Ćwiczenie nr 18
Temat: Pomiar ciepła właściwego cieczy o stałym ciśnieniu metodą elektryczną.
I. PODSTAWY TEORETYCZNE
Definicja ciepła właściwego w danej temperaturze T pod stałym ciśnieniem:
Liczbowo C oznacza ilość ciepła potrzebnego do ogrzania 1 g danego ciała o 1 K. Mierzy się ją w kaloriach na 1g i na 1 K lub w Joulach na kg i na K.
Przyrost ciepła jest inaczej mówiąc przyrostem energii wewnętrznej U ciała wyrażonej wzorem:
Gdzie wskaźnik n przy Ek i Ep oznacza sumowanie rozciągnięte na n cząsteczkach ciała.
Między przyrostem ciepła ciała, a przyrostem energii wewnętrznej ciała zachodzi związek równoważności:
Przyrost ciepła Q dostarczonego zależy (przy zmianach temperatury) od:
a)masy ciała m
b)przyrostu temperatury
c)rodzaju ciała
Znajduje to wyraz we wzorze kalorymetrycznym :
gdzie
c oznacza średnie ciepło właściwe ciała.
Z tego wzoru wyznaczamy wzór na c:
Pojemność cieplną danego ciała lub inaczej , jego równoważnikiem wodnym W nazywamy ilość ciepła potrzebną do ogrzania całej masy o 1 K. Wyraża się to wzorem:
II. OPIS PRZEPROWADZONEGO DOŚWIADCZENIA
Pomiary ilości ciepła przeprowadzamy w odpowiednio skonstruowanych naczyniach kalorymetrycznych, które zmniejszają do minimum straty ciepła, związane z ucieczką na zewnątrz lub z wnikaniem do wewnątrz. Do naszego doświadczenia użyliśmy kalorymetru wodnego. Składa się on z dwu cylindrycznych naczyń metalowych umieszczonych jedno wewnątrz drugiego. Naczynie wewnętrzne spoczywające na korkach lub innych izolatorach termicznych, ze względu na swe dobre przewodnictwo cieplne - metal - bierze udział w wymianie cieplnej w całej swej masie. Naczynie zewnętrzne o ściankach wypolerowanych zabezpiecza od strat na promieniowanie. W górnej pokrywce, stanowiącej uzupełnienie osłony termicznej, znajdują się otwory na wprowadzenie do wnętrz termometru T i grzałki oporowej.
III. SCHEMAT UKŁADU POMIAROWEGO
IV. WYPROWADZENIE WZORU ROBOCZEGO
Wzór na ciepło Joule'a Q1 wydzielone podczas przepływu prądu ma postać:
Wzór na ciepło wydzielone podczas doświadczenia przez kalorymetr (straty spowodowane np. promieniowaniem itp.) ma postać:
Gdy odejmiemy starty ciepła spowodowane budową kalorymetru (rodzaj materiału, struktura itp.) od ciepła wydzielonego przez spiralę grzejną otrzymamy wzór na ciepło właściwe:
gdzie :
mk - masa pustego i czystego kalorymetru
mc+k - masa kalorymetru z daną cieczą
T1-T2 - różnica temperatur
V. OBLICZENIA I SZACOWANIE NIEPEWNOŚCI
Dla uproszczenia przyjmujemy:
wówczas:
Masa wewnętrznego kalorymetru
Natężenie prądu płynącego przez grzałkę
Napięcie na grzałce
Ciepło właściwe kalorymetru
a) POMIAR nr 1
Masa kalorymetru wypełnionego badaną cieczą
Temperatura początkowa
Temperatura końcowa (po podgrzaniu)
Czas ogrzewania
Przyrost temperatury
Masa cieczy
b) POMIAR nr 2
Masa kalorymetru wypełnionego badaną cieczą
Temperatura początkowa
Temperatura końcowa (po podgrzaniu)
Czas ogrzewania
Przyrost temperatury
Masa cieczy
c) POMIAR nr 3
Masa kalorymetru wypełnionego badaną cieczą
Temperatura początkowa
Temperatura końcowa (po podgrzaniu)
Czas ogrzewania
Przyrost temperatury
Masa cieczy
VI. UWAGI I WNIOSKI
W danym doświadczeniu występują błędy pomiaru, przypadkowe (spowodowane niedokładnością urządzeń pomiarowych) oraz błędy systematyczne. Błąd systematyczny w tym doświadczeniu wynika ze strat cieplnych kalorymetru. Starty te zawsze występują mimo nawet najdokładniejszego przygotowania urządzenia. Ponadto występuje też błąd w wyniku odczytania temperatur.
Po każdym pomiarze po odłączeniu zasilania od układu zaobserwowaliśmy skok temperatury o ok. 0,5 stopnia Celsjusza.
Przyczyną dużej różnicy pomiędzy pomiarami, może być niedokładne zmierzenie wagi kalorymetru napełnionego cieczą przed każdym pomiarem.