Номер 1, страница 10 - гдз по физике 8 класс самостоятельные и контрольные работы Шабусов, Дубина

Лабораторная работа № 1

Сравнение количеств теплоты при теплообмене (урок 4)

Немного теории

Величина, равная изменению внутренней энергии вещества в процессе теплообмена с окружающей средой, называется количеством теплоты, или просто теплотой. Она обозначается $\text{Q}$, единица измерения: $[Q] = 1$ джоуль (1 Дж).

Количество теплоты $\text{Q}$, необходимое для нагревания тела, определяется произведением удельной теплоемкости вещества $\text{c}$, массы тела $\text{m}$ и изменения его температуры $\Delta t = t_2 - t_1$:

$Q = cm(t_2 - t_1)$ или $Q = cm\Delta t$.

При охлаждении тела разность температур будет отри-цательной $t_2 - t_1 < 0$, поэтому количество теплоты, которое выделяется, принято брать со знаком «минус».

Обычно при проведении экспериментов количество по-лученной теплоты оказывается меньше, чем количество отданной. Это объясняется тем, что часть теплоты уходит в окружающую среду.

Что нужно знать об уравнении теплового баланса?

Система тел называется теплоизолированной при отсут-ствии теплообмена с окружающей средой.

Уравнение теплового баланса. В теплоизолированной системе теплота, которую поглощает тело, является положительной, выделяемая теплота — отрицательной, а суммарное количество теплоты равно нулю:

$Q_1 + Q_2 + ... + Q_n = 0$.

Уравнение теплового баланса является частным случаем закона сохранения энергии.

Если в теплообмене участвует только два тела, то количество теплоты, полученное одним телом $Q_1$, равно модулю количества теплоты, отданному другим телом $Q_2$: $Q_1 = |Q_2|$.

Что такое калориметр?

Для экспериментального определения количества теплоты, полученного или отданного телами в процессе теплопередачи, а также для определения удельной теплоемкости вещества используют такой прибор как калориметр.

Обратите внимание. Школьные калориметры бывают разных конструкций.

Обычно школьный калориметр состоит из внешнего и внутреннего стаканов, которые изготовлены из пластмассы или металла (алюминия, меди). Пространство между стаканами может быть пустым, а может содержать стакан из пенопласта. Исследуемое вещество помещается во внутренний стакан калориметра, а воздух или пенопласт между стенками обеспечивает теплоизоляцию вещества в стакане. Таким образом калориметр позволяет существенно уменьшить тепловые потери.

Однако любой калориметр поглощает некоторое количество теплоты, поэтому не всегда получается пренебречь его влиянием. Например, в данной работе калориметр поглотит часть теплоты, которая выделяется при охлаждении горячей воды, поэтому полученный результат будет заниженным.

Определяем изменение температуры жидкостей

Перед началом измерений определите объем внутреннего стакана калориметра с помощью мензурки. Дело в том, что в учебнике рекомендуется брать 100 мл холодной и 100 мл горячей воды. Однако в некоторых наборах объем калориметра меньше 200 мл. В этом случае нужно брать объемы воды чуть меньше, чем половина объема калориметра. Например, если объем калориметра 180 мл, то объем холодной и горячей воды можно взять равными 80 мл.

Обратите внимание. При заполнении таблицы значение объема нужно перевести в кубические метры. Например, $V_1 = 80 \text{ мл} = 80 \text{ см}^3 = 8,0 \cdot 10^{-5} \text{ м}^3$ или $V_1 = 100 \text{ мл} = 1,0 \cdot 10^{-4} \text{ м}^3$.

Примечание. Запись в стандартном виде предпочтительнее записи обычной десятичной дробью: $V_1 = 0,000080 \text{ м}^3$.

Измерьте значение температуры холодной воды $t_1$ и за-несите его в таблицу. Холодную воду лучше брать комнатной температуры, чтобы отсутствовал теплообмен с окружающей средой.

Удобнее, если первоначально в калориметр влить холодную воду и только после этого добавить горячую, предварительно измерив ее температуру $t_2$. Перемешивая термометром воду, дождитесь, пока его показания перестанут расти. Это значение и будет установившейся температурой $t_3$.

Таким образом, можно вычислить изменения температуры жидкостей: для холодной воды $\Delta t_1 = t_3 - t_1$, для горячей воды $\Delta t_2 = t_3 - t_2$.

Обратите внимание. Значение $\Delta t_2 < 0$, так как горячая вода остывает.

Секретные материалы. Как оценить результат измерения температуры

Так как в работе объемы холодной и горячей воды равны, то (теоретически) должны быть равны и изменения их температур. Однако нужно учитывать, что горячая вода отдает теплоту не только холодной воде, но и окружающей среде, поэтому модуль изменения ее температуры $\Delta t_2$ будет немного больше, чем $\Delta t_1$ холодной воды: $|\Delta t_2| > \Delta t_1$.

Например, если $t_1 = 18^\circ \text{С}$, $t_2 = 58^\circ \text{С}$, $t_3 = 37^\circ \text{С}$, то $\Delta t_1 = 37^\circ \text{С} - 18^\circ \text{С} = 19^\circ \text{С}$, $\Delta t_2 = 37^\circ \text{С} - 58^\circ \text{С} = -21^\circ \text{С}$.

Если это не так, значит, неверно определена установившаяся температура $t_3$.

Как определить массу воды?

В ходе работы с помощью мензурки определялся объем воды. Чтобы найти ее массу, нужно воспользоваться формулой: $m = \rho V$, где $\rho = 1,0 \frac{\text{г}}{\text{см}^3}$ — плотность воды.

Удобнее при расчетах брать значения в граммах и кубических сантиметрах и только потом значение массы переводить в килограммы. Например: $m = 1,0 \frac{\text{г}}{\text{см}^3} \cdot 80 \text{ см}^3 = 80 \text{ г} = 0,080 \text{ кг}$.

Рассчитываем количество теплоты

Количество теплоты определяется по формуле: $Q = cm\Delta t$, где $c = 4200 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot ^\circ\text{С}}$ — удельная теплоемкость воды.

Например, для холодной воды: $Q_1 = cm\Delta t_1 = 4200 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot ^\circ\text{С}} \cdot 0,080 \text{ кг} \cdot 19^\circ \text{С} = 6384 \text{ Дж} \approx 6,4 \text{ кДж}$.

Для горячей воды: $Q_2 = cm\Delta t_2 = 4200 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot ^\circ\text{С}} \cdot 0,080 \text{ кг} \cdot (-21^\circ \text{С}) = -7056 \text{ Дж} \approx -7,1 \text{ кДж}$.

Обратите внимание. Даже при небольшом расхождении разности температур $\Delta t$ модули теплоты существенно различаются.

Все полученные значения занесите в таблицу. Например:

Анализируем результаты

Сравнивая полученные результаты, мы можем прийти к выводу, что модули отданной и полученной теплоты равны только приблизительно. Фактически, модуль полученной теплоты меньше отданной, так как часть теплоты ушла в окружающую среду, а часть забрал калориметр. Кроме того, на результаты повлияла погрешность измерения.

Пишем выводы

В выводах необходимо отразить, что изучалось в работе и какие получены результаты. В данной работе проверялось выполнение закона сохранения и превращения энергии в тепловых процессах. Полученные результаты показывают, что модули отданной и полученной теплоты равны только приблизительно, потому что часть теплоты уходит в окружающую среду.

Например, как следует из уравнения теплового баланса, при указанных выше данных в окружающую среду ушло количество теплоты*: $\Delta Q = Q_2 + Q_1 = -7,1 \text{ кДж} + 6,4 \text{ кДж} = -0,7 \text{ кДж}$.