Лабораторная работа "Измерение удельной теплоемкости твердого тела"

Введение

В физике одной из важнейших задач является изучение того, как вещества поглощают и отдают теплоту. Когда тело нагревается, его внутренняя энергия увеличивается, а при охлаждении — уменьшается. Количество теплоты, необходимое для изменения температуры тела, зависит от массы вещества, разности температур и особой характеристики — удельной теплоёмкости.

Удельная теплоёмкость — это количество теплоты, необходимое для нагревания 1 килограмма вещества на 1 °C (или 1 K). Эта величина показывает, насколько интенсивно вещество реагирует на нагрев или охлаждение. Например, чтобы нагреть воду, требуется гораздо больше теплоты, чем для того же количества железа, потому что у воды большая удельная теплоёмкость.

В данной лабораторной работе мы экспериментально определим удельную теплоёмкость твёрдого тела — металлического цилиндра — с помощью калориметра, используя закон сохранения энергии при теплообмене.

1. Цель лабораторной работы, объект исследования, приборы и материалы

Цель работы:
Экспериментально определить удельную теплоёмкость твёрдого тела, используя метод смешения (калориметрический метод).

Объект исследования:
Металлический цилиндр (например, алюминиевый или медный образец).

Приборы и материалы:

  • Калориметр с крышкой;

  • Термометр;

  • Мензурка для измерения объёма воды;

  • Весы для определения массы;

  • Нагреватель (кипящая вода, спиртовка или электронагреватель);

  • Шнурок или нить для удерживания цилиндра;

  • Вода (в качестве теплоносителя).

2. Ход работы

  1. Подготовка установки.
    Подготовьте калориметр, налейте в него определённое количество воды и измерьте её температуру t subscript 1.
    Определите массу воды m subscript 1 и массу металлического тела m subscript 2.

  2. Нагревание металлического тела.
    Поместите металлический цилиндр в сосуд с горячей водой (температура близка к 100 °C) и подождите несколько минут, пока его температура не станет равной температуре кипящей воды.

  3. Смешение.
    Быстро перенесите нагретый цилиндр в калориметр с водой, не касаясь руками металла. Закройте калориметр крышкой, чтобы избежать потерь теплоты.

  4. Измерение температуры смеси.
    Аккуратно перемешивайте воду, наблюдая за термометром, пока температура не перестанет повышаться. Это будет температура равновесия t subscript 2.

  5. Запись результатов.
    Занесите в таблицу измеренные величины: массы, температуры воды и тела до и после опыта.

Таблица для записи данных

ВеличинаОбозначениеЗначениеЕдиницы измерения
Масса воды m₁ кг
Масса тела m₂ кг
Начальная температура воды t₁ °C
Начальная температура тела t₃ °C
Конечная температура смеси t₂ °C

3. Обработка данных и вычисление результата

При смешении тел с разной температурой более горячее тело отдаёт теплоту, а холодное — получает. Согласно закону сохранения энергии, теплота, отданная телом, равна теплоте, полученной водой и стенками калориметра (если пренебречь потерями).

Уравнение теплового баланса:
c subscript 2 times m subscript 2 times not stretchy left parenthesis t subscript 3 minus t subscript 2 not stretchy right parenthesis equals c subscript 1 times m subscript 1 times not stretchy left parenthesis t subscript 2 minus t subscript 1 not stretchy right parenthesis

где:

  • c subscript 1 — удельная теплоёмкость воды (4200 Дж/(кг·°C)),

  • c subscript 2 — удельная теплоёмкость исследуемого металла,

  • t subscript 3 — начальная температура нагретого тела,

  • t subscript 1 — начальная температура воды,

  • t subscript 2 — температура смеси.

Из этого уравнения можно выразить искомую величину — удельную теплоёмкость твёрдого тела:

display style c subscript 2 equals fraction numerator c subscript 1 times m subscript 1 times not stretchy left parenthesis t subscript 2 minus t subscript 1 not stretchy right parenthesis over denominator m subscript 2 times not stretchy left parenthesis t subscript 3 minus t subscript 2 not stretchy right parenthesis end fraction

Пример расчёта

Дано:
m₁ = 0,25 кг
t₁ = 20 °C
m₂ = 0,1 кг
t₃ = 100 °C
t₂ = 27 °C
c₁ = 4200 Дж/(кг·°C)

Решение:

display style c subscript 2 equals fraction numerator 4200 times 0 comma 25 times not stretchy left parenthesis 27 minus 20 not stretchy right parenthesis over denominator 0 comma 1 times not stretchy left parenthesis 100 minus 27 not stretchy right parenthesis end fraction equals fraction numerator 4200 times 1 comma 75 over denominator 7 comma 3 end fraction almost equal to 1006 text Дж end text straight divided by not stretchy left parenthesis text кг end text times straight degree C not stretchy right parenthesis

Ответ: удельная теплоёмкость исследуемого тела ≈ 1000 Дж/(кг·°C), что близко к значению для алюминия.

Вывод

В ходе работы была определена удельная теплоёмкость твёрдого тела методом смешения. Полученное значение близко к табличным, что подтверждает правильность проведённых измерений. Эксперимент показывает, что разные вещества по-разному воспринимают теплоту: металлы нагреваются быстрее воды, так как обладают меньшей удельной теплоёмкостью.

Вопросы для самопроверки

  1. Что называется удельной теплоёмкостью вещества?

  2. В каких единицах измеряется удельная теплоёмкость?

  3. Какой закон используется при расчётах в калориметрии?

  4. Почему при проведении опыта важно быстро переносить нагретое тело в калориметр?

  5. Для чего нужен калориметр и какова его функция?

  6. Как вычислить количество теплоты, отданное нагретым телом?

  7. Что произойдёт, если не закрыть калориметр крышкой?

  8. Почему результаты измерений могут отличаться от табличных значений?

  9. Какая величина является постоянной при тепловом обмене?

  10. Какие материалы обладают большей удельной теплоёмкостью — металлы или жидкости?

Последнее изменение: Понедельник, 3 Ноябрь 2025, 00:22