Pomiar ciepła właściwego cieczy metodą dwóch kalorymetrów

(108)

1. PODSTAWY TEORETYCZNE

Kalorymetr składa się z dwóch naczyń wykonanych najczęściej z aluminium, umieszczonych jedno wewnątrz drugiego. Wewnętrzne naczynie spoczywa na drewnianej podstawce (drewno jest dobrym izolatorem), a od góry przestrzeń między naczyniami zakrywa pokrywka, gdyż uwięzione powietrze pełni rolę izolatora. W przykrywce wewnętrznego naczynia są dwa otwory: z jednego wystaje mieszadło umożliwiające wyrównanie temperatur ciał w kalorymetrze, do drugiego można włożyć termometr. Jest to przyrząd do sprawdzania i pomiaru właściwości cieplnych, takich jak równanie bilansu cieplnego, wyznaczania ciepła właściwego i ciepła topnienia np. lodu.

Ilość ciepła  DQ pobierana przez ciało jednorodne przy niewielkim wzroście temperatury, przy którym nie zachodzi przemiana fazowa, jest proporcjonalna do masy i do przyrostu temperatury DT = T₂ - T₁. Współczynnikiem proporcjonalności jest ciepło wlaściwe średnie C, odpowiadające przedziałowi tempratur T₁ i T₂ :

Q = m C T .

Stąd ciepło właściwe średnie w granicach temperatur T₁ i T₂  wynosi :

Zmniejszając nieskończenie wartość przyrostu temperatury znajdujemy ciepło właściwe ciała w temperaturze T jako granicę wartości C :

Z powyższych równań wynika, że ciepło właściwe  dowolnego ciała wyraża liczbowo ilość ciepła potrzebną do ogrzania 1 kg ciała o 1 K . Jednostką ciepła właściwego  jest J/kg*K .

         Aby wyznaczyć ciepło właściwe jakiegoś ciała, przeprowadzamy wymianę ciepła między tym ciałem, a ciałem o znanym cieple właściwym; w tym przypadku gliceryną , a wodą. Wymiana ciepła odbywa się w kalorymetrze. Pomiar ciepła właściwego cieczy  jest dość trudny ze względu na jego małą wartość.

         Stosować tu można metodę polegającą na doprowadzeniu do kalorymetru dokładnie określonych ilości ciepła za pomocą prądu elektrycznego. Metoda ta nadaje się w ogóle do precyzyjnych pomiarów ciepła właściwego. Jeśli nie wykorzystamy energii elektrycznej w postaci pracy mechanicznej, wydziela się ona w postaci tzw. ciepła Joule'a - Lenza.

W naszym przypadku bierzemy dwa kalorymetry i napełniamy je dwiema różnymi cieczami.Jeden napełniamy wodą, drugi gliceryną ( ciecz o nieznanym cieple właściwym ).Kalorymetry nakrywamy pokrywkami  zapewniającymi izolację cieplną. W pokrywkach są otwory na termometr i mieszadełko oraz dwa zaciski, do których doprowadzamy prąd elektryczny. We wnętrzu kalorymetrów zawieszone są w cieczach spirale o identycznych oporach, połączone szeregowo.  Z połączenia szeregowego wynika, że natężenie prądu w obu spiralach oraz czasy przepływu prądu są takie same . Ilości ciepła wydzielone przez obie spirale będą więc identyczne. Ciepło to pozostaje pochłonięte przez kalorymetry i ciecze. Ciepło pobrane przez 1 kalorymetr :

Q₁ = ( m₁ C₁ + mk₁ Ck₁ ) Dt₁

gdzie :  m₁   - masa cieczy w pierwszym kalorymetrze (gliceryna),

           mk₁ - masa kalorymetru  

           C₁   - ciepło właściwe tej cieczy,

           Ck₁ - ciepło właściwe kalorymetru,

           Dt₁   - przyrost temperatury.

Ciepło pobrane przez 2 kalorymetr :

Q₂ = ( m₂ C₂ + mk₂ Ck₂ ) Dt₂

gdzie : m₂    - masa cieczy w drugim kalorymetrze (woda),

          mk₂ - masa kalorymetru,

          C₂    - ciepło właściwe tej cieczy,

          Ck₂ - ciepło właściwe kalorymetru,

          Dt₂   - przyrost temperatury.

Przy założeniu, że oba kalorymetry mają dobrą izolację, można przyjąć, że ilości ciepła pobrane przez oba kalorymetry będą równe. Inny będzie tylko uzyskany przyrost temperatury w obu przypadkach.

Q₁ = Q₂ ;

więc:

(m₁ C₁ + mk₁ Ck₁ ) Dt₁ = ( m₂ C₂ + mk₂ Ck₂ ) Dt₂  ,

stąd możemy obliczyć ciepło właściwe cieczy badanej :

 2. KOLEJNOŚĆ CZYNNOŚCI

     a) Zważyć każdy z dwu kalorymetrów.

     b) Zważyć kalorymetr z wodą.

     c) Zważyć kalorymetr z badaną cieczą ; wyznaczyć masę cieczy i wody.

     d) Odczytać temperatury początkowe obu cieczy : t₁ oraz t₂ .      

     e) Włączyć napięcie.

     f) Gdy temperatury wskażą wzrost o 5⁰ - 6⁰ C , wyłączyc napięcie.

     g) Odczytać temperaturę maksymalną obu cieczy.

     h) Pomiar powtórzyć trzykrotnie i wyniki pomiarów wpisać do tabeli.

 3. TABELA POMIAROWA

   

L.p	m1	m2	t1	t2	t1p	t2p	t1	t2	mk1	mk2	C1
	[g]	[g]	[^0C]	[^0C]	[^0C]	[^0C]	[^0C]	[^0C]	[g]	[g]	J*kg^-1*K^-1
1
2
3
4

---