skanuj0060

118

stępnie ich „wolne końce” umieścimy w otoczeniach, których temperatury są różne, to w tak wykonanym obwodzie pojawi się siła elektromotoryczna. Innymi słowy, na obydwu końcach przewodu powstanie różnica potencjałów, która będzie tym większa, im większa będzie różnica temperatur tych końców. Oczywiście przykładów różnych zachowań materii pod wpływem temperatury jest bardzo wiele. Dwa spośród wyżej przedstawionych nie zostały wybrane przypadkowo. Mianowicie, pomiar temperatury jakiego będziemy dokonywali w tym ćwiczeniu, będzie się odbywał z użyciem dwóch różnych termometrów. Jednym z nich będzie dobrze znany termometr rtęciowy, drugim termometr elektroniczny wykorzystujący właśnie efekt termoogniwa. Podane przykłady wskazują, że można zbudować wiele różnych termometrów (tj. wykorzystujących różne efekty fizyczne). Bez względu jednak na to, którego z nich używamy, ich wzajemne wskazania muszą się ze sobą pokrywać. Innymi słowy, dowolnie wykonana skala danego przyrządu mierzącego temperaturę musi się pokrywać ze skalą zdefiniowaną jednoznacznie, a więc taką skalą, która nie odnosi się do innego urządzenia pomiarowego lecz określonego zjawiska fizycznego. Przykładem takich zjawisk jest np. zamarzanie lub wrzenie wody, czy też zjawisko polegające na współistnieniu trzech faz: wody, pary wodnej i lodu równocześnie (tzw. punkt potrójny w ody). Zjawiska te zachodzą jedynie dla pewnych dobrze ustalonych parametrów termodynamicznych jak: ciśnienie, objętość, i co z naszego punktu widzenia najistotniejsze - temperatury. Powszechnie używaną skalą temperatury jest tzw. skala Celsjusza oparta właśnie na zjawisku zamarzania i wrzenia wody. Z kolei punkt potrójny wody posłużył dd wyznaczenia tzw. skali Kehina, najczęściej stosowanej w nauce. Więcej sżczegółów na ten temat można znaleźć w literaturze, której spis zamieszczony jest na końcu. Reasumując, termometr to odpowiednio wyskalo-wany przyrząd jawnie reagujący na zmianę temperatury, a odczyt jego wskazania utożsamiamy ze znajomością temperatury jako takiej.

l. 2. Ciepło i ciepło właściwe

Przejdźmy teraz do drugiego z kluczowych pojęć jakim jest ciepło. Ciepło jest formą energii związanej z temperaturą. Celem omawianego ćwiczenia jest

m. in. wyrobienie sobie intuicji, co znaczy tu słowo „związanej”. Nawiązując do naszych odczuć dotykowych zastanówmy się, co z fizycznego punktu widzenia oznacza stwierdzenie że coś jest „ciepłe” lub „zimne”. Przede wszystkim, należy zdać sobie sprawę z tego, że odczuwanie przez nas wrażeń zawsze jest związane z określoną formą przekazywania energii. Tak jest i w omawia-

(1)

119

ręki jakiś przedmiot, o którym mówimy, że jest zimny znaczy to, że przedmiot ten pobiera energię cieplną z naszej ręki sam stając się przez to „cieplejszy”. Podobnie, gdy o przedmiocie mówimy że jest ciepły lub gorący, oznacza to, że tym razem przedmiot jest źródłem energii cieplnej odbieranej przez naszą rękę. Jeżeli zatem dla przykładu podgrzewamy (tzn. zwiększamy jego temperaturę) kawałek metalu oznacza to, że dostarczymy mu energii cieplnej. Z fizycznego punktu widzenia na pewno interesujący jest związek pomiędzy zmianą temperatury ciała a energią cieplną, którą to ciało wymieniło z otoczeniem. Ponadto oczekujemy, że w zależności od rodzaju badanych ciał przyrost ich energii cieplnych może być różny, pomimo że wszystkie zostały podgrzane (lub oziębione) w identycznym przedziale temperatury, np. o jeden stopień Celsjusza. Szukany związek wyraża się następującym równaniem:

AE = c-m-At gdzie: Ais jest przyrostem energii cieplnej danego ciała, m jest jego masą,

At = ti~t\ jest różnicą temperatur ciała po podgrzaniu (t₂) i przed podgrzaniem (ti), oraz c jest współczynnikiem proporcjonalności, czyli tzw. ciepłem właściwym. Jak zatem łatwo zauważyć, ciepło właściwe jest jedyną wielkością występującą w równaniu (1), która zależy wyłącznie od rodzaju badanego ciała. Wyznaczenie ciepła właściwego c dla kilku różnych substancji jest właśnie przedmiotem tego ćwiczenia.

2. Metoda pomiaru

Zgodnie z równaniem (1), aby wyznaczyć ciepło właściwe badanej substancji, poza pomiarami mającymi na celu ustalenie jej masy m oraz odpowiedniej zmiany temperatury At, musimy umieć wyznaczyć wymianę energii AE towarzyszącą badanemu procesowi. W tym celu posłużymy się tzw. pomiarami kalorymetrycznymi, a więc pomiarami dokonanymi z użyciem kaloiymetru, którego opis przedstawiony jest poniżej.

Kalorymetr (rys. 1) składa się z dwóch naczyń aluminiowych, większego i mniejszego. Na dnie naczynia większego (1), zwanego płaszczem kaloiymetru, spoczywa pierścień dystansowy (2), na którym ustawione jest naczynie mniejsze (3) czyli właściwy kalorymetr. Kalorymetr ma aluminiową pokrywę. Na środku tej pokrywy jest wytłoczona szyjka (4), w otworze której osadzamy termometr (5) za pomocą korka. Przez drugi mniejszy otwór w pokrywie jest przetknięty pręt mieszadła (6), z izolatorem cieplnym (7). Płaszcz kalorymetru