Методичка: Лабораторный практикум по молекулярной физике

.        Ставят колбу с водой, соединенную с исследуемой трубкой, на электрическую плитку, и включают ее в сеть.

.        Нагревают воду в колбе до кипения, пропуская через трубку пары кипящей воды 10-20 минут.

6.      По лабораторному барометру определяется атмосферное давление Н0 и по таблице зависимости температуры кипения воды от давления находят температуру кипения воды t1 при Н0 (Эту температуру можно найти и по формуле ).

.        При пропускании пара через трубку, трубка принимает температуру пара, а увеличение ее длины Δl при этом определяется по отклонению стрелки индикатора от первоначального положения. Отсчет ведется с точностью до половины деления шкалы индикатора, учитывая, что индикатор имеет цену деления 0,01 мм.

.        По формуле  определяется коэффициент линейного расширения.

.        Опыт повторяют не менее трех раз. Определяют среднее значение α, абсолютные и относительные погрешности опытов. Окончательный результат написать в виде α= αср± Δαср.

Описание механического дилатометра Б. Прибор Б (рис.4) состоит из корпуса 1, к которому крепится защитный кожух 2. Внутри кожуха установлен электрический нагреватель.

При проведении опытов в нагреватель (через отверстие в крышке нагревателя) устанавливается стеклянная пробирка 3, наполненной водой на половину объема. В пробирку 3 помещается испытываемый стержень 4. На корпусе прибора установлена стойка 5 с кронштейном 6 для крепления индикатора малых перемещений 7. Кронштейн 6 может поворачиваться вокруг оси стойки на 900. На панели корпуса расположена индикаторная лампа 8 и кнопочный выключатель 9, а на задней стенке - винт заземления. Штепсельная вилка 10 служит для включения прибора в электрическую цепь напряжением 220 В.

Порядок выполнения работы

1.      Определить начальную (комнатную) температуру t0 в 0С.

2.      Измерить начальную длину l0 стержня линейкой в миллиметрах.

3.      Пробирку наполнить на 1/2 объема водой комнатной температуры, ввести ее в нагреватель через отверстие в крышке и опустить в пробирку испытуемый стержень сферическим концом вниз.

.        Оттянуть шток индикатора вверх, установить индикатор над пробиркой и опустить шток индикатора в углубление на торце стержня. Кронштейн закрепить винтом.

.        Заметить положение стрелки на шкале индикатора (стрелку лучше установить на нулевую отметку).

6.      Проверить заземление. Штепсельную вилку прибора вставить в электрическую розетку и включить питание прибора кнопочным включателем. При этом должна загореться индикаторная лампа.

7.      Испытуемый образец твердого тела нагревается в кипящей воде, находящейся в пробирке, и он принимает температуру кипения воды.

8.      По лабораторному барометру определяется атмосферное давление Н0 и по таблице зависимости температуры кипения воды от давления находят температуру кипения воды t1 при Н0 (Эту температуру можно найти и по формуле ).

.        Увеличение длины Δl образца определяется по отклонению стрелки индикатора от первоначального положения. Отсчет ведется с точностью до половины деления шкалы индикатора, учитывая, что индикатор имеет цену деления 0,01 мм.

.        По формуле  определяется коэффициент линейного расширения.

.        Опыт повторяют не менее трех раз. Определяют среднее значение α, абсолютные и относительные погрешности опытов. Окончательный результат написать в виде α= αср± Δαср.

Контрольные вопросы

1.      Порядок выполнения работы.

2.      Почему твердые тела при нагревании расширяются?

.        Коэффициенты линейного и объемного расширения. Их физический смысл и единицы измерения. Связь между ними.

.        Как можно объяснить, что коэффициенты теплового расширения различных тел различны?

.        Какое практическое значение имеет изучение теплового расширения тел?

Литература

1.       Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. М.: Наука, 1976. 480 с.

2.      Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.II. Термодинамика и молекулярная физика. М.: Наука, 1990. 592 с.

Лабораторная работа № 15

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Принадлежности: специальная установка для нагревания водяным паром исследуемого тела, калориметр, термометр, технические весы c разновесами, барометр, сосуд с водой, электроплитка, исследуемые твердые тела.

Цель работы: ознакомление с процессами теплообмена, составлением уравнения теплового баланса, законом Дюлонга и Пти, теориями Эйнштейна и Дебая, определение удельной теплоемкости твердых тел калориметром.

Введение. Важное практическое значение для характеристики тепловых свойств веществ, конструирования отопительных и охладительных систем, изучения процессов теплопроводности в технических и природных масштабах, при подборе материалов для тепловых машин, строительных материалов, для теоретического и практического изучения акустических параметров веществ имеет определение удельной теплоемкости твердых, жидких и газообразных тел.

Теория. Внутренняя энергия вещества - это полная энергия частиц, составляющих данное вещество. Она слагается из кинетической и потенциальной энергий. Кинетическая энергия - это энергия поступательного, колебательного и вращательного движения частиц; потенциальная энергия обусловлена силами притяжения и отталкивания, действующими между частицами. Величина внутренней энергии меняется при теплообмене. Теплообменом называется переход внутренней энергии от одного тела к другому вследствие неодинаковости температур этих тел. При соприкосновении двух тел с различной температурой, молекулы более нагретого тела, сталкиваясь с молекулами менее нагретого тела, передают им часть своей кинетической энергии. Такой процесс продолжается до тех пор, пока температура не станет одинаковой.

Для нагревания различных веществ одинаковой массы потребляется различное количество теплоты. Например, железный цилиндр нагревается быстрее, чем такая масса воды. Причина в том, что разные тела имеют разную теплоемкость.

Количество теплоты, необходимое для нагревания вещества на 1 градус (10С или 1К), называют теплоемкостью. Теплоемкость единицы массы вещества называют удельной теплоемкостью, 1 моля вещества - молярной теплоемкостью. Если обозначить удельную теплоемкость через с, массу через m, начальную и конечную температуру тела соответственно через t1 и t2, количество теплоты, необходимое для нагревания тела массой m от t1 до t2 градусов, через Q, то

.                                           (1)

Твердое тело представляет собой совокупность колеблющихся частиц, осцилляторов. При подводе тепла к телу оно расходуется на увеличение энергии колебаний осцилляторов, которая складывается из кинетической и потенциальной энергий. Полная энергия одного атома твердого тела равна 3kТ. Если тело содержит N атомов, то внутренняя энергия тела равна 3NkТ. Внутренняя энергия одного моля равна 3RT.

При подводе тепла в условиях постоянного объема все тепло уходит на увеличение внутренней энергии. Поэтому атомная теплоемкость при постоянном объеме определяется равенством

.                             (2)

Из формулы (2) следует, что атомная теплоемкость (т.е. теплоемкость грамм-атома) твердых тел есть величина постоянная, одинаковая для всех веществ и не зависящая от температуры. Это утверждение называется законом Дюлонга и Пти. Однако опыты показывают, что в действительности эта величина с понижением температуры уменьшается пропорционально кубу температуры и стремится к нулю при абсолютном нуле. Наблюдаемая на опыте зависимость теплоемкости от температуры объясняется теориями Эйнштейна и Дебая.

Описание прибора и теория метода. Схема прибора для определения удельной теплоемкости твердых тел калориметром приведена на рис. 1. Сосуд 2 с водой установлен на электроплитке 1 и при помощи резинового шланга соединен с сосудом 3, в котором находится исследуемое тело 4. При нагревании воды в сосуде 2 до кипения, образовавшиеся пары через резиновый шланг идут в сосуд 3 и выходя из него конденсируются в сосуде с водой 6. При прохождении пара через сосуд 3 исследуемое тело 4 нагревается. Опуская его в воду калориметра 7 и определяя максимальное отклонение температуры воды при помощи термометра 8, можно определить удельную теплоемкость исследуемого тела. (Калориметр (от лат. calor - тепло и греч. metreo - измеряю) в настоящей работе, это - металлический стакан, снабженный термометром и мешалкой, с внешним пластмассовым кожухом; для уменьшения потерь за счет теплопроводности между стаканом и внешним кожухом оставлен воздушный промежуток.)

Если исследуемое тело, находящееся в парах кипящей воды температурой t2, опустить в воду калориметра с начальной температурой t1, то через некоторое время в нем установится общая температура тел t3.

1.      Количество теплоты, отданное исследуемым телом при остывании от t2 до t3:

,                                              (3)

где сТ - удельная теплоемкость тела, mT - масса тела.

2.      Количество теплоты, получаемое водой при нагревании от t1 до t3:

,                                              (4)

где сВ - удельная теплоемкость воды, mВ - масса воды в калориметре.

3.      Количество теплоты, получаемое калориметром при нагревании от t1 до t3:

,                                             (5)

где сК - удельная теплоемкость калориметра, mК - масса калориметра.

Можно предположить, что вода калориметра, сам калориметр и тело, теплоемкость которого измеряется, за время опыта не успевают отдать заметное количество теплоты окружающим телам. Тогда на основании закона сохранения энергии можно составить уравнение теплового баланса:

                                             (6)

или

.         (7)

Откуда

.                      (8)

По формуле (9) можно определить удельную теплоемкость твердого тела.

Порядок выполнения работы

1.      Определяется масса калориметра mK путем взвешивания в весах.

2.      Наливается вода в калориметр и определяется ее масса mВ (из разности масс

калориметра с водой и без воды).

.        Определяется масса mT исследуемого тела.

4.      Измеряется начальная температура t1 калориметра с водой.

.        Устанавливается исследуемое тело в сосуд 3.

.        Включается электроплитка 1 и нагревается вода в сосуде 2 до кипения.

7.      Определяется температура кипения воды t2 по формуле , где Н - атмосферное давление во время опыта; значение Н берется из лабораторного барометра (Эту температуру можно определить и по таблице зависимости температуры кипения воды от давления).

.        Спустя 15-20 минут после кипения воды при помощи ручки 5 снимается нагретое до температуры кипения воды t2 исследуемое тело 4 из сосуда 3 и быстро опускается в воду калориметра 7. Определяется максимальная температура t3 воды (общая температура воды, калориметра и тела).

.        Из справочных таблиц находятся удельные теплоемкости материала калориметра сК и воды сВ.

.        По формуле (8) определяется удельная теплоемкость тела сТ.

.        Опыт повторяется не менее трех раз, и определяются среднее значение сТ, абсолютные и относительные погрешности измерений. Окончательный результат написать в виде сТ=сТср±ΔсТср.

№              mK, кг   mВ, кг   mT, кг    t1, 0С     t2, 0С     t, 0С       сК, сВ,

сТ,

ΔсТ,