Лабораторная работа № 2, страница 159 - гдз по физике 8 класс учебник Исаченкова, Громыко

Лабораторная работа № 2. Измерение удельной теплоемкости вещества

Цель: измерить удельную теплоемкость вещества.

Оборудование: термометр лабораторный, калориметр, мензурка, колба с водой, весы, разновес, цилиндр металлический с нитью (или крючком), салфетка (рис. 288), сосуд с кипящей водой (один на класс).

Проверьте себя

1. Что выражает удельная теплоемкость вещества?

2. Зависит ли удельная теплоемкость от массы вещества, измене-ния его температуры и рода вещества?

Ход работы

1. Налейте в калориметр 150–180 мл воды комнатной температуры. Измерьте и запишите в таблицу массу $m_1$ и темпе-ратуру $t_1$ этой воды.

2. Подойдите с калориметром к столу учителя и, получив из сосуда с кипящей водой цилиндр на нитке, сразу же погрузите его в калориметр.

3. На рабочем месте опустите в калориметр с погруженным цилиндром термометр и, перемешивая им воду, наблю-дайте за повышением ее температуры.

Рис. 288

4. Когда температура воды в калориметре перестанет расти, запиши-те в таблицу значение окончательно установившейся температуры $t_3$.

5. Определите и запишите изменение температуры воды $\Delta t_1 = t_3 - t_1$ и изменение температуры исследуемого цилиндра $\Delta t_2 = t_3 - t_2$, где $t_2$ — температура кипения воды.

6. Достаньте цилиндр из калориметра. Промокнув его салфеткой, определите на весах массу цилиндра $m_2$ и запишите в таблицу.

7. По формуле $Q_1 = c_1 m_1 (t_3 - t_1)$, где $c_1$ — удельная теплоемкость воды, равная $4200 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°C}}$, найдите количество теплоты, полученное водой, и запишите в таблицу.

8. Считая, что отданная металлическим цилиндром теплота $Q_2$ равна по модулю полученной водой теплоте $Q_1$, используя формулу $|Q_2| = c_2 m_2 (t_2 - t_3)$, найдите и запишите в таблицу удельную теплоем-кость вещества цилиндра $c_2 = \frac{c_1 m_1 (t_3 - t_1)}{m_2 (t_2 - t_3)}$.

Контрольные вопросы

1. Какому веществу соответствует измеренное в работе значение удельной теплоемкости?

2. С чем связано расхождение между найденным и табличным зна-чениями удельной теплоемкости вещества цилиндра?

Выводы

Суперзадание

Как, по вашему мнению, на точность полученного результата влия-ет значение массы взятой для опыта воды?

Проверьте себя

1. Что выражает удельная теплоемкость вещества?

Удельная теплоемкость – это физическая величина, которая показывает, какое количество теплоты необходимо сообщить 1 кг вещества, чтобы нагреть его на 1 °C (или 1 K). Она является характеристикой самого вещества.

Ответ: Удельная теплоемкость показывает количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг вещества на 1 °C.

2. Зависит ли удельная теплоемкость от массы вещества, изменения его температуры и рода вещества?

Удельная теплоемкость является внутренней характеристикой вещества. Она зависит от рода вещества и его агрегатного состояния (твердое, жидкое, газообразное). Удельная теплоемкость не зависит от массы тела и от изменения его температуры (в рамках школьного курса физики это изменение не учитывается).

Ответ: Удельная теплоемкость зависит от рода вещества, но не зависит от его массы и изменения температуры.

Ход работы и расчеты

Поскольку провести реальный эксперимент невозможно, выполним расчеты, используя гипотетические, но реалистичные данные, которые могли бы быть получены в ходе лабораторной работы.

Дано:

Масса воды, $m_1 = 160 \text{ г}$
Начальная температура воды, $t_1 = 20 \text{ °С}$
Начальная температура цилиндра (температура кипящей воды), $t_2 = 100 \text{ °С}$
Масса металлического цилиндра, $m_2 = 100 \text{ г}$
Конечная (установившаяся) температура воды и цилиндра, $t_3 = 29.5 \text{ °С}$
Удельная теплоемкость воды, $c_1 = 4200 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°С}}$

Найти:

Количество теплоты, полученное водой, $Q_1$
Количество теплоты, отданное цилиндром, $Q_2$
Удельную теплоемкость вещества цилиндра, $c_2$

Решение:

1. Найдем количество теплоты, полученное водой, по формуле:
$Q_1 = c_1 m_1 (t_3 - t_1)$
$Q_1 = 4200 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°С}} \cdot 0.16 \text{ кг} \cdot (29.5 \text{ °С} - 20 \text{ °С}) = 672 \cdot 9.5 \text{ Дж} = 6384 \text{ Дж}$

2. Согласно закону сохранения энергии для тепловых процессов (уравнение теплового баланса), количество теплоты, отданное горячим телом (цилиндром), равно количеству теплоты, полученному холодным телом (водой), при условии отсутствия теплообмена с окружающей средой:
$|Q_2| = Q_1$
$Q_2 = 6384 \text{ Дж}$

3. Найдем удельную теплоемкость вещества цилиндра из формулы количества теплоты, отданного цилиндром:
$|Q_2| = c_2 m_2 (t_2 - t_3)$
Отсюда выразим $c_2$:
$c_2 = \frac{|Q_2|}{m_2 (t_2 - t_3)} = \frac{Q_1}{m_2 (t_2 - t_3)}$
$c_2 = \frac{6384 \text{ Дж}}{0.1 \text{ кг} \cdot (100 \text{ °С} - 29.5 \text{ °С})} = \frac{6384 \text{ Дж}}{0.1 \text{ кг} \cdot 70.5 \text{ °С}} = \frac{6384}{7.05} \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°С}} \approx 905.5 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°С}}$

Заполним таблицу результатами измерений и вычислений:

Ответ: $Q_1 = 6384 \text{ Дж}$, $Q_2 = 6384 \text{ Дж}$, $c_2 \approx 906 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°С}}$.

Контрольные вопросы

1. Какому веществу соответствует измеренное в работе значение удельной теплоемкости?

Полученное значение удельной теплоемкости $c_2 \approx 906 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°С}}$. Сравнивая это значение с табличными данными для различных металлов (алюминий – $920 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°С}}$, железо – $460 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°С}}$, медь – $380 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°С}}$), можно сделать вывод, что полученное значение наиболее близко к удельной теплоемкости алюминия.

Ответ: Измеренное значение удельной теплоемкости соответствует алюминию.

2. С чем связано расхождение между найденным и табличным значениями удельной теплоемкости вещества цилиндра?

Расхождение между экспериментальным ($906 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°С}}$) и табличным ($920 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°С}}$ для алюминия) значениями может быть вызвано несколькими причинами:

• Теплообмен с окружающей средой: Основное допущение в расчетах заключается в том, что система "вода-цилиндр" является изолированной. В реальности часть тепла от цилиндра и нагретой воды теряется, уходя на нагрев окружающего воздуха, стенок калориметра и термометра. Это приводит к заниженному значению конечной температуры $t_3$, и, как следствие, к заниженному расчетному значению $c_2$.
• Погрешности измерений: Неточности при измерении масс ($m_1, m_2$) и температур ($t_1, t_2, t_3$) с помощью весов и термометра.
• Неполный теплообмен: Температура цилиндра в момент погружения могла быть чуть ниже 100 °C из-за его остывания в воздухе при переносе от сосуда с кипятком к калориметру.
• Чистота вещества: Исследуемый цилиндр может быть изготовлен не из чистого алюминия, а из его сплава, удельная теплоемкость которого отличается от табличной.

Ответ: Расхождение связано с погрешностями измерений и, в первую очередь, с неизбежными потерями тепла в окружающую среду, которые не учитываются в расчетной формуле.

Выводы

В ходе лабораторной работы был применен метод теплового баланса для определения удельной теплоемкости металлического цилиндра. Измеренная удельная теплоемкость составила $c_2 \approx 906 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°С}}$, что позволяет предположить, что цилиндр изготовлен из алюминия. Небольшое расхождение с табличным значением объясняется погрешностями эксперимента, главным образом тепловыми потерями. Для повышения точности эксперимента необходимо использовать калориметр с лучшей теплоизоляцией и проводить измерения как можно быстрее.

Суперзадание

Как, по вашему мнению, на точность полученного результата влияет значение массы взятой для опыта воды?

Масса воды, взятой для опыта, существенно влияет на точность результата. Существует оптимальное соотношение масс воды и цилиндра.
• Если взять слишком мало воды, изменение ее температуры ($\Delta t = t_3 - t_1$) будет большим. С одной стороны, это уменьшает относительную погрешность измерения температуры. С другой стороны, чем выше конечная температура $t_3$, тем интенсивнее происходит теплообмен с окружающей средой, что увеличивает систематическую ошибку (теплопотери).
• Если взять слишком много воды, изменение ее температуры будет очень малым. В этом случае даже небольшая абсолютная погрешность термометра (например, 0.5 °C) приведет к большой относительной погрешности в определении разности температур ($t_3 - t_1$), что сильно скажется на точности конечного результата.
Таким образом, необходимо выбирать массу воды так, чтобы изменение температуры было достаточно большим для его уверенного измерения, но не настолько, чтобы теплопотери стали доминирующим источником погрешности. Рекомендованный в работе объем (150-180 мл) является компромиссным вариантом для минимизации общей погрешности.

Ответ: Масса воды влияет на точность, определяя величину изменения температуры. Слишком малая масса ведет к большим теплопотерям, а слишком большая — к высокой относительной погрешности измерения температуры.