Загальна інформація
Застосування
Рис. 1: схема досліду
Теплоємність описує, скільки енергії має поглинути середовище або тіло, щоб його температура зросла на один градус Цельсія.
Теплоємність відіграє важливу роль при виборі будівельних матеріалів. Наприклад, алюміній часто застосовують у виготовленні вікон, бо порівняно із залізом алюміній має відносно вищу теплоємність і влітку нагрівається повільніше.
Інша інформація (1/2)
Попередні знання
Учні мають мати попередні знання про питому теплоємність твердих тіл.
Принцип
Теплову енергію можна накопичувати в різних тілах. При цьому кількість енергії залежить від матеріалу, з якого складається тіло, і визначається його питомою теплоємністю. Вода, наприклад, може накопичити значно більше енергії, ніж така сама маса твердого тіла. У цьому досліді визначають питомі теплоємності різних металів.
Інша інформація (2/2)
Навчальна мета
Завдання
Дослід має показати, що матеріали по-різному добре накопичують теплову енергію. Ця здатність залежить від сталої, характерної для матеріалу, яку називають питомою теплоємністю. Її можна визначити через поглинуту енергію , масу тіла і різницю температур тіла:
У цьому досліді учні мають виміряти й порівняти початкову температуру та температуру суміші води, щоб докладно зрозуміти питому теплоємність твердих тіл.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Теорія
Теплоємність описує, скільки енергії має поглинути середовище або тіло, щоб його температура зросла на один градус Цельсія.
Питома теплоємність твердих тіл залежить від матеріалу, з якого складається тіло. Її можна визначити через поглинуту енергію , масу тіла і різницю температур тіла:
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Магнітна демонстраційна дошка PHYWE зі штативом, демо з фізики | 02150-00 | 1 |
| 2 | Тримач пальника, магнітний | 02162-00 | 1 |
| 3 | Тримач для сітки, магнітний | 02163-00 | 1 |
| 4 | Дротяна сітка з керамікою, 160 x 160 мм | 33287-01 | 1 |
| 5 | Мензурка, низька, 400 мл | 46055-00 | 1 |
| 6 | Лабораторний стакан, боросилікатне скло, низька форма, 600 мл | 46056-00 | 1 |
| 7 | Мірний циліндр, 100 мл, прозорий, PP | 36629-01 | 1 |
| 8 | Піпетка, з гумовим ковпачком | 64701-00 | 1 |
| 9 | Металеві тіла, набір із 3 шт. | 04406-00 | 2 |
| 10 | Волосінь, d=0,7 мм, l=5 м | 02089-01 | 1 |
| 11 | Затискний тримач, d = 28..36 мм, магнітний | 02151-06 | 1 |
| 12 | Затискний тримач, d = 0..13 мм, на магнітному тримачі | 02151-07 | 1 |
| 13 | Опорна площадка, магнітна | 02155-00 | 1 |
| 14 | Бутановий пальник з картриджем, 220 г | 32180-00 | 1 |
| 15 | Кульки для кипіння, 200 г | 36937-20 | 1 |
| 16 | Занурювальний зонд, NiCr-Ni, нержавіюча сталь, -50...400°C | 13615-03 | 1 |
| 17 | Струбцина | 02014-01 | 2 |
| 18 | Демонстраційний універсальний вимірювальний прилад, ADM3 | 13840-00 | 1 |
Складання та виконання
Складання (1/3)
Рис. 2: Обладнання
1. З'єднай штекер датчика температури з ADM 3.
2. Закріпи датчик температури на магнітній дошці за допомогою магнітного тримача і ввімкни його вимикачем живлення.
3. Установи на нижньому краї магнітної дошки (якомога далі від датчика температури) тримач для пальника.
4. У разі використання бутанового пальника прикріпи тримач для сітки на позначці положення 240 і поклади зверху сітку.
Складання (2/3)
5. Постав мензурку на 600 мл на дротяну сітку.
6. Розмісти над нею ширший затискний тримач. Пізніше на нього підвішують металеві тіла (опис - у розділі «Виконання»).
7. Розмісти на магнітній дошці магнітну опорну площадку. Пізніше на ній розміщують калориметр. Як варіант, калориметр може стояти на столі, наприклад, якщо він завеликий для опорної площадки.
8. Закріпи над калориметром тонкий затискний тримач на магнітній дошці і просунь крізь нього датчик температури.
Рис. 3: Схема установки з мензуркою
Складання (2/3)
Складання (3/3)
Рис. 4: Схема установки з калориметром
Примітка
Калориметр є додатковим. Замість купленого калориметра його можна виготовити самому, зробивши для мензурки на 400 мл обгортку з пінопласту (як з боків, так і знизу). Насправді дослід можна виконати й просто з мензуркою. Проте в такому разі втрати тепла більші. Отже, результати мають більшу похибку.
Виконання (1/4)
1. Спершу визнач масу металевих тіл. Зважуй при цьому завжди два однакові металеві тіла одночасно (округлюючи до цілих).
2. Просунь крізь кожні два однакові металеві тіла відрізок волосіні завдовжки приблизно 40 см і зав'яжи її в петлю.
3. Тоді підвісь металеві тіла на затискний тримач так, щоб їх можна було знімати поодинці. Металеві тіла разом із затискним тримачем опускають так, щоб тіла висіли трохи менше ніж за 1 см над дном і по змозі не торкалися стінок (пор. рис. 3).
4. Наповни мензурку водою настільки, щоб металеві тіла були повністю вкриті (можна й трохи більше). Додатково поклади в мензурку кілька кульок для кипіння.
Рис. 5: Підвішування металевих тіл
Виконання (2/4)
5. Тепер запали пальник і встанови його в передбачений тримач. Так доведи воду з металевими тілами до кипіння.
6. За допомогою вагів налий 150 г холодної води в калориметр/мензурку (довішуючи на вагах піпеткою). 150 г води відповідають 150 мл (можна відміряти мірним циліндром). Проте тут дуже важлива точність маси, тому саме зважування.
7. Розмісти датчик температури з його затискним тримачем так, щоб датчик занурювався на 1 см у воду в калориметрі (або над робочою поверхнею, або над опорною площадкою на дошці).
8. Виміряй і запиши початкову температуру води в калориметрі.
9. Коли вода в мензурці закипить, зменш полум'я пальника або прибери його зовсім.
Виконання (3/4)
10. Вийми алюмінієві тіла, дай їм трохи стекти і швидко перенеси їх у калориметр. Там тіла теж мають бути повністю вкриті водою і не повинні торкатися датчика температури.
11. Ретельно перемішуй воду і спостерігай за температурою. Коли вона стане більш-менш сталою, можна виміряти й записати температуру суміші.
12. Вийми металеві тіла і воду з калориметра, сполосни його холодною водопровідною водою і дай висохнути. Повтори дослід з двома іншими металами (сталь і латунь).
Виконання (4/4)
Примітка:
- У всіх дослідах вода має по змозі мати однакову початкову температуру. Тоді вже просте порівняння температур суміші показує, який матеріал найкраще накопичує енергію. Найпростіше цього досягти, наповнивши на початку дослідів другу мензурку на 600 мл щонайменше 500 мл води і тримаючи її як запасну посудину.
- Тривалість досліду можна помітно скоротити, якщо перші 3 пункти підготувати ще до уроку. Додатково допомагає наповнити мензурку з металевими тілами не холодною водопровідною, а вже підігрітою водою, бо так час до закипання можна істотно зменшити.
Протокол
Результат вимірювання
| [°C] | [°C] | |
| Алюміній | 21,1 | 31,1 |
| Сталь | 21,3 | 27,0 |
| Латунь | 21,3 | 26,0 |
Табл. 1: Результати вимірювань для різних металів
Для всіх металів дістаємо такі спільні значення:
Маса холодної води 150 г
Маса 2 металевих тіл 120 г
Температура гарячих тіл 100°C
Виміряні значення для різних металів наведено в таблиці 1.
Опрацювання результатів (1/3)
Щоб уже за простим порівнянням можна було сказати, який матеріал накопичив більше енергії, тобто може віддати воді більше енергії, обчислюють різницю температури суміші і початкової температури води за формулою
Для зразкових результатів вимірювань результати зведено в таблиці 2.
Для кількісного опрацювання щоразу обчислюють поглинуту водою цієї маси енергію :
Опрацювання результатів (2/3)
| Довідкове значення | ||||
| [°C] | Q [кДж] | [Дж/г °C] | [Дж/г °C] | |
| Алюміній | 10,2 | 6,4 | 0,78 | 0,896 |
| Сталь | 5,7 | 3,6 | 0,41 | 0,45 |
| Латунь | 4,7 | 3,0 | 0,34 | 0,385 |
= 4,19 Дж/г°C - це питома теплоємність води. Результати також наведено в таблиці 2.
Табл. 2: Результати опрацювання
Опрацювання результатів (3/3)
У простому опрацюванні теплоємністю калориметра нехтують. Відповідно енергія, віддана металевими тілами, дорівнює енергії , яку поглинула вода.
Отже, питома теплоємність різних металевих тіл дістається з
Впадає в око, що результати вимірювань лежать дещо нижче за довідкові значення.
Зауваження
1. Металеві тіла віддають енергію не лише воді, а й калориметру. Теплоємність (наполовину наповненого) калориметра становить приблизно 40 Дж/°C, а води - 229 Дж/°C (для калориметра 04401-00; для пінопласту значення трохи відрізняється). Тому похибка становить приблизно 15%.
2. Подальші похибки виникають, коли гарячі тіла переносять у калориметр. По-перше, разом із ними переноситься трохи крапель води, а по-друге, тіла дорогою трохи охолоджуються. У першому випадку температура суміші виявляється вищою, а в другому - нижчою, ніж вона була б без цих впливів.
3. Енергію у таблиці 2 подано в одиницях кДж. Причина така: виміряні значення температури, які входять в опрацювання, наприклад = 5,7 °C для сталі, подано лише з 2 значущими цифрами. Тоді й результат має мати лише 2 цифри. Отже, 3,6 кДж, а не 3600 Дж.
Різниця в поданні стане учням зрозумілою, якщо виконати розрахунок для обох випадків також із . = 5,6°C і. = 5,8°C. Обидва результати цілком можливі, якщо термометр із поділкою 1/10 градуса коливається в останній цифрі на 1 одиницю.
Завдання
Питання
Питання