Сравнение количеств теплоты при теплообмене

Цель этой работы: с помощью экспериментальной установки проверить выполнение закона сохранения и превращения энергии в тепловых процессах.

Для выполнения этой работы мы будем использовать оборудование из комплекта № 7 в составе: измерительный цилиндр (мензурка), термометр и калориметр. На столе у проверяющих дополнительно вы найдёте: чайник с термостатом и графин с водой комнатной температуры.

Прежде чем приступить к работе давайте с вами вспомним, изменить состояние термодинамической системы можно двумя способами.  Один из них характеризуется передачей энергии в процессе механического взаимодействия тел. Такую форму передачи энергии в термодинамике называют работой.

А второй способ передачи энергии осуществляется при непосредственном обмене энергией между хаотически движущимися частицами взаимодействующих тел. Давайте вспомним, что скалярная физическая величина, равная изменению внутренней энергии тела в процессе теплопередачи без совершения механической работы, называется количеством теплоты.

Количество теплоты, полученное телом при его нагревании (или отданное им при охлаждении) зависит от трёх факторов: рода вещества, из которого изготовлено тело, массы тела и разности температур тела в конечном и начальном состояниях.

Следует помнить, что формула справедлива только в том случае, если процесс теплопередачи не сопровождается изменением агрегатного состояния вещества.

Также нам необходимо вспомнить, что при теплообмене двух или нескольких тел абсолютное значение количества теплоты, которое отдало более нагретое тело, равно количеству теплоты, которое было получено более холодным телом:

Записанное равенство справедливо при отсутствии потерь теплоты и называется уравнением теплового баланса, которое, по сути, и выражает закон сохранения и превращения энергии в тепловых явлениях. Справедливость этого закона мы с вами сегодня и проверим.

Итак, для начала нарисуем рисунок нашей экспериментальной установки (если этого будет требовать условие). Для начала мы нарисуем стакан с водой — наш калориметр. Внутрь калориметра вставим термометр, на котором укажем начальную температуру воды. Рядом нарисуем ещё один калориметр с бо́льшим количеством воды и термометром. На термометре укажем конечную температуру.

Далее нам с вами необходимо записать формулы, которыми будем пользоваться при выполнении работы.

Во-первых, мы с вами запишем формулы для определения количества теплоты, которое получает холодная вода и отдаёт горячая:

В записанных формулах:

m_х — это масса холодной воды;

t₁ — начальная температура холодной воды;

m_г — масса горячей воды;

t₂ — её температура;

t — конечная температура воды;

с — это удельная теплоёмкость воды (табличная величина):

Так же мы с вами должны записать формулу, по которой можно определить массу воды, зная её плотность (это табличное значение) и объём:

Ну, и как было указано ранее, в процессе теплообмена абсолютные значения количества теплоты, полученное холодной водой и количества теплоты, которое отдала горячая вода, должна быть равны:

Результаты прямых измерений мы с вами, для удобства, будем заносить в таблицу: объём холодной и горячей воды начальная температура холодной и горячей воды, установившаяся температура воды и количество теплоты, полученное холодной водой и отданное горячей.

Теперь приступим непосредственно к работе. Итак, для начала налейте из графина в калориметр 100 мл воды комнатной температуры (помогаем себе мензуркой). Измерьте и запишите в таблицу объём и температуру этой воды.

Подойдите с калориметром к столу экспертов и наберите в него 100 мл горячей воды (её температура должна быть известна). Запишите в таблицу температуру горячей воды и её объём:

На рабочем месте опустите в калориметр термометр и, перемешивая воду, наблюдайте за понижением её температуры. Когда температура воды в калориметре перестанет падать, запишите в таблицу значение окончательно установившейся температуры.

Прямые измерения мы с вами завершили. Теперь определим величины Q₁ и Q₂, для чего в расчётные формулы подставляем значения всех найденных нами величин:

Не пугайтесь, если значения Q₁ и Q₂ у вас будут отличаться на несколько сот джоулей. Это всегда можно объяснить неизбежными потерями тепла, идущими на нагревание окружающего воздуха и стенок калориметра. Только это вы должны будете обязательно отметить в выводе.

А мы в своём выводе напишем: сравнивая количества теплоты при теплообмене между холодной и горячей водой мы убедились в справедливости закона сохранения и превращения энергии в тепловых явлениях.