wiczenie 12 „BILANS CIEPLNY”
Temat: Wymiana ciepa i równowaga cieplna.
Cel: Wyznaczenie ciepa waciwego metalu.
Przyrzdy: Kalorymetr, termometry, waga laboratoryjna, ogrzewacz elektryczny, kolba kulista, lejek.
Literatura: R. Resnick, D. Halliday, FIZYKA, t. 1., § 22-2
D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, PODSTAWY FIZYKI, t. 2., § 19.6, 19.7
I. Metoda pomiaru
W trakcie wymiany ciepa z otoczeniem ciao moe zmienia temperatur od pocztkowej tp do
kocowej tk. Niech m oznacza mas ciaa. Jeeli rónica temperatur |tk - tp| nie przekracza kilkudziesiciu stopni Celsjusza, to wymienione ciepo mona wyrazi wzorem:
Q = m·c·(tk - tp) (*)
Wielko c jest staym wspóczynnikiem. Nosi on nazw ciepa waciwego materiau danego ciaa. Podany wzór mona napisa w postaci 
. Wynika std, ciepo waciwe materiau jest liczbowo równe ciepu, pobranemu przez jednostkow mas tego materiau, przy ogrzewaniu tej masy
o jednostk temperatury. Ze wzoru (*) wynika konwencja znaków dla wymiany ciepa:
ciepo pobierane ! wzrost temperatury ! tk > tp ! tk " tp > 0 czyli Q > 0
ciepo oddawane ! spadek temperatury ! tk < tp ! tk " tp < 0 czyli Q < 0
Gdy wymiana ciepa zachodzi w ukadzie n cia, izolowanym cieplnie od otoczenia, to w kocowym stanie równowagi termodynamicznej wszystkie ciaa ukadu maj t sam temperatur tk. Poniewa ukad jest izolowany cieplnie, wic z I zasady termodynamiki wynika, e cakowite ciepo, wymieniane przez skadniki ukadu przy jego dochodzeniu do stanu równowagi termodynamicznej równe jest zero:
Q1 + Q2 + ... + Qn = 0
Równanie to nosi nazw bilansu cieplnego. Oznaczamy masy skadników ukadu przez m1, m2, ..., mn, ich ciepa waciwe przez c1, c2, ..., cn oraz ich temperatury pocztkowe przez t1, t2, ..., tn. Zakadamy, e nie zachodz zmiany stanu skupienia cia. Równanie bilansu cieplnego ma w tym przypadku posta:
m1·c1·(tk - t1) + m2·c2·(tk - t2) + ... + mn·cn·(tk - tn) = 0
Ciepo waciwe nieznanego materiau mona wyznaczy z równania bilansu cieplnego, analizujc wymian ciepa tego materiau z ciaami o znanych parametrach c, m i tp, jeeli znana jest masa tego materiau, jego temperatura pocztkowa oraz kocowa temperatura ukadu tk. Stosunkowo nietrudno wyznacza si ciepo waciwe metalu przy pomocy kalorymetru, wykonanego ze znanego metalu, oraz wody. Poniewa metale maj z reguy mae ciepa waciwe a woda due, zatem celowe jest uycie wzgldnie duej masy badanego metalu w postaci cinków oraz maej masy wody, tak, aby tylko zala metalowe cinki. Powysze uwagi s suszne take w przypadku badania innych cia staych o gstoci wikszej ni woda, jeeli w trakcie wymiany ciepa nie zmieniaj stanu skupienia. Schemat ukadu do pomiaru ciepa waciwego przedstawia rysunek.
termometr
kolba
kulista
z wod uszczelka
ogrzewacz naczynie wewntrzne
z pokrywk
naczynie zewntrzne woda ze cinkami
badanego metalu
izolacja termiczna kalorymetr
II. Wykonanie i opracowanie wiczenia
UWAGA! Przebieg wykonania wiczenia okrela osoba prowadzca. Nie wolno wcza adnej
aparatury elektrycznej bez zgody osoby prowadzcej!
1. Wyznaczy mas m1 wewntrznego naczynia kalorymetru wraz z pokrywk.
2. Wsypa do wewntrznego zbiornika cinki badanego metalu do ok. poowy wysokoci naczynia.
3. Wyznaczy mas mx cinków metalu.
4. Wewntrzne naczynie kalorymetru przykry pokrywk i umieci w naczyniu zewntrznym.
5. Przez otwór w pokrywce wsun termometr i zmierzy temperatur pocztkow t1 kalorymetru
ze cinkami metalu.
6. W otworze pokrywki umieci gumow uszczelk i wsun koniec lejka. Termometr umocowa
tak, aby baka z rtci znalaza si w lejku w strumieniu wody wlewanej do kalorymetru.
7. Wla do kolby kulistej ok. 100 ml wody.
8. Szyjk kolby ostronie zacisn w chwytaku laboratoryjnym. Kolb umieci w ogrzewaczu.
9. Wczy ogrzewacz i doprowadzi wod w kolbie do wrzenia.
UWAGA! Nastpne czynnoci naley wykonywa ze szczególn ostronoci. Ze wzgldu
na wysok temperatur naley stosowa ochronne rkawice, a kolb z gorc
wod wolno przenosi tylko przy pomocy chwytaka laboratoryjnego.
10. Ostronie wla wod przez lejek do wewntrznego naczynia kalorymetru. Odczyta pocztkow
temperatur wlewanej wody t2 termometrem umieszczonym uprzednio w lejku.
11. Po wlaniu wody szybko usun lejek a w otworze pokrywki umieci drugi termometr.
Kalorymetr przykry tekstolitowymi pópokrywami.
12. Odczytywa co pó minuty temperatur w kalorymetrze. Jako temperatur kocow tk naley
przyj najwiksza odczytan warto.
13. Zway wewntrzne naczynie kalorymetru, wypenione cinkami nieznanego metalu i wod wraz
z pokrywk. Wyj uprzednio termometr z uszczelk. Wyznaczy mas wody m2.
14. Obliczy nieznane ciepo waciwe z równania bilansu cieplnego, które ma posta:
m1·c1·(tk - t1) + m2·c2·(tk - t2) + mx·cx·(tk - t1) = 0
gdzie cx - nieznane ciepo waciwe, ciepo waciwe glinu c1 = 0,896kJ/kg·K, ciepo waciwe
wody c2 = 4,186kJ/kg·K
15. Obliczy niepewno u(cx):
Dla uproszczenia rachunków uwzgldniono tylko niepewno wyznaczenia masy wody, któr mona
przyj Dm = 1g oraz niepewno wyznaczenia temperatury kocowej, któr przyjmujemy Dt = 1oC.
III. Wnioski
1. Przedstawi w poprawnej formie wynik pomiaru ciepa waciwego.
2. Porówna warto cx z wartociami w tablicach. Okreli na tej podstawie badany metal.
3. Wymieni przyczyny najwikszych niepewnoci pomiarowych. Jakich niedokadnoci nie
uwzgldnia wzór na u(cx)?
IV. Pytania kontrolne
1. Od czego zaley ciepo wymieniane przez ciao z otoczeniem przy zmianie temperatury ciaa?
2. Poda interpretacj ciepa waciwego.
3. Czym róni si ciaa o maym cieple waciwym od cia o duym cieple waciwym?
4. Dlaczego woda nagrzewa si szybciej ni np. piasek?
5. Na czym polega równowaga termodynamiczna ukadu?
6. O czym mówi I zasada termodynamiki?
7. Co to jest równanie bilansu cieplnego?
8. Jaki wpyw na wynik pomiaru ma niedoskonaa izolacja termiczna kalorymetru?
Wyszukiwarka