, PWN, Warszawa, 1964
3. Praca zbiorowa pod redakcją Czesława Kajtocha., I Pracownia Fizyczna,
Wydawnictwo Naukowe AP, Kraków 2007
Cieplny równoważnik pracy
2
Tok postępowania
1. Przygotować zestaw jak na rysunku poniżej.
Rys. Zestaw do wyznaczania cieplnego równoważnika pracy prądu elektrycznego:
Z – zasilacz regulowany ( A – amperomierz, V – woltomierz), G – grzałka, T –
termometr, ND – naczynie Dewara
2. Wyznaczanie pojemności cieplnej kalorymetru:
a) podgrzać w czajniku 300-500 ml wody destylowanej do temperatury
ok. 40
o
C;
b) odmierzyć menzurką 200 ml (m
w
= 200 g);
c) odczytać temperaturę wody T
1,
przed samym wlaniem jej do
kalorymetru;
d) wlać wodę do kalorymetru, zamknąć go, włożyć termometr, mieszać
nim wodę i odczytywać temperaturę co ok. 0,5 min. Zanotować
końcową temperaturę T
2
(utrzymuje się przez kilkanaście sekund a
potem jej wartość obniża się);
e) obliczyć pojemność cieplną kalorymetru k [cal/
o
C] -
z bilansu cieplnego:
m
w
c
w
(T
1
–T
2
) = k (T
2
–T
pok
) .
Cieplny równoważnik pracy
3
3. Wyznaczanie cieplnego równoważnika pracy prądu elektrycznego:
a) odczytać ponownie temperaturę układu - T
3
;
b) podłączyć do grzałki o oporze 3
zasilacz stabilizowany;
c) włączyć stoper równocześnie z zasilaczem (ok.10V, 4A). (Uwaga: jeśli
wartości napięcia i natężenia prądu elektrycznego znacznie różnią się od
zadanych, ustawić właściwe wartości, wyłączyć zasilacz, po upływie
kilku minut cofnąć się do punktu 3a;)
d) po upływie ok. t = 5 min (mieszać wodę termometrem), odczytać
temperaturę końcową T
4
.
4. Obliczyć:
a) ciepło Q [cal] dostarczone do układu - z bilansu cieplnego :
Q = (m
w
c
w
+ k) (T
4
– T
3
)
b) pracę W [J] wykonaną przez prąd przepływający przez uzwojenie
kalorymetru:
W= U
I
t
c) cieplny równoważnik pracy prądu elektrycznego
[J/cal]:
Q
W
5. Obliczyć niepewności pomiarowe, porównać uzyskany wynik z wartością
tablicową i przeprowadzić dyskusję otrzymanych wyników.
Cieplny równoważnik pracy
4
Wstęp teoretyczny
Praca W potrzebna do przeniesienia ładunku q między punktami
o potencjałach V
A
i V
B
wynosi:
W = q (V
B
– V
A
) = q
U.
gdzie: U
napięcie między punktami A i B
Przy przepływie prądu elektrycznego o stałym natężeniu I w czasie t
przeniesiony ładunek q ma wartość:
q = I
t .
Stąd praca prądu elektrycznego W wyniesie:
W = I
U
t.
Jeśli opornik w postaci grzałki umieścimy w kalorymetrze z wodą
destylowaną to powyższa energia spowoduje jej ogrzanie od temperatury T
1
do
temperatury T
2
. Wiąże się to z podniesieniem energii wewnętrznej wskutek
dostarczonego do układu ciepła Q.
Q = (c
w
m
w
+ k) (T
2
– T
1
)
gdzie: c
w
ciepło właściwe wody
m
w
masa wody
k
pojemność cieplną kalorymetru z opornikiem, termometrem
i mieszadłem.
Wykorzystując zależności na obie wartości energii Q i W obliczamy
cieplny równoważnik pracy prądu elektrycznego
:
Q
W
.
Wartość tablicowa
= 4,187 J/cal
(0,24 cal/J)