Magdalena Gawrońska

nr albumu 135743

Sprawozdanie z ćwiczeń laboratoryjnych
z fizyki

Wyznaczanie ciepła właściwego ciał stałych metodą kalorymetryczną.

Prowadzący ćwiczenia:
dr W. Kumala

1. Wstęp.

Mierzeniem ilości ciepła zajmuje się dział nauki o cieple zwany kalorymetrią. Kalorymetria opiera się na kilku prostych zasadach, które można wyrazić następująco:

1. Ilość ciepła ΔQ1 oddana przez ciało jest równa ilości ciepła ΔQ2 pobranej przez jego otoczenie (przez ciała, które je otaczają).

2. Ilość ciepła pobrana przez ciało podczas ogrzewania jest równa ilości ciepła oddanej podczas stygnięcia w tym samym zakresie temperatur, jeżeli w odwrotnym porządku przechodzi ono przez te same stany pośrednie.

3. Ilość ciepła ΔQ pobrana przez ciało w procesie ogrzewania (lub oddana w procesie chłodzenia) jest proporcjonalna do iloczynu jego masy oraz powstałego (dodatniego lub ujemnego) przyrostu temperatury Δt

ΔQ=m⋅ c⋅ Δt

gdzie współczynnik proporcjonalności c nazywamy jego ciepłem właściwym. W przypadkach 1. i 2. przyjmujemy, że ciała przyjmujące lub oddające ciepło nie wykonują równocześnie pracy, ani też że nie jest ona na nich wykonywana.

Rys. 1. Kalorymetr wodny.

Nie istnieje kalorymetr izolujący doskonale. Zawsze pewne nieznane ilości ciepła nie dają się rachunkowo uwzględnić, np. nieznane straty powstają w momencie przenoszenia ciała z ogrzewacza do naczynia kalorymetrycznego, na skutek nieuniknionego parowania i konwekcji, (pomiędzy naczyniem K i płaszczem B jest powietrze) itp. Najbliższym idealnego byłby kalorymetr o płaszczu próżniowym (naczynie Dewara - termos). Te czynniki powodują, że wynik badania jest obarczony na ogół większym błędem, niż to wynika z formalnej analizy przeprowadzonej na gruncie teorii błędów.

2. Wyniki i obliczenia.

1. Masy badanych ciał.

m₁ = 66,2 ± 0,002 [g]

m₂ = 29,5 ± 0,002 [g]

m₃ = 18,4 ± 0,002 [g]

2. Masa naczynia kalorymetrycznego i mieszadełka.

m_m = 7,6 ± 0,002 [g]

m_k = 150,7 ± 0,002 [g]

3. Masa wody dla poszczególnych pomiarów.

m_w= m_kw - m_k (gdzie m_kw -naczynie z wodą)

m_w1 =241,1 - 150,7 = 90,4 ± 0,002 [g]

m_w2 =241,1 - 150,7 = 90,4 ± 0,002 [g]

m_w3 =234,0 - 150,7 = 83,3 ± 0,002 [g]

4. Temperatury początkowe ciał.

T_C1 = 95,4 ° C

T_C2 = 96,2 ° C

T_C3 = 95,0 ° C

5. Temperatura początkowa i końcowa w procesie wymiany ciepła odczytana z wykresów.

T_P1 = 16,2 ° C

T_K1 = 21,0 ° C

T_P2 = 17,6° C

T_K2 = 21,6 ° C

T_P3 = 16,7 ° C

T_K3 = 19,6 ° C

6. Wielkości stałe.

Ciepło właściwe wody: c_w =4185 ± 8 [J/kg K]

Ciepło właściwe kalorymetru mosiężnego: c_k =390 ± 5 [J/kg K]

Ciepło właściwe mieszadełka c_m = 897 ± 5 [J/kg K]

7. Wyznaczone wielkość wynoszą:

c₁ = 433 ± 23 [J/kg °C]

c₂ = 807± 15 [J/kg °C]

c₃ = 926 ± 58 [J/kg °C]

-Przykładowe obliczenia dla ciała 1:

• Niepewność pomiarów:

Δ(T_K- T_P) = 0°C + (T_K- T_P)⋅0,9% + 0,2°C

Δ(T_C- T_P) = 1°C + T_C ⋅ 0,9% + T_P ⋅ 0,9% + 0,2°C

3. Wnioski.

Metoda kalorymetryczna pozwala na wyznaczenie ciepła właściwego z dokładnością do ok. 5%. Błąd ten nie uwzględnia jednak wielu czynników wypływających w trakcie pomiarów takie jak wymiana ciepła z otoczeniem podczas przenoszenia ciała do kalorymetru czy ciepło wyprowadzane przez mieszadełko. Niedokładne mieszanie może mieć również spory wpływ na otrzymane wyniki. Z rachunku błędów wynika, że największą niedokładność wprowadza błąd ciepła właściwego wody, błąd pomiaru jej temperatury, oraz błąd pomiaru temperatury ciała. Źródłem nieznanego, z powodu strat powstałych w momencie przenoszenia ciała z ogrzewacza do naczynia kalorymetrycznego, na skutek parowania i konwekcji, błędu jest również to, że nie można dokładnie wyznaczyć temperatur początkowej T_P i końcowej T_K w procesie wymiany ciepła. Aby ten błąd zminimalizować wprowadza się graficzny sposób określenia T _P i T_K .

Porównując otrzymane wyniki z wartościami tablicowymi można przypuszczać,
iż badane ciała były wykonane z następujących materiałów:

1- mosiądz

2- miedź

3- aluminium

Zestawienie wyników:

c₁ = 433 ± 23 [J/kg °C]

c₂ = 807± 15 [J/kg °C]

c₃ = 926 ± 58 [J/kg °C]

---