Номер 2, страница 16 - гдз по физике 8 класс самостоятельные и контрольные работы Шабусов, Дубина

Лабораторная работа № 2

Измерение удельной теплоемкости вещества (урок 6)

Немного теории

Удельная теплоемкость вещества — это физическая величина, равная количеству теплоты, которое необходимо для изменения температуры вещества массой 1 кг на $1 ^\circ \text{С}$. Она обозначается $\text{c}$, единица измерения:

$$[c] = \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot ^\circ \text{С}}$$

Удельная теплоемкость твердых тел и жидкостей зависит от рода вещества и почти* не зависит от изменения его температуры.

Как лучше измерять температуру?

Сначала отмерьте необходимый объем $\text{V}$ воды (например, $V = 150 \text{ мл} = 1,5 \cdot 10^{-4} \text{ м}^3$) и влейте ее в калориметр. Масса воды $m_1$ определяется так же, как и в предыдущей работе:

$$m = \rho V,$$

где $\rho = 1,0 \frac{\text{г}}{\text{см}^3}$ плотность воды.

Например:

$$m = 1,0 \frac{\text{г}}{\text{см}^3} \cdot 150 \text{ см}^3 = 150 \text{ г} = 0,15 \text{ кг}.$$

Измерьте температуру воды $t_1$. Следующие действия нужно проделать быстро, но аккуратно. Из сосуда с кипящей водой ($t_2 = 100 ^\circ \text{С}$) нужно достать цилиндр и быстро опустить его в калориметр.

Будьте осторожны: цилиндр горячий, поэтому не берите его в руки! Правильные действия вам подскажет учитель.

Обратите внимание. На цилиндре не должно быть много капель горячей воды, потому что в таком случае она тоже будет участвовать в теплообмене, что приведет к завышенному результату.

После этого осторожно перемешивайте воду термометром до тех пор, пока не прекратится повышение температуры. Показания термометра $t_3$ можно считать установившейся температурой.

Обратите внимание. При перемешивании желательно не касаться термометром дна и стенок калориметра, а также цилиндра. Лучше держать термометр в средней части калориметра между стенками и цилиндром.

Затем посчитайте изменение температуры воды и цилиндра. Для воды: $\Delta t_1 = t_3 - t_1$, для цилиндра: $\Delta t_2 = t_3 - t_2$.

Например, если $t_1 = 18 ^\circ \text{С}$, $t_2 = 100 ^\circ \text{С}$, $t_3 = 25 ^\circ \text{С}$, то $\Delta t_1 = 25 ^\circ \text{С} - 18 ^\circ \text{С} = 7 ^\circ \text{С}$, $\Delta t_2 = 25 ^\circ \text{С} - 100 ^\circ \text{С} = -75 ^\circ \text{С}$.

Определяем удельную теплоемкость вещества цилиндра

Измерьте массу цилиндра $m_2$ на весах (например, $m_2 = 160 \text{ г}$), заполните таблицу и приступайте к расчетам. Например:

Теплота, полученная водой:

$$Q_1 = c_1 m_1 \Delta t_1 = 4200 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot ^\circ \text{С}} \cdot 0,15 \text{ кг} \cdot 7 ^\circ \text{С} = 4410 \text{ Дж}.$$

Удельная теплоемкость вещества цилиндра:

$$c_2 = \frac{Q_1}{m_2 |\Delta t_2|} = \frac{4410 \text{ Дж}}{0,16 \text{ кг} \cdot |-75 ^\circ \text{С}|} = 367,5 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot ^\circ \text{С}} \approx 370 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot ^\circ \text{С}}.$$

Обратите внимание. Значение $\Delta t_1$ может составлять всего одну значащую цифру (в приведенном примере $\Delta t_1 = 7 ^\circ \text{С}$), что может привести к значительной погрешности.

Чтобы определить, из какого вещества изготовлен цилиндр, нужно сравнить полученный результат с данными таблицы удельных теплоемкостей металлов и сплавов.

Таблица

Удельная теплоемкость некоторых металлов и сплавов

При определении вещества, из которого изготовлен цилиндр, нельзя применять формальный подход. Обязательно обратите внимание на цвет цилиндра, имеется ли на нем ржавчина, легкий он или тяжелый. Так, в приведенном примере значение $c_2 \approx 370 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot ^\circ \text{С}}$ ближе всего к меди или латуни ($380 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot ^\circ \text{С}}$). Но обратите внимание на цвет цилиндра. Если он красновато-черный, то это действительно медь, если он желтый, то это, скорее всего, латунь. Однако если он покрыт ржавчиной, то это, несомненно, сталь, теплоемкость которой $470 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot ^\circ \text{С}}$, несмотря на то, что полученный результат значительно отличается.

И снова погрешности!

Чтобы уменьшить погрешность измерения, нужно проанализировать полученные результаты. Основными причинами расхождения с теоретическими значениями являются тепловые потери, а также погрешность измерения температуры воды. И если взять воду большей массы, то потери уменьшатся, но изменение температуры будет меньше, что приведет к еще большей погрешности. Однако при уменьшении массы воды увеличатся тепловые потери. Таким образом, погрешность будет меньше в том случае, если массы воды и цилиндра будут примерно равны.

Пишем выводы

В данной работе определялось значение удельной теплоемкости вещества цилиндра. В выводах нужно указать, из какого вещества изготовлен цилиндр (например, из стали). Также нужно отметить, что полученные результаты $c_2 \approx 370 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot ^\circ \text{С}}$ расходятся с табличным значением $c_{\text{ст}} \approx 470 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot ^\circ \text{С}}$ из-за тепловых потерь и погрешностей измерений.