11. Виртуальная лабораторная работа по физике «Определение удельной теплоемкости металлов» https://efizika.ru/html5/11/index.html.

Цель работы: определение теплоемкости образцов металлов калориметрическим методом с использованием электрического нагрева.

Приборы и принадлежности: электрокалориметр, термометр, образцы металлических тел, электронные весы, источник электрического тока, амперметр, вольтметр, блок управления.

11. Virtual laboratory assignments in physics  «Determination of the specific heat capacity of metals» https://efizika.ru/html5/11/index.html.

The purpose of the work is to determine the heat capacity of metal samples by the calorimetric method using electric heating.

Instruments and accessories: electric calorimeter, thermometer, samples of metal bodies, electronic scales, electric current source, ammeter, voltmeter, control unit.

Виртуальная лабораторная работа №11

Определение удельных теплоемкостей металлов

Цель работы: определение теплоемкости образцов металлов калориметрическим методом с использованием электрического нагрева.

Оборудование: Электрокалориметр, термометр, образцы металлических тел, электронные весы, источник электрического тока, амперметр, вольтметр, блок управления.

Виртуальная лаборатория: https://efizika.ru/html5/11/index.html

Краткая теория

Для экспериментального определения теплоемкости исследуемое тело помещается в калориметр, который нагревается электрическим током. Если температуру калориметра с исследуемым образцом очень медленно увеличивать от начальной t₀ на Dt, то энергия электрического тока пойдет на нагревание образца и калориметра:

где I и U − ток и напряжение нагревателя, t − время нагревания, m₀ и m − массы калориметра и исследуемого образца, с₀ и с − удельные теплоемкости калориметра и исследуемого образца, DQ − потери тепла в теплоизоляцию калориметра и в окружающее пространство.

Для исключения из уравнения теплового баланса количества теплоты, израсходованной на нагрев калориметра, и потери теплоты в окружающее пространство, необходимо при той же мощности нагревателя нагреть пустой калориметр (без образца) от начальной температуры t₀ на ту же разность температур Dt. Потери тепла в обоих случаях будут практически одинаковыми и очень малыми, если температура защитного кожуха калориметра в обоих случаях постоянная и равна комнатной:

Из уравнений (3) и (4) вытекает

Откуда удельную теплоемкость исследуемого материала можно рассчитать по формуле:

Ход работы

1. Ознакомиться с экспериментальной установкой.
2. Установить параметры тока на участке электронагревателя электрической цепи U.
3. Установить объем жидкости в калориметре V.
4. Измерить термометром начальную температуру исследуемой жидкости t₀.
5. Выбрать материал цилиндра: алюминий, латунь, сталь, чугун. Взвесить массу цилиндра m, поместив его на электронные весы.
6. Цилиндр опустить в калориметр, включить источник электрического тока кнопкой «Пуск» и дождаться изменения температуры содержимого калориметра Dt на не менее чем 30-40 ºС.
7. Нажав кнопку «Пауза» записать установившуюся температуру, определить изменение температуры Dtи времяt, потраченное на нагрев.
8. Нажать кнопку «Сброс».
9. Установить те же параметры сети и калориметра.

10. Нажать кнопку «Пуск» и нагреть калориметр только с водой на ту же разность температур Dt, после этого нажать кнопку «Пауза»

11. Записать время нагревания t₀.

12. Рассчитать удельную теплоемкость металлического тела c.

13. Сравнить найденное значение удельной теплоемкости с табличным значением с_т  для данного металла.

14. Определить основные источники погрешности данного метода измерения.

15. Все данные измерений и вычислений занести в таблицу.

16. Сформулировать выводы.

Контрольные вопросы

1. Какая физическая величина называется теплоемкостью?
2. Какая физическая величина называется удельной теплоемкостью?
3. Какова связь между молярной и удельной теплоемкостями вещества?
4. Каков порядок выполнения работы?
5. Каковы погрешности измерения при определении теплоемкости методом охлаждения?
6. Какие закономерности были установлены при экспериментальных исследованиях теплоемкости твердых тел?

Виртуальная лабораторная работа по физике: «Определение удельной теплоемкости металлов»

Цель работы

Определить удельную теплоемкость различных металлов с помощью методов калориметрии.

Оборудование

1. Калориметр (например, простой калориметр из изоляционного материала).

2. Нагревательный элемент (например, электрическая спираль или плитка).

3. Термометр.

4. Измерительные стаканы.

5. Металлические образцы (например, алюминий, медь, железо).

6. Вода (известная масса и начальная температура).

7. Весы для измерения массы образцов.

8. Таймер.

Теоретическая часть

Удельная теплоемкость (c) – это количество теплоты, необходимое для повышения температуры единицы массы вещества на один градус Цельсия. Формула для расчета удельной теплоемкости:

Q = mcΔ T

где:

• Q – количество теплоты, переданное телу (Дж),

• m – масса тела (кг),

• c – удельная теплоемкость (Дж/(кг·°C)),

• Δ T – изменение температуры (°C).

Процедура

1. Подготовка:

   • Измерьте массу металлического образца и запишите её.

   • Измерьте массу воды в калориметре и запишите её.

   • Измерьте начальную температуру воды.

2. Нагревание:

   • Нагрейте металлический образец до определенной температуры (например, до 100°C).

   • Убедитесь, что температура равномерно распределена по всему образцу.

3. Смешивание:

   • Быстро поместите нагретый металлический образец в калориметр с водой.

   • Закройте калориметр, чтобы минимизировать потери тепла.

4. Измерение:

   • Измерьте конечную температуру системы (металл + вода) после достижения термодинамического равновесия.

5. Расчеты:

   • Используя формулу для количества теплоты, составьте уравнение для системы:

mcₘ(Tₘ - T_f) = mc_w(T_f - T_w)

где:

   • mₘ – масса металла,

   • cₘ – удельная теплоемкость металла,

   • Tₘ – начальная температура металла,

   • T_f – конечная температура,

   • m_w – масса воды,

   • c_w – удельная теплоемкость воды (обычно 4186 Дж/(кг·°C)),

   • T_w – начальная температура воды.

6. Решение уравнения:

   • Перепишите уравнение и решите его для удельной теплоемкости металла cₘ.

Заключение

После выполнения всех шагов вы получите значение удельной теплоемкости для каждого из использованных металлов. Сравните полученные результаты с табличными значениями и проанализируйте возможные источники ошибок.

Вопросы для самоконтроля

1. Как можно уменьшить потери тепла в процессе эксперимента?

2. Почему важно быстро помещать металлический образец в воду?

3. Каковы возможные источники ошибок в измерениях?

Эта работа позволит вам получить практические навыки в проведении теплотехнических экспериментов и углубить понимание термодинамических процессов.