cart-icon Товаров: 0 Сумма: 0 руб.
г. Нижний Тагил
ул. Карла Маркса, 44
8 (902) 500-55-04

Лабораторная работа измерение удельной теплоемкости вещества по физике 8 класс: Лабораторная работа №2. Измерение удельной теплоемкости твердого тела.

Содержание

Лабораторная работа «Измерение удельной теплоёмкости твердого тела».

Урок физики в 8 классе.

Тема: Лабораторная работа «Измерение удельной теплоёмкости твердого тела».

Цели урока:

Помочь учащимся в работе по овладению методами измерения физических величин, развитие умений использования измерительных приборов.

Продолжить работу по активизации мыслительной деятельности учеников, способствовать самостоятельному поиску ответа на поставленную задачу.

Развивать способность учащихся к оценке результатов своей деятельности.

Оборудование , приборы и материалы:

  1. На рабочих столах учащихся:

стакан с водой; масса которой 0,1 кг; колориметр; термометр; весы с разновесами; металлический цилиндр на нити.

  1. На столе учителя:

Кристаллизатор с горячей водой; электронагреватель; термометр; компьютер; проектор.

Основные этапы урока:

  1. Вводная беседа

  2. Выполнение эксперимента учащимися и обработка результатов измерения

  3. Подведение итогов работы.

I Вводная беседа

Её цели:

Сформулировать цель работы, выявить готовность учащихся к сознательному выполнению лабораторной работы, обсудить ход её выполнения.

  1. Продолжаем изучать тепловые явления. Вспоминаем основные понятия и соотношения между физическими величинами.

  2. Какую энергию называют внутренней энергией?

  3. Как можно судить об изменении внутренней энергии тела по изменению его температуры?

  4. Какими способами можно измерить внутреннюю энергию тела?

  5. Как называется энергия, которую получает тело при теплопередаче?(или теряет)? В каких единицах её измеряют?

  6. От чего зависит количество теплоты, переданное телу при его нагревании или отданное при охлаждении?

  7. Какой величиной характеризуется зависимость количества теплоты от рода вещества?

  8. Что такое удельная теплоёмкость вещества? В каких единицах она измеряется?

  9. По какой формуле можно рассчитать количество теплоты, необходимого для нагревания тела или выделяемого им при охлаждении?

  10. В формулу входит значение удельной теплоёмкости вещества. Как узнать её значение?

2. Ну а как эти значения попали в таблицу? Каким способом можно измерить удельную теплоёмкость известного и даже неизвестного вещества? Есть ли необходимость взять это вещество массой 1кг и нагревать его на 10С? И как при этом определить переданное ему количество теплоты?

3.Предлагаю решить эту проблему, выполнив данную лабораторную работу.

И так, для определения удельной теплоёмкости в соответствии с формулой: С= надо суметь измерить какие величины?

Массу тела m. Как это сделать?

Разность температур (t2 –t)? Как ?

Но как измерить количество теплоты Q, полученное данным телом или отданное им (кстати, что удобнее)? Теплометра нет!

Если измерить возможности нет, надо попробовать эту величину вычислить! Как?

Ну конечно, надо передать это количество теплоты веществу, удельная теплоёмкость которого известна, например, воде C1=4200Дж/кг0С

Количество теплоты, полученное холодной водой при остывании в ней помещённого нагретого исследуемого металлического цилиндра, равно (точнее: почти равно) количеству теплоты, отданному цилиндром. Т.е. Q=C

1m1( t-t1 ).

Теперь давайте определим последовательность наших действий:

  1. В колориметре находится холодная вода m1= 0,1кг. Измеряем её температуру t1.

  2. Получаем нагретый цилиндр, определив его температуру t2 и быстро помещаем его в воду, находящуюся в сосуде колориметра.

  3. Внимательно следим за изменениями показаний термометра и снимаем его показания в то время, когда его значение t будет наибольшим ( т.е. повышение температуры уже не происходит).

  4. Вынимаем цилиндр из калориметра и тщательно вытерев его, взвешиваем, определяя массу m2 с точностью до 1г. Заносим величины в таблицу.

  5. Переходим к расчётам:

  1. Количество теплоты: Q=C1m1 (t – t1)

  2. Удельная теплоёмкость: С=

Напоминаем о необходимости обратить внимание на правила и точность измерения физических величин, на возможные ошибки и меры их предупреждения, о мерах предосторожности, которые необходимо соблюдать в процессе выполнения работы!

  1. Выполнение эксперимента

и обработка результатов измерения.

Учащиеся проверяют, всё ли необходимое имеется в наличии. Самостоятельно проводят измерения в соответствии с обсуждённым планом работы, результаты заносят в таблицу.

Учитель: следит за работой, даёт практические указания, но избегает излишней опеки.

  1. Подведение итогов работы.

Получив результат, необходимо сравнить его значение с табличным значением удельной теплоёмкости.

Возможные варианты:

  • латунь - 400Дж/кг0С;

  • железо - 460ДЖ/кг0С;

  • алюминий - 920Дж/кг0С

В работе не обязательно считать лучшим результат, совпадающий с табличным, но следует предложить учащимся сделать предложение о причинах неточности измерения.

Урок 7. Лабораторная работа № 2 «Измерение удельной теплоемкости твердого тела»

Урок 7. Лабораторная работа № 2 «Измерение удельной теплоемкости твердого тела»

Цель урока: Научить учащихся определять теплоемкость металлического цилиндра.   

Оборудование: стакан с водой; калориметр; термометр; весы с разновесами; металлический цилиндр на нити.

Ход урока.

1. Организационный момент. Приветствие. Выявление отсутствующих.

2. Актуализация опорных знаний. Повторение ранее изученного материала.

Что такое температура?

Что такое внутрення энергия?

От чего зависит внутрення энергия?

Одинаковы ли понятия механическая и внутреняя энергия?

Как можно изменить внутреннюю энергию? – совершением работы и теплопередачей.

Что такое теплопередача? Указанные процессы делятся на три вида, на какие?

Что такое теплопроводность? Теплопроводность – это явление, при котором энергия передаётся от одной части тела к другой посредством движения частиц или при непосредственном контакте двух тел.

Обыкновенный или пористый кирпич обеспечивает лучшую теплоизоляцию здания? - В пористых кирпичах есть поры, заполненные воздухом.

Что такое количество теплоты? Количество теплоты – это физическая велична, значение которой рано энергии получаемой или отдаваемой телом в процессе теплопередачи.

Обозначается Q, [Q]=[Дж]. Кроме Джоуля, который является единицей СИ, используется ещё одна единица измерения количества теплоты – калория (переводится как «жар», «тепло»).

Формула Q= cm△t

Что такое с? Удельная теплоемкость показывает сколько количества тепла необходимо передать веществу массой 1 кг, чтобы нагреть его на 1°С.

Уравнение теплового баланса? Если мы говорим о системе тел, одно из которых отдает тепло, а другое получает, то вводится уравнение теплового баланса.

Суммарное количество теплоты, отданное более нагретыми теломи системе равно суммарному количеству теплоты, полученное менее нагретыми телами этой системы + + … + = + + … + или Q1 = Q2

3.Лабораторная работа №2. ( учебник А.В. Перышкин, стр.221).

Цель работы определить удельную теплоемкость вещества опытным путем. Мы рассмотрим определение теплоемкости на примере твердого тела – металлического цилиндра. Учащиеся должны соблюдать правила тех. безопасности. Аккуратно работать с оборудованием.

Цель работы: определить удельную теплоемкость металлического цилиндра.

Приборы и материалы: металлический цилиндр на нити, стакан с горячей и стакан с холодной водой, термометр, весы, калориметр. Во многих опытах по изучению тепловых явлений применяют калориметр – устройство, состоящее из двух сосудов (стаканов), размещенных один в другом и разделенных воздушной прослойкой.

Из-за слабой теплопроводности воздуха и благодаря небольшому расстоянию между внутренним и внешним сосудами, что обеспечивает отсутствие конвекционных потоков, в калориметре теплообмен с окружающей средой значительно уменьшается.

Ход работы:

1. Налить в калориметр воду массой 100 – 150 г комнатной темп6ературы. Измеряем ее температуру.

2. Поместим металлический цилиндр в стакан с горячей водой и измерим термометром ее температуру, она будет равняться температуре цилиндра ( эта температура и будет начальной температурой цилиндра), т. к. через определенное время температура воды и цилиндра сравняются.

3. После этого помещаем привязанный на нитке цилиндр в калориметр с холодной водой и, помешивая в нем воду термометром, измеряем установившуюся в результате теплообмена температуру.

Обработка данных и вычисление результата:

Измеренная установившаяся конечная температура в калориметре и остальные данные позволят нам рассчитать удельную теплоемкость металла, из которого изготовлен цилиндр. Вычислять искомую величину мы будем исходя из того, что, остывая, цилиндр отдает ровно такое же количество теплоты, что и получает вода при нагревании, происходит так называемый теплообмен.

Соответственно получаем следующие уравнения. Для нагрева воды количество теплоты:

, где:

 удельная теплоемкость воды (табличная величина), ;

 масса воды, которую можно определить с помощью весов, кг;

 конечная температура воды и цилиндра, измеренная с помощью термометра, o;

 начальная температура холодной воды, измеренная с помощью термометра, o.

Для остывания металлического цилиндра количество теплоты:

, где:

 удельная теплоемкость металла, из которого изготовлен цилиндр (искомая величина), ;

 масса цилиндра, которую можно определить с помощью весов, кг;

 температура горячей воды и, соответственно, начальная температура цилиндра, измеренная с помощью термометра, o

;

 конечная температура воды и цилиндра, измеренная с помощью термометра, o.

Замечание. В обеих формулах мы вычитаем из большей температуры меньшую для определения положительного значения количества теплоты.

Как было указано ранее, из-за процесса теплообмена между холодной водой и металлическим цилиндром их количества теплоты равны:

.

Следовательно, удельная теплоемкость материала цилиндра:

Вывод: Сделайте вывод, в котором укажите, какую физическую величину вы сегодня определяли, какой результат получили, какие факторы могли повлиять на точность полученного результата. Запишите физический смысл определяемой величины.

Вычисленное значение удельной теплоемкости материала цилиндра . Экспериментально полученное значение несколько меньше полученного из таблицы. С чем это связано?

4. Закрепление изученного материала.

1. На каком из этапов проведения лабораторной работы есть вероятность получить наибольшую погрешность измерений?

2. Какими должны быть материалы и устройство калориметра для получения наиболее точных результатов измерений?

3.  Предложите свою методику измерения удельной теплоемкости жидкости.

5. Рефлексия. Чему вы сегодня научились на уроке и что узнали нового?

6. Домашнее задание. Повторение параграфов 8,9.

 

Лабораторная работа «Измерение удельной теплоемкости вещества»

Просмотр содержимого документа
«Лабораторная работа «Измерение удельной теплоемкости вещества» - ТВЕРДОЕ ТЕЛО»

Физика - Поурочные планы к учебникам Г. Я. Мякишева, С. В. Громова и В. Л. Касьянова 10 класс

Лабораторная работа «Измерение удельной теплоемкости вещества» - ТВЕРДОЕ ТЕЛО

Приборы и материалы: стакан с водой, калориметр, термометр, весы, гири, металлический цилиндр на нити, сосуд с горячей водой.

Ход работы

1. Налейте в калориметр воду массой 100-150 г комнатной температуры. Измерьте температуру воды.

2. Нагрейте цилиндр в сосуде с горячей водой. Измерьте ее температуру (эта температура и будет начальной температурой цилиндра). Затем опустите его в калориметр с водой.

3. Измерьте температуру воды в калориметре после опускания цилиндра

4. С помощью весов определите массу алюминиевого цилиндра, предварительно обсушив его.

5. Все данные измерений запишите в таблицу:

Масса воды в калориметре, m1, кг

Начальная температура воды, t1, °C

Масса цилиндра, m2, кг

Начальная температура цилиндра,t2, °C

Общая температура воды и цилиндра t, °С

6. Рассчитайте:

а) Количество теплоты Q1, которое получила вода при нагревании: Q1 = с1m1(t - t1), с1 - удельная теплоемкость воды.

б) Количество теплоты Q2, отданное металлическим цилиндром при охлаждении: Q2 = с2m2(t - t2), с2 - удельная теплоемкость вещества цилиндра, значение которой надо определить.

Зная, что количество теплоты, полученное водой при нагревании, равно количеству теплоты, отданному цилиндром при охлаждении, можно записать:

Q1 = О2, или с1m1(t – t1) = с2m2 (t - t2).

В полученном уравнении неизвестной величиной является удельная теплоемкость с2. Подставьте в уравнение значения величин, измеренных на опыте, вычислите с2 - удельную теплоемкость вещества, из которого изготовлен цилиндр. Сравните ее с табличным значением.



Лабораторная работа Определение удельной теплоемкости твердого тела

Цели:

Задачи:

Создать условия для развития у каждого учащегося умения самостоятельно обобщать теоретические факты, выдвигать гипотезы, составлять план эксперимента и делать выводы;

Образовательные: углубить и закрепить теоретические знания по определению удельной теплоемкости твердого тела, определению количества теплоты в результате теплопередачи на практике.

Развивающие : развитие практических умений и навыков при работе с лабораторным оборудованием ; развитие коммуникативных способностей, самостоятельно и в группах находить решения практических задач .
Воспитательные: воспитание трудолюбия, познавательного интереса, активности, способности к самооценке, оценке хода и результата деятельности.

Результаты обучения:

Владеют навыками учебно-исследовательской деятельности, основополагающими физическими понятиями, закономерностями , основными методами научного познания, используемыми в физике: измерение, эксперимент. Умеют обрабатывать результаты измерений, обнаруживать зависимость между физическими величинами, объяснять полученные результаты и делать выводы.

Оборудование

Весы с разновесами, термометр, калориметр, мензурка, стакан с водой, сосуд с горячей водой, металлический предмет на нити (стальной цилиндр, болт, деталь из латуни и т.д.)

Введение. Приветствие. (1мин)

Настрой на учебную деятельность

- Приветствие.

-Здравствуйте, ребята! Я вновь приглашаю Вас в мир физического эксперимента, в нашу занимательную лабораторию. (слайд №1)

Учащиеся погружаются в атмосферу урока и настраиваются на рабочий лад.

Вызов

Корзина идей

(8 мин)

актуализация имеющихся знаний;
– пробуждение интереса к получению новой информации; 
– постановка учеником собственных целей обучения.

-Как говорится «повторение – мать учения» и не мешало бы вспомнить основные физические понятия этой главы «Тепловые явления».

-На экране вы видите ряд вопросов, на которые необходимо ответить: (слайд №2)

-Кто является основателем МКТ?

-Основные положения МКТ.

-Что мы понимаем под термином «внутренняя энергия»?

-Какие способы изменения внутренней энергии Вы знаете?

-Что такое «теплопередача»?

-Какие виды теплопередачи Вы знаете? Приведите примеры?

-Что такое «количество теплоты», какой буквой обозначается, в чем измеряется?

-Формула, необходимая для расчета количества теплоты. Объясните каждую физическую величину, вспомните единицы измерения.

-Тема урока :Лабораторная работа №2 Тема: " Измерение удельной теплоемкости твердого тела".

-Составимкорзину идей по данной теме.

(инструктаж , формула, как выполнять, как оценивать)

Инструктаж по ТБ

1.Будьте внимательны, дисциплинированны, аккуратны, точно выполняйте указания учителя.

2.До начала работы приборы не трогать и не приступать к выполнению лабораторной работы до указания учителя.

3.Перед тем как приступить к выполнению работы, тщательно изучите её описание, уясните ход её выполнения.

4.Не оставляйте рабочего места без разрешения учителя.

5.Располагайте приборы, материалы, оборудование на рабочем месте в порядке, указанном учителем.

6.Не держите на рабочем столе предметы, не требующиеся при выполнении задания.

7.Берегите оборудование и используйте его по назначению.

-Составим критерии оценивания лабораторной работы. ( приложение 1)

Ответы учащихся.

Обмен информацией в группах.

- Сбрасывание информации в корзину, запись на доске или ватмане.

Обсуждение собранной информации. Обобщение, вывод.

Формулируют цели урока.

Читают ТБ, воспроизводят.

Запись в тетради: с ТБ ознакомлен.

В группах обсуждают и предлагают критерии оценивания.

Ответы | Лаб. 2. Измерение удельной теплоемкости вещества — Физика, 8 класс

0.

Что выражает удельная теплоемкость?

Ответ: удельная теплоемкость выражает количество теплоты, которое нужно передать единичной массе данного вещества для того, чтобы его температура изменилась на единицу.

Зависит ли удельная теплоемкость от массы вещества, изменения его температуры и рода вещества?

Ответ: да.

1.

$m = 1$ г/см$^3 · 180$ мл $= 180$ г.

5.

$Δt_1 = t_3 - t_1 = 21 - 19 = 2$°C.

6.

$Δt_2 = t_3 - t_2 = 21 - 98 = -77$°C.

8.

$Q_1 = c_1m_1Δt_1$.
$Q_1 = 4200$ Дж/кг·°C $· 0.15$ кг $· 2$°C $= 1260$ Дж.

10.

Какому веществу соответствует измеренное в работе значе­ние удельной теплоемкости?

Будет соответствовать веществу из железа или стали.

Как объяснить расхождение между найденным и табличным значениями удельной теплоемкости вещества цилиндра?

При теплообмене часть тепла уходит на нагревание стенок калориметра и окружающего воздуха, а также влияют погрешности при определении массы, объёма и температуры, поэтому табличные значения с решениями не совпадают.

11.

Как, по вашему мнению, влияет на точность полученного результата значение массы взятой для опыта воды?

В холодную воду мы положили цилиндр из кипячёной воды, холодная вода нагрелась и некоторое количество молекул исчезло. Масса воды также уменьшилась.

Присоединяйтесь к Telegram-группе @superresheba_8, делитесь своими решениями и пользуйтесь материалами, которые присылают другие участники группы!

Учебное задание. - Амурск 13-18 мая 2013

Группа 2 - Тарасенко Н.В., Миколинская Т.В., Чернышева Р.К.

План - конспект урока, 8 класс, физика (базовый уровень),А.В.Перышкин
Тема:  Удельная теплоемкость вещества.

Цель  урока:  Ученик научиться формировать понятие удельной теплоемкости вещества, объяснять  ее физический смысл, показывать зависимость от массы тела и рода вещества.

Задачи:

- создание условий для усвоения учащимися понятия удельной теплоемкости вещества, включение их в процесс поиска формулировок и доказательств, формирование общеучебных и общекультурных навыков работы с информацией, формирование навыка применения формул на практике.

- расширить естественнонаучную  систему взглядов на процессы, происходящие в природе, развитие зрительной памяти, внимания, смысловой памяти, умений анализировать, сравнивать, обобщать, формирование представления о компьютере как о средстве обучения.

- развитие речи учащихся, наблюдательности, зрительного восприятия,  самостоятельности  в выдвижении гипотезы и формулирования выводов, воспитание коммуникативной культуры, умения оценивать себя и своих товарищей.

Тип урока: урок изучения нового материала и формирования  УУД,  лабораторная работа  «Измерение удельной теплоемкости твердого тела».

Формы работы учащихся: индивидуальная,  фронтальная, работа в паре.

Необходимое техническое оборудование: мультимедиа проектор; экран; компьютеры с выходом в Интернет, цифровая лаборатория Архимед.

Структура и ход  урока

Лабораторная работа "Определение удельной теплоемкости твердого тела" - 25 мин

Приборы и материалы: калориметр, мензурка (измерительный цилиндр) с холодной водой, термометр, весы, гири, тело (металлический цилиндр на нити), сосуд (стакан) с горячей водой, промокательная бумага (салфетка), цифровая лаборатория Архимед.

Цель лабораторной работы:  определить удельную теплоемкость металлического цилиндра при теплообмене с водой.

Знания и умения:

Личностные:

  • Формировать осознанное, уважительное и доброжелательное отношение к другому человеку, его мнению.
  • Формировать умение контролировать процесс и результат деятельности (в частности, за счет рефлексии).

Метапредметные:

  • Организовывать учебное сотрудничество и совместную деятельность с учителем и сверстниками.
  • Создавать, применять и преобразовывать знаково-символические средства для решения задач.
  • Самостоятельно планировать пути достижения целей, осознано выбирать эффективные способы решения задач.
  • Формировать умение работать с  ЭОР.

Предметные:

  • Понимать смысл понятия удельной теплоемкости вещества, ее единиц измерения.
  • Уметь описывать и объяснять физические явления на основе МКТ.
  • Представлять результаты измерений удельной теплоемкости вещества  с помощью таблиц.
  • Делать выводы на основе экспериментальных данных.
  • Решать задачи на применение удельной теплоемкости вещества.

Инструкция по технике безопасности при выполнении лабораторной работы

  1. Будьте внимательны и дисциплинированны, точно выполняйте указания учителя.
  2. Не приступайте к выполнению работы без разрешения учителя.
  3. При работе с приборами из стекла соблюдайте особую осторожность.
  4. Проверьте целостность стеклянной посуды, не ставьте ее на край стола.
  5. Соблюдайте осторожность при работе с горячей водой.
  6. Если все же произошел «форс - можор», осколки стекла нельзя стряхивать со стола руками, сметайте их щеткой. Попавшую воду на стол соберите салфеткой. Обратитесь за помощью к учителю или лаборанту.
  7. Перед проведением работы проверьте наличие в комплекте весов всех разновесов; в случае их нехватки сообщи об этом учителю.

Чек-лист

- Соберите весы, для чего вкрутите в корпус коробки стержень с резьбой, наденьте на него коромысло и прицепите на него чашечки весов. Затем отрегулируйте весы, для чего на чашку весов кладите кусочки бумаги до тех пор, пока весы не придут в равновесие.

- Определите массу тела (цилиндра). mтела = ………

- Налейте в калориметр воду 100 – 150 г комнатной температуры.

- Измерьте термометром температуру воды в калориметре.

- Опустите тело (цилиндр) в стакан с горячей водой. Вставьте в этот стакан также и термометр и, выждав с минуту, измерьте температуру горячей воды с телом. Запишите результат в тетрадь.

t2 = t тела начальная = ………

- Перенесите нагретое тело (цилиндр) в калориметр с холодной водой. Вставьте в этот стакан также и термометр и, помешивая им воду, дождись остановки повышения температуры (это длится не более минуты). Измерьте новую температуру воды и тела в калориметре. Запишите результат в тетрадь.

t = tводы конечная = tтела конечная = ………

- Запишите выражение для расчета количеств теплоты, которые отдает тело (цилиндр) и получает вода.  Qтела = стела mтела (t2 – t)

Qводы = своды mводы (t – t1)  

Теперь вычислите неизвестную удельную теплоемкость тела (c тела). Для этого можно воспользоваться тем, что вода получила тепло от тела, следовательно, тепло, полученное водой, примерно равно теплу, отданному телом.

 Qводы = Qтела

Отсюда можно вычислите неизвестную удельную теплоемкость тела.

стела mтела (t2 – t)  = своды mводы (t – t1)

стела = своды mводы (t – t1) / mтела (t2 – t)

Критерии - Сравните результат с табличными значениями удельной теплоемкости.

Из какого вещества сделано тело (цилиндр)?

Твердое тело

Удельная теплоемкость,

 кДж / (кг · °С),

при t=200С

Алюминий

0,92

Вольфрам

0,15

Дерево

(сосна)

2,7

Железо

0,46

Золото

0,13

Кирпич

0,85

Латунь

0,38

Лед

2,1 (t=00C)

Медь

0,38

Мрамор

0,92 (t=00C)

Никель

0,5

- Оформите в тетради для лабораторных работ все записи по выполнению лабораторной работы согласно рекомендациям по оформлению лабораторных работ по физике.

Не забудьте оформить таблицу с результатами измерений

Масса воды

в калориметре

mводы, кг

Начальная температура  воды

t1, °C

Масса

тела (цилиндра)

mтела,кг

Начальная температура тела (цилиндра)

t2, °C

Общая

температура воды и тела (цилиндра)

t, °C

Сформулируйте вывод (какой металл использовался в работе и какова его удельная теплоемкость по результатам измерений с учетом абсолютной погрешности измерений) и запишите в тетрадь.

Измерение удельной теплоемкости твердого тела

Цель работы: определить удельную теплоемкость металлического
цилиндра при теплообмене с водой.
Приборы и материалы: калориметр, мензурка (измерительный цилиндр)
с холодной водой, термометр, весы, гири, тело (металлический цилиндр
на нити), сосуд (стакан) с горячей водой, промокательная бумага
(салфетка).
Инструкция
по технике безопасности при выполнении лабораторной работы
Будьте внимательны и дисциплинированны, точно выполняйте указания
учителя.
Не приступайте к выполнению работы без разрешения учителя.
При работе с приборами из стекла соблюдайте особую осторожность.
Проверьте целостность стеклянной посуды, не ставьте ее на край стола.
Соблюдайте осторожность при работе с горячей водой.
Если все же произошел «форс - можор», осколки стекла нельзя
стряхивать со стола руками, сметайте их щеткой. Попавшую воду на стол
соберите салфеткой. Обратитесь за помощью к учителю или лаборанту.
Перед проведением работы проверьте наличие в комплекте весов всех
разновесов; в случае их нехватки сообщи об этом учителю.
Соберите весы, для чего вкрутите в корпус коробки стержень с резьбой, наденьте на него коромысло и
прицепите на него чашечки весов. Затем отрегулируйте весы, для чего на чашку весов кладите кусочки бумаги
до тех пор, пока весы не придут в равновесие.
Определите массу тела (цилиндра).
mтела = ………
Налейте в калориметр воду 100 – 150 г комнатной температуры.
Измерьте термометром температуру воды в калориметре.
t1 = tводы начальная = ………
Опустите тело (цилинлр) в стакан с горячей водой.
Вставьте в этот стакан также и термометр и, выждав с
минуту, измерьте температуру горячей воды с телом.
Запишите результат в тетрадь.
t2 = t тела начальная = ………
Перенесите
нагретое
тело
(цилиндр)
в
калориметр с холодной водой. Вставьте в этот
стакан также и термометр и, помешивая им воду,
дождись остановки повышения температуры (это
длится не более минуты). Измерьте новую
температуру воды и тела в калориметре.
Запишите результат в тетрадь.
t = tводы конечная = tтела конечная = ………
Запишите выражение для расчета количеств теплоты, которые отдает
тело (цилиндр) и получает вода.
Qтела = стела mтела (t2 – t)
Qводы = своды mводы (t – t1)
Теперь вычислите неизвестную удельную теплоемкость тела (c тела). Для
этого можно воспользоваться тем, что вода получила тепло от тела,
следовательно, тепло, полученное водой, примерно равно теплу,
отданному телом.
Qводы = Qтела
Отсюда можно вычислите неизвестную удельную теплоемкость тела.
стела mтела (t2 – t) = своды mводы (t – t1)
стела = своды mводы (t – t1) / mтела (t2 – t)
Сравните результат с табличными значениями удельной теплоемкости.
Из какого вещества сделано тело (цилиндр)?
Удельная
теплоемкость,
кДж / (кг · °С),
при t=200С
Твердое
тело
Удельная
теплоемкость,
кДж / (кг · °С),
при t=200С
Алюминий
0,92
Олово
Вольфрам
0,15
Оргстекло
-
Дерево
(сосна)
2,7
Парафин
2,89
Пробка
2,05
Железо
0,46
Свинец
0,14
Золото
0,13
Серебро
0,25
Кирпич
0,85
Сталь
0,46
Латунь
0,38
Стекло
оконное
0,67
0,38
Цинк
0,4
Мрамор
0,92 (t=00C)
Чугун
0,54
Никель
0,5
Лед
Медь
2,1 (t=00C)
Твердое
тело
0,25
Наверное, есть
погрешность
в выполнении
работы.
A = a + ∆a,
где А – измеряемая величина;
а – результат измерений;
∆a – погрешность измерений.
Запишите
значение
удельной
теплоемкости тела
(цилиндра) с
учетом
погрешности
измерения.
Оформите в тетради для лабораторных работ все записи по
выполнению лабораторной работы согласно рекомендациям по
оформлению лабораторных работ по физике.
Не забудьте оформить таблицу с результатами измерений.
Масса воды
в
калориметре
mводы, кг
Начальная
температура
воды
t1, °C
Масса
тела
(цилиндра)
mтела,кг
Начальная
температура
тела
(цилиндра)
t2, °C
Общая
температура
воды и тела
(цилиндра)
t, °C
Сформулируйте вывод ( какой металл использовался в работе и какова
его удельная теплоемкость по результатам измерений с учетом
абсолютной погрешности измерений) и запишите в тетрадь.

12. § 7 – 9 повторить. №1027,1028,1030* (Л).

*Для
желающих учащихся:
ПРЕЗЕНТАЦИЯ «Виды топлива».
12
Презентация “Лабораторная работа № 2. Измерение удельной
теплоемкости твердого тела» не заменяет на уроке лабораторную
работу, которую выполняют учащиеся самостоятельно. Главная цель
использования презентации – напомнить учащимся алгоритм
выполнения и оформления лабораторной работы. Зрительное
восприятие
дополнительно
формирует
(закрепляет)
навыки
выполнения лабораторной работы на уроке и носит мотивационный
характер.
Презентация разработана в программе Microsoft Offic PowerPoint с
применением
анимации
(предусмотрена
возможность
показа
динамических моделей, опытов).
Все анимации, рисунки, таблицы, схемы и др. выполнены автором.
Вы скачали презентацию.
А автору, наверное,
сказать «спасибо» забыли.

Учебное пособие по физике

На предыдущей странице мы узнали, что тепло делает с объектом, когда оно накапливается или выделяется. Прирост или потеря тепла приводят к изменениям температуры, изменению состояния или выполнения работы. Тепло - это передача энергии. Когда объект приобретается или теряется, внутри этого объекта будут происходить соответствующие изменения энергии. Изменение температуры связано с изменением средней кинетической энергии частиц внутри объекта. Изменение состояния связано с изменением внутренней потенциальной энергии, которой обладает объект.А когда работа сделана, происходит полная передача энергии объекту, над которым она выполняется. В этой части Урока 2 мы исследуем вопрос . Как измерить количество тепла, полученного или выделенного объектом?

Удельная теплоемкость

Предположим, что несколько объектов, состоящих из разных материалов, нагреваются одинаково. Будут ли предметы нагреваться одинаково? Ответ: скорее всего, нет.Разные материалы будут нагреваться с разной скоростью, потому что каждый материал имеет свою удельную теплоемкость. Удельная теплоемкость относится к количеству тепла, необходимому для изменения температуры единицы массы (скажем, грамма или килограмма) на 1 ° C. В учебниках часто указывается удельная теплоемкость различных материалов. Стандартные метрические единицы - Джоуль / килограмм / Кельвин (Дж / кг / К). Чаще используются единицы измерения - Дж / г / ° C. Используйте виджет ниже, чтобы просмотреть удельную теплоемкость различных материалов.Просто введите название вещества (алюминий, железо, медь, вода, метанол, дерево и т. Д.) И нажмите кнопку «Отправить»; результаты будут отображаться в отдельном окне.


Удельная теплоемкость твердого алюминия (0,904 Дж / г / ° C) отличается от удельной теплоемкости твердого железа (0,449 Дж / г / ° C). Это означает, что для повышения температуры данной массы алюминия на 1 ° C потребуется больше тепла, чем для повышения температуры той же массы железа на 1 ° C.Фактически, для повышения температуры образца алюминия на заданное количество потребуется примерно вдвое больше тепла по сравнению с тем же изменением температуры того же количества железа. Это связано с тем, что удельная теплоемкость алюминия почти вдвое больше, чем у железа.

Теплоемкость указана из расчета на грамм или на килограмм . Иногда значение указывается из расчета на моль, и в этом случае оно называется молярной теплоемкостью. Тот факт, что они перечислены на основе на сумму , указывает на то, что количество тепла, необходимое для повышения температуры вещества, зависит от того, сколько вещества имеется.Эту истину, несомненно, знает всякий, кто варил на плите кастрюлю с водой. Вода закипает при температуре 100 ° C на уровне моря и при слегка пониженной температуре на возвышенностях. Чтобы довести кастрюлю с водой до кипения, ее сначала нужно поднять до 100 ° C. Это изменение температуры достигается за счет поглощения тепла горелкой печи. Быстро замечаешь, что для того, чтобы довести до кипения полную кастрюлю с водой, требуется значительно больше времени, чем для того, чтобы довести до кипения наполовину полную. Это связано с тем, что полная кастрюля с водой должна поглощать больше тепла, чтобы вызвать такое же изменение температуры.Фактически, требуется вдвое больше тепла, чтобы вызвать такое же изменение температуры в двойной массе воды.

Удельная теплоемкость также указана из расчета на K или на ° C. Тот факт, что удельная теплоемкость указана из расчета на градус , указывает на то, что количество тепла, необходимое для повышения данной массы вещества до определенной температуры, зависит от изменения температуры, необходимого для достижения этой конечной температуры.Другими словами, важна не конечная температура, а общее изменение температуры. Для изменения температуры воды с 20 ° C до 100 ° C (изменение на 80 ° C) требуется больше тепла, чем для повышения температуры того же количества воды с 60 ° C до 100 ° C (изменение на 40 ° C). ° С). Фактически, для изменения температуры данной массы воды на 80 ° C требуется вдвое больше тепла по сравнению с изменением на 40 ° C. Человек, который хочет быстрее довести воду до кипения на плите, должен начать с теплой водопроводной воды вместо холодной.

Это обсуждение удельной теплоемкости заслуживает одного заключительного комментария. Термин «удельная теплоемкость» в некоторой степени похож на неправильное обозначение . Этот термин означает, что вещества могут иметь способность содержать вещь , называемую теплотой. Как уже говорилось ранее, тепло - это не то, что содержится в объекте. Тепло - это то, что передается к объекту или от него. Объекты содержат энергию в самых разных формах. Когда эта энергия передается другим объектам с разной температурой, мы называем переданную энергию тепловой или тепловой энергией .Хотя это вряд ли приживется, более подходящим термином будет удельная энергоемкость.


Связь количества тепла с изменением температуры

Удельная теплоемкость позволяет математически связать количество тепловой энергии, полученной (или потерянной) образцом любого вещества, с массой образца и ее результирующим изменением температуры. Связь между этими четырьмя величинами часто выражается следующим уравнением.

Q = м • C • ΔT

где Q - количество тепла, передаваемого к объекту или от него, m - масса объекта, C - удельная теплоемкость материала, из которого состоит объект, а ΔT - результирующее изменение температуры объекта. Как и во всех других ситуациях в науке, значение дельта (∆) для любой величины вычисляется путем вычитания начального значения количества из окончательного значения количества. В этом случае ΔT равно T конечный - T начальный .При использовании приведенного выше уравнения значение Q может быть положительным или отрицательным. Как всегда, положительный и отрицательный результат расчета имеет физическое значение. Положительное значение Q указывает, что объект получил тепловую энергию из окружающей среды; это соответствовало бы повышению температуры и положительному значению ΔT. Отрицательное значение Q указывает на то, что объект выделяет тепловую энергию в окружающую среду; это соответствовало бы снижению температуры и отрицательному значению ΔT.

Знание любых трех из этих четырех величин позволяет человеку вычислить четвертое количество. Обычная задача на многих уроках физики включает решение проблем, связанных с отношениями между этими четырьмя величинами. В качестве примеров рассмотрим две проблемы ниже. Решение каждой проблемы разработано для вас. Дополнительную практику можно найти в разделе «Проверьте свое понимание» внизу страницы.

Пример задачи 1
Какое количество тепла требуется для повышения температуры 450 граммов воды с 15 ° C до 85 ° C? Удельная теплоемкость воды 4.18 Дж / г / ° C.

Как и любая проблема в физике, решение начинается с определения известных величин и соотнесения их с символами, используемыми в соответствующем уравнении. В этой задаче мы знаем следующее:

м = 450 г
C = 4,18 Дж / г / ° C
Т начальная = 15 ° С
T окончательная = 85 ° C

Мы хотим определить значение Q - количество тепла.Для этого мы использовали бы уравнение Q = m • C • ΔT. Буквы m и C известны; ΔT можно определить по начальной и конечной температуре.

T = T окончательный - T начальный = 85 ° C - 15 ° C = 70 ° C

Зная три из четырех величин соответствующего уравнения, мы можем подставить и решить для Q.

Q = m • C • ΔT = (450 г) • (4,18 Дж / г / ° C) • (70 ° C)
Q = 131670 Дж
Q = 1.3x10 5 J = 130 кДж (округлено до двух значащих цифр)

Пример задачи 2
Образец 12,9 грамма неизвестного металла при температуре 26,5 ° C помещают в чашку из пенополистирола, содержащую 50,0 граммов воды при температуре 88,6 ° C. Вода охлаждается, и металл нагревается, пока не будет достигнуто тепловое равновесие при 87,1 ° C. Предполагая, что все тепло, теряемое водой, передается металлу, а чашка идеально изолирована, определите удельную теплоемкость неизвестного металла.Удельная теплоемкость воды составляет 4,18 Дж / г / ° C.


По сравнению с предыдущей проблемой это гораздо более сложная проблема. По сути, эта проблема похожа на две проблемы в одной. В основе стратегии решения проблем лежит признание того, что количество тепла, теряемого водой (Q вода ), равно количеству тепла, полученного металлом (Q металл ). Поскольку значения m, C и ΔT воды известны, можно рассчитать Q water .Это значение воды Q равно значению металла Q . Как только значение металла Q известно, его можно использовать со значением m и ΔT металла для расчета металла Q . Использование этой стратегии приводит к следующему решению:

Часть 1: Определение потерь тепла водой

Дано:

м = 50,0 г
C = 4,18 Дж / г / ° C
Т начальная = 88,6 ° С
Т финал = 87.1 ° С
ΔT = -1,5 ° C (T конечный - T начальный )

Решение для воды Q :

Q вода = m • C • ΔT = (50,0 г) • (4,18 Дж / г / ° C) • (-1,5 ° C)
Q вода = -313,5 Дж (без заземления)
(Знак - означает, что вода теряет тепло)

Часть 2: Определите стоимость металла C

Дано:

Q металл = 313.5 Дж (используйте знак +, так как металл нагревается)
m = 12,9 г
Т начальная = 26,5 ° С
T окончательная = 87,1 ° C
ΔT = (T конечный - T начальный )

Решить для металла C :

Переставьте металл Q = m металл • C металл • ΔT металл , чтобы получить металл C = Q металл / (м металл • ΔT металл )

C металл = Q металл / (м металл • ΔT металл ) = (313.5 Дж) / [(12,9 г) • (60,6 ° C)]
C металл = 0,40103 Дж / г / ° C
C металл = 0,40 Дж / г / ° C (округлено до двух значащих цифр)


Тепло и изменения состояния

Приведенное выше обсуждение и соответствующее уравнение (Q = m • C • ∆T) связывает тепло, полученное или потерянное объектом, с результирующими изменениями температуры этого объекта. Как мы узнали, иногда тепло накапливается или теряется, но температура не меняется.Это тот случай, когда вещество претерпевает изменение состояния. Итак, теперь мы должны исследовать математику, связанную с изменениями состояния и количества тепла.

Чтобы начать обсуждение, давайте рассмотрим различные изменения состояния, которые можно наблюдать для образца вещества. В таблице ниже перечислены несколько изменений состояния и указаны имена, обычно связанные с каждым процессом.

Процесс

Изменение состояния

Плавка

От твердого до жидкого

Заморозка

От жидкости к твердому веществу

Испарение

От жидкости к газу

Конденсация

Газ - жидкость

Сублимация

Твердое тело в газ

Депонирование

Газ - твердое вещество


В случае плавления, кипения и сублимации к образцу вещества должна быть добавлена ​​энергия, чтобы вызвать изменение состояния.Такие изменения состояния называют эндотермическими. Замораживание, конденсация и осаждение экзотермичны; энергия высвобождается образцом материи, когда происходят эти изменения состояния. Таким образом, можно заметить, что образец льда (твердая вода) тает, когда его помещают на горелку или рядом с ней. Тепло передается от горелки к образцу льда; энергия приобретается льдом, вызывая изменение состояния. Но сколько энергии потребуется, чтобы вызвать такое изменение состояния? Есть ли математическая формула, которая могла бы помочь в определении ответа на этот вопрос? Безусловно, есть.

Количество энергии, необходимое для изменения состояния образца материи, зависит от трех вещей. Это зависит от того, что такое субстанция, от того, сколько субстанции претерпевает изменение состояния, и от того, какое изменение состояния происходит. Например, для плавления льда (твердая вода) требуется другое количество энергии, чем для плавления железа. И для таяния льда (твердая вода) требуется другое количество энергии, чем для испарения того же количества жидкой воды. И, наконец, для плавления 10 требуется другое количество энергии.0 граммов льда по сравнению с таянием 100,0 граммов льда. Вещество, процесс и количество вещества - это три переменные, которые влияют на количество энергии, необходимое для того, чтобы вызвать конкретное изменение состояния. Используйте виджет ниже, чтобы исследовать влияние вещества и процесса на изменение энергии. (Обратите внимание, что теплота плавления - это изменение энергии, связанное с изменением состояния твердое-жидкое.)


Значения удельной теплоты плавления и удельной теплоты испарения указаны из расчета на количество .Например, удельная теплота плавления воды составляет 333 Дж / грамм. Чтобы растопить 1,0 грамм льда, требуется 333 Дж энергии. Чтобы растопить 10 граммов льда, требуется в 10 раз больше энергии - 3330 Дж. Такое рассуждение приводит к следующим формулам, связывающим количество тепла с массой вещества и теплотой плавления и испарения.

Для плавления и замораживания: Q = m • ΔH сварка
Для испарения и конденсации: Q = m • ΔH испарение

, где Q представляет количество энергии, полученной или высвобожденной во время процесса, m представляет собой массу образца, ΔH плавления представляет собой удельную теплоту плавления (в пересчете на грамм) и ΔH испарения представляет собой удельную теплоемкость плавления. испарение (из расчета на грамм).Подобно обсуждению Q = m • C • ΔT, значения Q могут быть как положительными, так и отрицательными. Значения Q положительны для процесса плавления и испарения; это согласуется с тем фактом, что образец вещества должен набирать энергию, чтобы плавиться или испаряться. Значения Q отрицательны для процесса замораживания и конденсации; это согласуется с тем фактом, что образец вещества должен терять энергию, чтобы замерзнуть или конденсироваться.

В качестве иллюстрации того, как можно использовать эти уравнения, рассмотрим следующие два примера задач.

Пример задачи 3
Элиза кладет в свой напиток 48,2 грамма льда. Какое количество энергии будет поглощено льдом (и высвобождено напитком) в процессе таяния? Теплота плавления воды 333 Дж / г.

Уравнение, связывающее массу (48,2 грамма), теплоту плавления (333 Дж / г) и количество энергии (Q): Q = m • ΔH fusion .Подстановка известных значений в уравнение приводит к ответу.

Q = м • ΔH сварка = (48,2 г) • (333 Дж / г)
Q = 16050,6 Дж
Q = 1,61 x 10 4 Дж = 16,1 кДж (округлено до трех значащих цифр)

Пример Задачи 3 включает в себя довольно простое вычисление типа «подключай и исправляй». Теперь мы попробуем пример задачи 4, который потребует более глубокого анализа.

Пример задачи 4
Какое минимальное количество жидкой воды на 26.5 градусов, которые потребуются, чтобы полностью растопить 50,0 граммов льда? Удельная теплоемкость жидкой воды составляет 4,18 Дж / г / ° C, а удельная теплота плавления льда - 333 Дж / г.

В этой задаче тает лед и остывает жидкая вода. Энергия передается от жидкости к твердому телу. Чтобы растопить твердый лед, на каждый грамм льда необходимо передать 333 Дж энергии. Эта передача энергии от жидкой воды ко льду охлаждает жидкость.Но жидкость может охладиться только до 0 ° C - точки замерзания воды. При этой температуре жидкость начнет затвердевать (замерзнуть), а лед полностью не растает.

Мы знаем следующее о льду и жидкой воде:

Информация о льду:

м = 50,0 г
ΔH плавление = 333 Дж / г

Информация о жидкой воде:

С = 4.18 Дж / г / ° C
Т начальная = 26,5 ° С
T окончательная = 0,0 ° C
ΔT = -26,5 ° C (T конечный - T начальный )

Энергия, полученная льдом, равна энергии, потерянной из воды.

Q лед = -Q жидкая вода

Знак - указывает, что один объект получает энергию, а другой объект ее теряет. Мы можем вычислить левую часть приведенного выше уравнения следующим образом:

Q лед = m • ΔH плавление = (50.0 г) • (333 Дж / г)
Q лед = 16650 Дж

Теперь мы можем установить правую часть уравнения равной m • C • ΔT и начать подставлять известные значения C и ΔT, чтобы найти массу жидкой воды. Решение:

16650 Дж = -Q жидкая вода
16650 Дж = -м жидкая вода • C жидкая вода • ΔT жидкая вода
16650 Дж = -м жидкая вода • (4.18 Дж / г / ° C) • (-26,5 ° C)
16650 Дж = -м жидкая вода • (-110,77 Дж / ° C)
м жидкая вода = - (16650 Дж) / (- 110,77 Дж / ° C)
м жидкая вода = 150,311 г
м жидкая вода = 1,50x10 2 г (округлено до трех значащих цифр)


Еще раз о кривых нагрева и охлаждения

На предыдущей странице Урока 2 обсуждалась кривая нагрева воды.Кривая нагрева показывала, как температура воды увеличивалась с течением времени по мере нагрева образца воды в твердом состоянии (т. Е. Льда). Мы узнали, что добавление тепла к образцу воды может вызвать либо изменение температуры, либо изменение состояния. При температуре плавления воды добавление тепла вызывает преобразование воды из твердого состояния в жидкое состояние. А при температуре кипения воды добавление тепла вызывает преобразование воды из жидкого состояния в газообразное.Эти изменения состояния произошли без каких-либо изменений температуры. Однако добавление тепла к образцу воды, не имеющей температуры фазового перехода, приведет к изменению температуры.

Теперь мы можем подойти к теме кривых нагрева на более количественной основе. На диаграмме ниже представлена ​​кривая нагрева воды. На нанесенных линиях есть пять помеченных участков.


Три диагональных участка представляют собой изменения температуры пробы воды в твердом состоянии (участок 1), жидком состоянии (участок 3) и газообразном состоянии (участок 5).Две горизонтальные секции представляют изменения в состоянии воды. На участке 2 проба воды тает; твердое вещество превращается в жидкость. В секции 4 образец воды подвергается кипению; жидкость превращается в газ. Количество тепла, передаваемого воде в секциях 1, 3 и 5, связано с массой образца и изменением температуры по формуле Q = m • C • ΔT. А количество тепла, переданного воде в секциях 2 и 4, связано с массой образца и теплотой плавления и испарения формулами Q = m • ΔH fusion (секция 2) и Q = m • ΔH испарение (раздел 4).Итак, теперь мы попытаемся вычислить количество тепла, необходимое для перевода 50,0 граммов воды из твердого состояния при -20,0 ° C в газообразное состояние при 120,0 ° C. Для расчета потребуется пять шагов - по одному шагу для каждого раздела приведенного выше графика. Хотя удельная теплоемкость вещества зависит от температуры, в наших расчетах мы будем использовать следующие значения удельной теплоемкости:

Твердая вода: C = 2,00 Дж / г / ° C
Жидкая вода: C = 4,18 Дж / г / ° C
Газообразная вода: C = 2.01 Дж / г / ° C

Наконец, мы будем использовать ранее сообщенные значения ΔH fusion (333 Дж / г) и ΔH испарения (2,23 кДж / г).

Раздел 1 : Изменение температуры твердой воды (льда) с -20,0 ° C до 0,0 ° C.

Используйте Q 1 = m • C • ΔT

, где m = 50,0 г, C = 2,00 Дж / г / ° C, T начальная = -200 ° C и T конечная = 0,0 ° C

Q 1 = m • C • ΔT = (50.0 г) • (2,00 Дж / г / ° C) • (0,0 ° C - -20,0 ° C)
Q 1 = 2,00 x10 3 J = 2,00 кДж

Раздел 2 : Таяние льда при 0,0 ° C.

Используйте Q 2 = m • ΔH сварка

, где m = 50,0 г и ΔH плавление = 333 Дж / г

Q 2 = м • ΔH плавление = (50,0 г) • (333 Дж / г)
Q 2 = 1,665 x10 4 Дж = 16.65 кДж
Q 2 = 16,7 кДж (округлено до 3 значащих цифр)

Раздел 3 : Изменение температуры жидкой воды с 0,0 ° C на 100,0 ° C.

Используйте Q 3 = m • C • ΔT

, где m = 50,0 г, C = 4,18 Дж / г / ° C, T начальная = 0,0 ° C и T конечная = 100,0 ° C

Q 3 = m • C • ΔT = (50,0 г) • (4,18 Дж / г / ° C) • (100,0 ° C - 0,0 ° C)
Q 3 = 2.09 x10 4 J = 20,9 кДж

Раздел 4 : Кипячение воды при 100,0 ° C.

Использовать Q 4 = m • ΔH испарение

, где m = 50,0 г и ΔH испарение = 2,23 кДж / г

Q 4 = m • ΔH испарение = (50,0 г) • (2,23 кДж / г)
Q 4 = 111,5 кДж
Q 4 = 112 кДж (округлено до 3 значащих цифр)

Раздел 5 : Изменение температуры жидкой воды со 100.От 0 ° C до 120,0 ° C.

Используйте Q 5 = m • C • ΔT

, где m = 50,0 г, C = 2,01 Дж / г / ° C, T начальная = 100,0 ° C и T конечная = 120,0 ° C

Q 5 = m • C • ΔT = (50,0 г) • (2,01 Дж / г / ° C) • (120,0 ° C - 100,0 ° C)
Q 5 = 2,01 x10 3 J = 2,01 кДж

Общее количество тепла, необходимое для превращения твердой воды (льда) при -20 ° C в газообразную воду при 120 ° C, является суммой значений Q для каждого участка графика.То есть

Q итого = Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 + Q 5

Суммирование этих пяти значений Q и округление до нужного количества значащих цифр приводит к значению 154 кДж в качестве ответа на исходный вопрос.


В приведенном выше примере есть несколько особенностей решения, над которыми стоит задуматься:

  • Первое: длинная задача была разделена на части, каждая из которых представляет собой одну из пяти частей графика.Поскольку было вычислено пять значений Q, они были обозначены как Q 1 , Q 2 и т. Д. Такой уровень организации требуется в многоступенчатой ​​задаче, такой как эта.
  • Секунда: Внимание было уделено знаку +/- на ΔT. Изменение температуры (или любой величины) всегда рассчитывается как конечное значение величины за вычетом начального значения этой величины.
  • Третий: На протяжении всей задачи внимание уделялось подразделениям.Единицы Q будут либо в Джоулях, либо в килоджоулях, в зависимости от того, какие количества умножаются. Отсутствие внимания к устройствам - частая причина сбоев в подобных проблемах.
  • Четвертый: На протяжении всей задачи внимание уделялось значащим цифрам. Хотя это никогда не должно становиться основным акцентом какой-либо проблемы в физике, это, безусловно, деталь, на которую стоит обратить внимание.

Здесь, на этой странице, мы узнали, как рассчитать количество тепла, задействованного в любом процессе нагрева / охлаждения и в любом процессе изменения состояния.Это понимание будет иметь решающее значение, когда мы перейдем к следующей странице Урока 2, посвященной калориметрии. Калориметрия - это наука, связанная с определением изменений энергии системы путем измерения теплообмена с окружающей средой.

Проверьте свое понимание

1. Вода имеет необычно высокую удельную теплоемкость. Какое из следующих утверждений логически следует из этого факта?

а.По сравнению с другими веществами горячая вода вызывает сильные ожоги, потому что она хорошо проводит тепло.
б. По сравнению с другими веществами вода при нагревании быстро нагревается до высоких температур.
c. По сравнению с другими веществами, образец воды требует значительного количества тепла, чтобы изменить ее температуру на небольшое количество.

2. Объясните, почему в больших водоемах, таких как озеро Мичиган, в начале июля может быть довольно прохладно, несмотря на то, что температура наружного воздуха около или выше 90 ° F (32 ° C).

3. В таблице ниже описан термический процесс для различных объектов (выделен красным жирным шрифтом). Для каждого описания укажите, набирается или теряется тепло объектом, является ли процесс эндотермическим или экзотермическим, и является ли Q для указанного объекта положительным или отрицательным значением.

Процесс

Получено или потеряно тепло?

Эндо- или экзотермический?

Вопрос: + или -?

а.

Кубик льда помещают в стакан с лимонадом комнатной температуры, чтобы охладить напиток.

г.

Холодный стакан лимонада стоит на столе для пикника под жарким полуденным солнцем и нагревается до 32 ° F.

г.

Конфорки на электроплите выключаются и постепенно остывают до комнатной температуры.

г.

Учитель вынимает из термоса большой кусок сухого льда и опускает его в воду. Сухой лед возгоняется, образуя газообразный диоксид углерода.

e.

Водяной пар в увлажненном воздухе ударяется о окно и превращается в каплю росы (каплю жидкой воды).

4. Образец металлического цинка массой 11,98 грамма помещают в баню с горячей водой и нагревают до 78,4 ° C. Затем его удаляют и помещают в чашку из пенополистирола, содержащую 50,0 мл воды комнатной температуры (T = 27,0 ° C; плотность = 1,00 г / мл). Вода прогревается до температуры 28.1 ° С. Определите удельную теплоемкость цинка.

5. Джейк достает из туалета банку с газировкой и выливает ее в чашку со льдом. Определите количество тепла, теряемого содой комнатной температуры при плавлении 61,9 г льда (ΔH fusion = 333 Дж / г).

6. Теплота сублимации (ΔH сублимации ) сухого льда (твердый диоксид углерода) составляет 570 Дж / г. Определите количество тепла, необходимое для превращения 5,0-фунтового мешка сухого льда в газообразный диоксид углерода.(Дано: 1,00 кг = 2,20 фунта)

7. Определите количество тепла, необходимое для повышения температуры 3,82-граммового образца твердого пара-дихлорбензола с 24 ° C до жидкого состояния при 75 ° C. Пара-дихлорбензол имеет температуру плавления 54 ° C, теплоту плавления 124 Дж / г и удельную теплоемкость 1,01 Дж / г / ° C (твердое состояние) и 1,19 Дж / г / ° C (жидкое состояние).

Как определить удельную теплоемкость материалов Накопитель тепловой энергии использует примеры применения igcse / O level / gcse Physics revision notes

УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ - объяснение и ее применение

Как определить удельную теплоемкость материала

Приложения данных - накопители тепловой энергии и расчеты

Док Брауна Примечания к редакции школьной физики: физика GCSE, физика IGCSE, O level физика, ~ 8, 9 и 10 школьные курсы в США или эквивалентные для ~ 14-16 лет студенты-физики

Всякий раз, когда какой-либо материал нагревается до более высокой температуры Вы увеличиваете накопитель тепловой энергии материала.Мера того, сколько энергии необходимо, чтобы поднять температура данного количества материала до определенной температуры называется теплоемкостью материала. В удельная теплоемкость вещество можно определить как количество энергии, необходимое для изменения температуры один килограмм вещества на один градус Цельсия. От удельной теплоемкости материал, количество материала и температура изменяют материал опыта, вы можете рассчитать увеличение или уменьшение этого материала накопитель тепловой энергии.

Подиндекс этой страницы

1. Объясняя и определяя удельная теплоемкость емкость материалов

2. Примеры вопросов с удельной теплоемкостью

3а. Как измерить удельная теплоемкость вещества - твердое

3б. Измерение удельная теплоемкость жидкости, такой как вода

3с. Два способа измерения теплоемкости твердого тела косвенным методом

4.Применение тепла данные о мощности - примеры систем хранения тепловой энергии - тепловая энергия трансферы



1. Объяснение и определение удельной теплоемкости емкость материалов

Это хорошая идея прочитать Сначала примеры преобразования накопителя энергии в системах.

Специфический скрытый тепло рассматривается на отдельной странице.

Каждый раз, когда вы получаете увеличение температура системы, энергия должна передаваться от одного накопителя энергии к Другой.

Однако для такое же количество передается энергия , повышение температуры будет изменяться на .

Повышение температуры будет зависеть от количество нагретого материала и его структура .

Не путайте тепло и температуру !

Когда какой-либо объект нагревается, передаваемая тепловая энергия (`` тепло '') увеличивает тепловую энергию магазин объекта.

Температура повышается, но температура только указывает, насколько горячий или холодный объект.

Когда вы нагреваете материал , тепловая энергия поглощен и его внутренняя энергия увеличена за счет увеличения его Накопители тепловой и потенциальной энергии .

На уровне частиц это связано с :

(i) Увеличение кинетической энергии накопитель , вызванный повышенной вибрацией твердых частиц или повышенной кинетической энергией свободного движения частиц жидкости и газа из одного места в другое.

Из кинетической теории частиц значение температуры является мерой средней кинетической энергии частицы - большая часть средней внутренней энергии материала.

(ii) Увеличение потенциала энергия , вызванная увеличением кинетической энергии, противодействующей межчастичные силы притяжения - частиц в среднем немного дальше друг от друга с повышением температуры.

Внутренний накопитель энергии представляет собой сумму накопитель кинетической энергии плюс накопитель потенциальной энергии - последний может часто игнорируются в описанных здесь ситуациях, касающихся теплоемкости.

Энергия, передаваемая данному материалу работа в качестве накопителя тепловой энергии для повышения ее температуры на определенную величину может варьироваться в довольно широких пределах.

например вам нужно больше четырех в раз больше тепловой энергии для повышения заданной массы воды до заданной температуры чем для той же массы мазута для центрального отопления или алюминия (у них разные удельные теплоемкости - но об этом позже).

Применение: Солнечные панели могут содержать вода, нагретая солнечным излучением.

Вода обладает высокой теплоемкостью и может хранить много тепловой энергии.

Эту воду затем можно использовать для отапливают здания или обеспечивают горячее водоснабжение.

Вода - обычный конвейер тепловая энергия в системах центрального отопления.

Вода - очень хороший термальный накопитель энергии в грелке для холодных зимних ночей в постели.

Различные вещества хранят разное количество энергии на килограмм при каждом повышении температуры C.

Другими словами, разные материалы требуют разного количества тепловой энергии для повышения заданного количество материала при таком же повышении температуры.

Это называется удельной теплоемкостью и варьируется от материала к материалу, будь то газ, жидкость или твердое тело - все зависит от природы и расположения частицы - атомы, ионы или молекулы.

Материалы с высокой теплоемкостью будут выделять много тепловой энергии при охлаждении от более высокого до более низкого температура.

удельная теплоемкость ( SHC или просто c ) из вещество - это количество энергии, необходимое для изменения температуры один килограмм вещества на один градус Цельсия.

Это способ количественная оценка увеличения или уменьшения запаса тепловой энергии материала.

Формула для выражения количество переданного тепла между запасами энергии задается уравнением.

изменение запаса тепловой энергии (Дж) = масса (кг) x удельная теплоемкость (Дж / кг o C) x изменение температуры ( o C)

∆E = m x c x ∆θ

E = переданная энергия в Джоулях (изменение тепловой энергии)

м = масса материала в килограммах кг

c = SHC = удельная теплоемкость мощность Дж / кг o C,

θ = ∆T = изменение температуры в градусах Цельсия o C

Удельная теплоемкость вода 4180 Дж / кг o C (Джоулей на килограмм на градус),

это означает, что требуется 4180 Дж тепловой энергии повысить температуру 1 кг воды на 1 o C.

Количество энергии, хранящейся в (передано) или высвобождается из системы, поскольку изменения ее температуры можно рассчитать с помощью приведенное выше уравнение.

Другие значения удельной теплоемкости (Дж / кг o C):

лед 2100, алюминий 902, бетон 800, стекло 670, сталь 450, латунь 380, медь 385, свинец 130

Поскольку каждый материал имеет свой теплоемкость , хотя можно нагреть ту же массу вещества от одного температуры к другому, вы не можете предположить, что они хранят такое же количество тепловая тепловая энергия на килограмм.

Материалы с наибольшим нагревом емкость будет хранить наибольшее количество тепловой энергии на килограмм для того же повышение температуры - они эффективно более концентрированные накопитель тепловой энергии.

И наоборот, при разрешении материалов для охлаждения материалы с наибольшей удельной теплоемкостью будут выделять больше тепловой энергии на килограмм для того же снижения температура.


НАЧАЛО СТРАНИЦЫ и субиндекс для этой страницы


2.Примеры вопросов по удельной теплоемкости

1 квартал Блок меди массой 0,5 кг поглотил 1520 Дж энергии, и его температура повысилась на 8.0 o C.

Рассчитайте удельную теплоемкость медь.

∆E = m x c x ∆T

SHC медь = ∆E / (м x ∆T)

SHC медь = ∆E / (м x ∆T) = 1520 / (0,5 х 8,0) = 380 Дж / кг o C

2 квартал Блочная бронза имеет удельную теплоемкость 400 Дж / кг o C.

Если блок бронзы массой 1500 г поглощает 3000 Дж энергии, каково будет повышение его температуры?

∆E = m x c x ∆T, 1500 г = 1.500 кг

так переставляем: ∆T = ∆E / (м x SHC бронза ) = 3000 / (1,5 x 400) = 5.0 или С

3 квартал Вычислите тепловую энергию в кДж, необходимую для нагрева 2 кг воды (SHC = 4180 Дж / кг o C) от 20 o C до 100 o C.

∆E = m x c x ∆T = 2 x 4180 x (100-20) = 6,68 x 10 5 Дж

Требуемая тепловая энергия = 668 кДж

Q4 Резервуар для воды вмещает 500 кг горячая вода при 80 o C. (SHC вода = 4180 Дж / кг o C)

Сколько МДж тепловой энергии может быть переводится в систему отопления, если температура воды упадет до 25 o C?

∆E = m x c x ∆T = 500 x 4180 х (80-25) = 1.15 х 10 8 Дж

Передаваемая тепловая энергия = 1,15 x 10 8 / 10 6 = 115 МДж (1,15 х 10 2 МДж, 3 н.ф.)

Q5 Более сложная проблема, которую нужно решить - так что "дважды" подумайте хорошенько!

Допустим, 2 кг стали при температуре 80 o C помещается в 10 кг (~ 10 литров) воды при температуре 15 o C.

Рассчитайте конечную температуру материалы.

Сталь

SHC = 450 Дж / кг o C, SHC вода = 4180 Дж / кг o C

Потеря энергии стали в Дж. store = прирост запаса тепловой энергии воды в Дж.

При «тепловом равновесии» они будут оба при одинаковой температуре, назовем это T .

Перепад температуры стали (80 - T ), превышение температуры воды составляет ( T -15)

Потери от стали тепловой энергии store = ∆E = m x c x ∆T = 2 x 450 x (80 - T) = 900 x (80 - T) J

Прирост тепловой энергии воды store = ∆E = m x c x ∆T = 10 x 4180 x (T - 15) = 41800 x (Т - 15) Дж

Итак, изменение стального накопителя тепловой энергии = изменение в водном накопителе тепловой энергии

900 х (80 - Т) = 41800 х (Т - 15)

72000 - 900 т = 41800 т - 627000

(меняя стороны, меняя вывески, мы получить)

72000 + 627000 = 900 т + 41800 т

699000 = 42700 т

Т = 699000/42700 = 16.4 o С (3 SF)

Q6 Ночной нагреватель вмещает 75 кг бетон (SHC = 800 Дж / кг o C)

Ночью, когда электричество дешевле и охладителя дома, сколько кДж тепловой энергии необходимо для повышения температура бетона от 8 o C до 35 o C.

∆E = m x c x ∆T = 75 x 800 х (35-8) = 1.62 х 10 6 Дж

1,62 x 10 6 /1000 = 1620 Дж

Q7 Этот вопрос основан на физическом эксперименте, который я проводил в школе примерно в 1961.

Это хороший небольшой эксперимент.

Точно взвесьте 100,0 г (~ 100 мл) воду в химический стакан комнатной температуры.

А 50.Грузик из латуни 0 г удерживался тонким проволочной струной или щипцами в центре ревущего пламени Бунзена.

Через несколько минут латунная гиря погрузили в химический стакан на 100 г холодной воды, начальная температура которой была 19,5 o C.

После осторожного перемешивания термометром температура воды поднялась до 55,5 o С.

SHC из латуни = 380 Дж / кг o C, SHC вода = 4180 Дж / кг o C

(a) Если температура пламени равна T, рассчитать две передачи накопителя тепловой энергии.

Передача тепловой энергии из латуни вес = ∆E = m x c x ∆T = (50/1000) x 380 x (T - 19,5) = 19,0 (T - 19,5) J

Передача тепловой энергии из латуни вес = ∆E = m x c x ∆T = (100/1000) x 4180 x (55,5 - 19,5) = 15048 Дж

(b) Рассчитайте температуру пламени T

Передача тепловой энергии из латуни вес (Дж) = передача тепловой энергии воде (Дж)

19.0 (Т - 19,5) = 15048

19,0 т - 370,5 = 15048

19,0 т = 15418,5

Т = 15418,5 / 19,0 = 812 o С (3 SF)

(b) Предложите некоторые источники ошибок в эксперимент

(i) вес теряет некоторое количество тепла энергии в воздух при передаче - возможно, совсем немного, так как экспериментальный ответ, который вы получаете, часто намного ниже реального ответа на пламя температура пламени Бунзена ~ 1000-1200 o C.

(ii) стеклянный стакан впитывает некоторое количество тепла, поэтому его теплоемкость не учитывалась

(iii) нижняя часть проволоки будет передавать немного тепла - но если вы используете латунную проволоку, вы можете взвесить это тоже и убедитесь, что все погружено в воду!

Q8 Автомобиль массой 1000 кг, движущийся со скоростью 20,0 м / с, останавливается резким движением. торможение.

Предположим, что вся кинетическая энергия равна преобразуется в тепловую энергию четырьмя стальными тормозными барабанами.

Если общая масса стальных барабанов тормоза - 25,0 кг, при условии отсутствия тепловых потерь, рассчитать максимальный подъем по температуре тормозных барабанов.

(a) Сначала рассчитайте кинетическую энергию (KE) автомобиля.

KE = mv 2

KE = x 1000 x 20 2 = 2,0 х 10 5 Дж

(b) Рассчитайте превышение температуры тормозная система (SHC стали = 450 Дж / кг o C)

∆E = m x c x ∆T

∆T = ∆E / (м x c) = 2.0 х 10 5 / (25 х 450) = 17,8 o С (3сф)

Следующие два вопроса посложнее и предполагают использование формул электричества: Расчет электроэнергии, P = IV

Удельная теплоемкость воды 4180 Дж / кг o C . Будьте осторожны со всеми блоками .

Q9 Небольшой электрический чайник подключен к сети переменного тока 240 В и использует ток 8.0 А.

Содержит 1,5 кг воды (~ 1,5 л, 1500 мл, 1500 см 3 ) при 20 o C.

(a) Рассчитайте мощность чайника и скорость передачи энергии.

P (Вт) = I (a) x V (п.д. в вольтах) = 8 х 240 = 1920 Вт = 1920 г. Дж / с

(б) Если чайник включен на 2.0 минут, сколько энергии передается в накопитель тепловой энергии вода?

P = 1920 Дж / с, передаваемая энергия = мощность x время = 1920 x 2 x 60 = 230400 Дж = 2.3 х 10 5 J

(c) Какой температуры будет горячая вода? тоже встать?

∆E = масса воды x SHC h3O x повышение температуры

∆E (Дж) = m (кг) x c (Дж / кгoC) x ∆T ( o C)

Перестановка: ∆T = ∆E / (м x SHC h3O )

∆T = 230400 / (1,5 x 4180) = 36.7 o С

Следовательно, температура через 2 минуты отопления 20 + 36,7 = 56,7 o С

(d) Сколько энергии нужно для подъема температура воды от 20 o C до 100 o C?

∆E = масса воды x SHC h3O x повышение температуры

∆E = 1,5 x 4180 x (100-20) = 5.016 x 10 5 Дж = 5,01 x 10 5 J (3 SF)

(e) Запуск с холодной водой при 20 o C, сколько времени нужно, чтобы вскипятить чайник в минутах и ​​секундах?

Какие предположения вы сделали для это расчет?

Мощность чайника 1920 Вт, то есть 1920 Дж / с, а необходимая энергия = 5,016 x 10 5 Дж

P = E / t, поэтому t = E / P = 5.016 х 10 5 / 1920 = 261,25 с.

Время закипания = 4 минуты 21 секунда (с точностью до секунды).

Этот расчет предполагает, что все электрическая энергия, преобразованная в тепловую, фактически увеличила накопитель тепловой энергии воды.

Однако вы всегда получите небольшой количество потраченной впустую тепловой энергии, передаваемой в накопитель тепловой энергии корпуса котла за счет теплопроводности, конвекции и излучения передача в накопитель тепловой энергии окружающего воздуха.

Q10

Цилиндр с горячей водой (погружной нагреватель) указан как имеющий емкость «120 литров воды» (120 кг воды).

Бак оборудован подогревателем мощностью 3 кВт. элемент отработки сетевого электричества 240 В.

(a) Сколько энергии необходимо для обогрева свежая холодная вода при температуре от 12 o C до температуры 70 o C?

∆E = масса воды x SHC h3O x повышение температуры

Необходимая энергия = 120 x 4180 x (70 - 12) = 29 092 800 Дж = 2.91 х 10 7 J (3 SF)

(b) Сколько времени потребуется, чтобы нагреть вода вверх? (с точностью до минуты)

P (Дж / с) = E (Дж) / т (с), 3000 = 29 092 800 / т

время = E / P = 29 092 800/3000 = 9697,6 секунды

9697,6 / 60 = 161,6. время требуется = 162 минуты (SF)

(c) Какой ток протекает через нагревательный элемент?

P = I x V, I = P / V = ​​3000 / 240 = 12.5 А

(г) Какое сопротивление нагрева элемент?

В = ИК, R = В / I = 240 / 12,5 = 19,2 Ом

(e) Если погружение было оснащено 6 кВт нагревательного элемента, как это повлияет на время нагрева воды до определенная температура?

Это вдвое больше мощности 3 кВт. нагревательный элемент.

P = E / t, t = E / P, для такое же количество воды и такое же повышение температуры, это приведет к берите половину времени по сравнению с обогревателем мощностью 3 кВт,

Q11

?


НАЧАЛО СТРАНИЦЫ и субиндекс для этой страницы


3 а. Как измерить удельную теплоемкость твердого вещества

В экспериментальная установка и установка для блока из твердого материала

Вы нужен блок материала известной массы, например 0.От 5 до 1,5 кг.

Значит, вам нужен весовой баланс.

Блок должен быть окружен хорошим слоем изоляции, чтобы минимизировать тепловые потери в окружающую среду. Полистирол был бы хорошим изолятором, потому что он преимущественно карманы газа CO 2 низкой плотности с низкой теплоемкостью (низкий запас тепловой энергии), но следите за тем, чтобы не перегреться и не размягчить полистирол! Могут подойти слои хлопка или газеты.

В блоке должно быть просверлено два отверстия - один для термометра и другой для нагревательного элемента.

Сделать дополнительную диаграмму с джоульметр?

Его массу необходимо точно измерить.

Нагревательный элемент включен последовательно с амперметром (для измерения силы тока I в амперах) и постоянным током. источник питания например 5-15 вольт. Вольтметр должен быть подключен параллельно через нагревательный элемент. элементные соединения.

Вам также понадобится секундомер или секундомер.

В эксперименте электрическая энергия равна передается и преобразуется в тепловую энергию, которая поглощается блоком, повышение его температуры и увеличение накопителя тепловой энергии .

электрический ток в цепи действительно воздействует на нагреватель и, таким образом, передает электрическая энергия от источника питания до нагревателей накопитель тепловой энергии который, в свою очередь, передается в накопитель энергии металлического блока и, следовательно, его повышается температура.

Процедура и измерения

Метод (i) одна серия измерений с использованием алюминиевого блока весом 0,50 кг

Включить ТЭН, выставив напряжение на например, 12 В (но для расчетов используйте точные показания цифрового вольтметра).

Когда кажется, что блок нагревается непрерывно запустите часы / секундомер и запишите температуру.

Запишите p.d. напряжение и ток в усилители с точным цифровым амперметром, оба показания которых должны быть постоянными на протяжении всего эксперимента.

После, например, 15 минут, запись финала температуры и проверьте показания напряжения и тока, а также поворот власти.

Когда блок остынет, можно повторить эксперимент.

Метод (ii) многократные измерения с использованием медного блока весом 1,1 кг

Другой подход - измерение температуры чтение каждую минуту в течение, например, 15 минут, когда кажется, что медный блок постоянно нагревается вверх. Показания напряжения и тока должны быть постоянными.

Это дает больше данных И более надежно результатов, чем метод (i), и устраняет несоответствия в температуре чтения.

Процедура такая же, как и в методе (i), НО снятие дополнительных показаний температуры между начальным и конечным термометром показания за более длительный период времени.

Я предположил те же ток и напряжение, однако предстоит еще много работы в расчетах!

Как рассчитать удельная теплоемкость твердого

Расчеты предполагают , что все электрическая энергия в конечном итоге увеличивает запас тепловой энергии металла блокировать.

На самом деле вы не можете избежать небольшой потери тепло через утеплитель.

Данные результатов и расчет для метода (i)

Масса, например, алюминиевого блока 500 г = 0,50 кг

Начальная температура 29,5 o C, конечная температура 38,5 o C, повышение температуры ∆T = 9,0 o С

Текущий 0.39А , п.д. 11,5В , время 15 минут = 15 x 60 = 900 с

Мощность P = ток x p.d. = I x V = 0,39 x 11,5 = 4,485 Вт = 4,485 Дж / с

, следовательно, общая электрическая энергия = тепло переданная энергия = P x время = 4,485 x 900 = 4036,5 Дж

(Примечание: вы можете провести эксперимент с Джоульметр , изначально установленный на нуле, поэтому в приведенных выше расчетах нет необходимости!)

переданной энергии = E (J) = m x c x ∆θ = масса Al (кг) x SHC Al (Дж / кг o C) x ∆T

4036.5 = 0,5 x SHC Al x 9,0 = SHC Al х 4,5

поэтому при перестановке SHC Al = 4036,5 / 4,5 = 897

Итак, удельная теплоемкость алюминия = 897 Дж / кг o C

Примечание , что этот метод полагается только на два показания температуры.

В экспериментах SHC вы можете включить в схема источника питания джоульметр для измерения передаваемой энергии, которая значительно упрощает расчет.Используя джоульметр, вам не понадобится вольтметр или амперметр.

переданная энергия = масса воды x удельная теплоемкость воды x повышение температуры

переданной энергии = E (Дж) = m x c x ∆θ = масса алюминия (кг) x SHC Al (Дж / кг o C) x ∆T

перестановка дает: SHC Al = ∆E / (масса Al x ∆T)

Пусть температура поднимется на хорошие 10 градусов и повторите эксперимент не менее двух раз, чтобы получить среднее значение - для самый точный результат.

Данные и расчет для метода (ii) много работы!

По показаниям напряжения (В) и тока (I) вы рассчитываете общую переданную энергию за все 15 минут считывания.

полная переданная энергия = P x t = I x V x t = ток (A) x p.d. (V) x время в секундах

Итак, у вас есть 15 полных переданных энергии. числа, непрерывно увеличивающиеся от 1 до 15 минут

Примем ток, напряжение как метод (i)

Я предполагаю, что термометр можно прочитать ближайший 0.5 o C как в обычной школе 0-100 o C термометр (более точный термометр, ртутный или цифровой показания до 0,1 o C) самое желанное!)

Следовательно, P = IV = 0,39 A x 11,5 В = 4,485 Дж / с, энергия передается в секунду.

Итак, через 1 минуту передачи энергии = 4,485 x 1 х 60 = ~ 269 Дж,

это окончательно увеличивается до 4,485 x 15 x 60 = ~ 4037 Дж

Время / мин 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Передаваемая энергия / Дж 0 269 538 807 1076 1346 1614 1884 2153 2422 2691 2960 3229 3498 3767 4037
Температура / o C 29.0 29,5 30,0 31,0 31,5 32,0 32,5 33,0 33,5 34,5 35,0 35,5 36,5 37,0 38,0 38,5

Ты затем постройте график зависимости температуры от энергии, передаваемой, например, из 29.5 o С до 38,5 o C. Предполагая, что показания температуры в лучшем случае ближайшая 0,5 o C, это делает «расчетные» данные более реалистичными И обоснование метода множественного чтения (ii).

Примечание к графику: блок не может нагреваться сначала стабильно, и вначале вы можете получить кривую вверх, но в конечном итоге график должен стать линейным, и именно здесь вы измеряете градиент.

Расчет

Масса меди = 1.10 кг, пусть c = SHC Cu

Уравнение удельной теплоемкости: E = m x c x ∆θ

переданная энергия = масса Cu x SHC Cu x изменение температуры

Перестановка ∆E = m x c x ∆θ дает ...

∆θ = E / (м x c) и ∆θ / ∆E = 1 / (м x c)

Это означает, что градиент графика = 1 / (м х в)

так, c = SHC Cu = 1 / (м x градиент)

Из графика градиент = (38 - 30) / (3800 - 500) = 8/3300 = 0.002424

следовательно, удельная теплоемкость меди = SHC Cu = 1 / (1,10 x 0,002424) = 1 / 0,002666 = 376 Дж / кг o C

Источники ошибки

Несмотря на хорошую изоляцию, система всегда будет терять небольшое количество запаса тепловой энергии, поскольку нагревается. Система должна быть хорошо изолирована, например, вата или пленка с пузырчатой ​​пленкой.

Всегда нужно повторять эксперименты, чтобы более уверены в своих данных, но вы всегда должны знать об источниках ошибок и как их минимизировать.

Тепловая энергия должна проводиться через блокировать и быть равномерно распределенными, я сомневаюсь, что это так, поэтому измеренные показания температуры могут отличаться от средней температуры всего блокировать.

Чем лучше теплопроводность твердого тела, Чем быстрее распространяется тепло, тем лучше результаты, поэтому алюминиевый или медный блок подойдет.

Результаты были бы не такими хорошими, если бы более бедный дирижер вроде конкретный?

Потери тепла трудно устранить, поэтому повышение температуры может быть немного меньше ожидаемого для идеальной изоляции, но вы всегда должны использовать изоляцию вокруг ВСЕХ поверхности блок для этого эксперимента с удельной теплоемкостью.

Расширение эксперимента

Можно повторить для любого подходящего материала в сплошная блочная форма.

Вы также можете положить другие материалы в контейнер из полистирола. например песок, земля и т. д.

Блок и изоляцию можно поменять на изолирующий стакан из полистирола, заполненный жидкостью известной массы.

Потребуется крышка с двумя отверстиями для нагревательного элемента и точного термометра.

Процедуры и расчеты будут такими же, как определить удельную теплоемкость жидкости.


НАЧАЛО СТРАНИЦЫ и субиндекс для этой страницы


3b. Измерение удельная теплоемкость жидкости, такой как вода

Вы можете использовать аналогичную настройку описанный выше для измерения SHC сплошного блока.

Вместо блока можно использовать стакан из пенополистирола (хороший утеплитель) с крышкой.

Отмерьте массу жидкости в чашка из полистирола = масса чашки + жидкость - масса пустой чашки (измеренная на баланс массы).

Для удобства можно использовать воду.

Поместите чашку в изотермический ящик или стакан.

Двойная теплоизоляция необходимо для минимизации потерь тепловой энергии в окружающую среду.

Сделать дополнительную диаграмму с джоульметр?

Процедура идентична той описан для твердого тела.

В экспериментах SHC вы можете включить в схема источника питания джоульметр для измерения передаваемой энергии, которая значительно упрощает расчет.

При использовании джоульметра вам не нужно вольтметр и амперметр плюс дополнительный расчет.

переданная энергия = масса воды x удельная теплоемкость воды x повышение температуры

переданной энергии = E (Дж) = m x c x ∆θ = масса воды (кг) x SHC h3O (Дж / кг o C) x ∆T

перестановка дает: SHC h3O = ∆E / (масса воды x ∆T)

Пусть температура поднимется на хорошие 10 градусов и повторите эксперимент не менее двух раз, чтобы получить среднее значение - для самый точный результат.

Если у вас нет джоулеметра, то, как в схему, снимите измерения с вольтметра и амперметра.

Использование уравнения: полная переданная энергия (J) = P x t = I x V x t = ток (A) x p.d. (V) x время в секундах


НАЧАЛО СТРАНИЦЫ и субиндекс для этой страницы


3c. Измерение теплоемкости твердого тела косвенным методом (A)

(Процедуры (iv) (A) и (iv) (B) относятся к расчету Q5 в приведенном выше наборе вопросов по удельной теплоемкости)

Этот метод основан на передаче между накопителем тепловой энергии латунного груза и накопителем тепловой энергии воды.

Иллюстрация процедуры A

Метод (процедура A)

Латунная гиря точно взвешивается и помещен в стакан с ледяной водой (водопроводная вода плюс куски льда)

Это осталось на некоторое время и время от времени помешивая, пока латунная гиря не достигнет той же температуры, что и вода.

В стакан навевают 250 г воды и нагревают примерно до 80 o C (кипятить не нужно, увеличивается опасность).

После легкого перемешивания температура берется теплая вода (Т2) непосредственно перед переносом.

Температура (T1) ледяной воды также взят непосредственно перед переносом латунной гири из ледяной воды в теплой водой с помощью щипцов или тонкой проволоки и петли.

После переноса холодной латунной гири в теплую воду, дайте время для теплопередачи в латунь вес до завершения и после легкого перемешивания считайте конечную температуру (T3)

Результаты и расчет (A)

Типичные результаты:

Масса латунной гирьки 200 г (0.200 кг), масса воды 250 г (0,250 кг), SHC воды = 4180 Дж / кг o C

Начальная температура ледяной воды Т1 = 0,5 o C

Начальная температура теплой воды (T2) = 79,5 o C

Конечная температура воды / латуни в 2-й стакан (T3) = 74,0 o C (более холодный, поскольку вес латуни поглощает тепло)

E = Передача тепловой энергии на латунную гирю = Передача тепловой энергии от вода (все в J)

E = м х с х ∆Т = 0.200 x SHC латунь x (T3 - T1) = 0,250 x 4180 x (Т2 - Т3) = 5747,5

E = 0,200 x SHC латунь x (74,0 - 0,5) = 0,250 x 4180 x (79,5 - 74,0) = 5747,5

0,20 x SHC латунь x 73,5 = 5747,5

14,7 x SHC латунь = 5747,5

SHC латунь = 5747,5 / 14,7 = 391 Дж / кг o C (3 SF)

Улучшения и источники ошибок (A)

(i) Не могу быть уверенным, что латунная гиря полностью остыла до ~ 0 o C (T1).

(ii) Горячая вода в химическом стакане все время теряя тепло, давая больший охлаждающий эффект, чем просто от латунный груз - возможно, лучше использовать более низкую температуру запуска в второй стакан, например 40-50 o C.


НАЧАЛО СТРАНИЦЫ и субиндекс для этой страницы


3c. продолжение: Альтернативная процедура, но аналогичная методика (B)

Иллюстрация процедуры B

Метод (процедура B)

Вы можете провести эксперимент, аналогичный (A), положить латунную гирю в горячую воду, чтобы некоторые нагрели до ~ 80-90 o C.

Вы можете нагреть воду прямо в химическом стакане, чтобы ~ 80-90 o С.

Подождите, пока латунная гиря нагреется вверх.

После осторожного легкого перемешивания измерьте начальная температура латунной гири (T1, ~ 90 o C) в горячем вода.

Измерьте начальную температуру холодная вода во 2-м стакане (T2, ~ 20 o C)

Поднимите латунный груз щипцами или тонкая проволока и петля и переложите его в стакан с водой комнатной температуры.

Дайте время для накопления тепловой энергии переводы должны иметь место.

После осторожного легкого перемешивания измерьте конечная температура латунной массы / воды (Т3) в «подогретой» воде.

Затем вы можете выполнить аналогичный расчет, как выше например

Результаты и расчет (B)

Типичные результаты:

Масса латунная гиря 200 г (0,200 кг), масса воды 250 г (0.250 кг), SHC вода = 4180 Дж / кг o C

Начальная температура нагретой воды / латуни масса (T1) = 85,0 o C

Начальная температура холодной воды (T2) = 20,5 o ° C

Конечная температура воды / латуни во 2-м стакан (T3) = 24,9 o C

E = Передача тепловой энергии от горячего латунного груза = Передача тепловой энергии в вода (все в J)

E = м х с х ∆Т = 0.200 x SHC латунь x (T1 - T3) = 0,250 x 4180 x (T3 - Т2) =?

E = 0,200 x SHC латунь x (85,0 - 24,9) = 0,250 x 4180 x (24,9 - 20,5) = 4598

0,20 x SHC латунь x 60,1 = 4598

12,02 x SHC латунь = 4598

SHC латунь = 4598 / 12,02 = 383 Дж / кг o C (3 SF)

Усовершенствования и источники ошибок (B)

(i) Не могу быть уверенным, что латунная масса полностью прогрелась до ~ 80-90 o C (T1)

(ii) Не совсем уверен, что термический передача энергии от горячей латунной гири к воде завершена - если ее оставить слишком долго второй стакан с водой начнет остывать изменение температуры, чем следует измерять.

(iii) Стакан впитывает часть дополнительная тепловая энергия передается в накопитель тепловой энергии воды.


НАЧАЛО СТРАНИЦЫ и субиндекс для этой страницы


4 . Применение данных теплоемкости - примеры систем хранения тепловой энергии

Чем больше теплоемкость материала, тем больше тепловой энергии он может удерживать для данной массы материала.

Это означает, что высокая температура материалы емкости могут накапливать много энергии при нагревании и затем выделять много, если остыть. Другими словами, материалы с высокой удельной теплоемкостью емкости хороши для хранения тепловой энергии - хороший материал для теплового накопитель энергии.

Материалы, используемые в нагреватели / системы отопления, как правило, имеют высокую удельную теплоемкость, например, вода (SHC H 2 O = 4180 Дж / кг o C, очень высокая) используется в системах центрального отопления. и легко прокачивается вокруг дома, чтобы распределить много тепла там, где это необходимо, отличный "мобильный" накопитель тепловой энергии.

Вода также используется в качестве охлаждающей жидкости в автомобильные двигатели, потому что они могут поглощать много тепловой энергии для заданного повышение температуры. Запас тепловой энергии блока цилиндров составляет снижается и увеличивается запас тепловой энергии воды. Тепловой энергия в воде затем передается в окружающий воздух, чтобы увеличить запас тепловой энергии за счет решетки радиатора.

Старая добрая горячая вода Бутылка - приятный и удобный накопитель тепловой энергии для разогрева кровати.

Бетон (SHC 750-960 Дж / кг o C, довольно высокая) используется в обогревателях ночного хранения (с использованием дешевых ночных электричество).

Чем больше масса бетона, тем больше его повышение температуры (безопасно!), тем больше его способность хранить тепловая энергия, которая будет передана в дом в дневное время ..

маслонаполненный нагреватели используются для небольшого хранения тепла (масло SHC = 900 Дж / кг o C, не как вода), но будет конвектировать в масляном радиаторе и постепенно высвобождать высокая температура.

Археологическая записка !

Доисторический человек изучил тысячи лет назад этот горячий камень сохранял много тепловой энергии .

Теплоемкость натурального камня составляет обычно около 840 Дж / кг o C.

Большие камни нагревали в огне и упал в кастрюли из камня, как показано ниже.

Тепло от накопителя тепловой энергии г. камень увеличивает запас тепловой энергии более холодной воды, поэтому кипение воду и готовящуюся пищу, например мясо, помещают в наполненную водой поилку.

Это может показаться грубым, но кастрюли из латуни. были предметом роскоши для многих доисторических людей!

Эта каменная корыто находится рядом с Круг из камня бронзового века (показан ниже) в Дромбеге, Корк, Ирландия.

Несколько из них были построены на этом участок и питается и связан отводным ручьем.

Их можно найти по всей Ирландии и в Великобритании и, предположительно, в континентальной Европе.

Индейцы коренных народов Америки также использовали та же техника, бросая горячие камни в деревянную миску с едой и водой.


  • Проверьте свой практическая работа, которую вы выполняли, или демонстрации учителей, которые вы наблюдали в Модуле P1.1, все это является частью хорошей проверки для вашего Модуль экзаменационного контекста задает вопросы и помогает понять, «как работает наука».

    • Прохождение белого света через призма и обнаружение инфракрасного излучения с помощью термометра.

    • Демонстрация использования мячей в лоток для демонстрации поведения частиц в веществах в разных состояниях то есть газ, жидкость и твердое тело.

    • Измерение охлаждающего эффекта образуется в результате испарения путем наложения влажной ваты на луковицу термометр или датчик температуры.

    • Спланировать и провести исследование факторов, влияющих на скорость охлаждения банки с вода, например форма, объем и цвет банки с помощью куба Лесли, чтобы продемонстрировать влияние на излучение изменения характера поверхности.

    • Исследование теплопроводности с использованием стержней из разных материалов.


      НАЧАЛО СТРАНИЦЫ и субиндекс для этой страницы

Версия IGCSE отмечает удельную теплоемкость KS4 физика Научные заметки о удельной теплоемкости теплоемкость GCSE руководство по физике примечания по удельной теплоемкости для школ, колледжей, академий, учебных курсов, репетиторов изображений рисунки диаграммы для уточнения науки удельной теплоемкости примечания на удельная теплоемкость для пересмотра модулей физики примечания по темам физики, чтобы помочь в понимании университетские курсы по удельной теплоемкости по техническим наукам карьера в области физики вакансии в отрасли технический лаборант стажировки технические стажировки по инженерной физике США 8 класс 9 класс 10 AQA физика GCSE заметки по удельной теплоемкости Научные заметки Edexcel по физике удельная теплоемкость для OCR 21 век физика наука OCR GCSE Gateway физика наука отмечает WJEC gcse science CCEA / CEA научный эксперимент gcse для определить удельную теплоемкость


НАЧАЛО СТРАНИЦЫ и субиндекс для этой страницы

Как рассчитать удельную теплоемкость различных веществ - стенограмма видео и урока

Разница между теплом и температурой

Давайте рассмотрим пример, который поможет нам понять разницу между теплом и температурой.Рассмотрим два стакана с кипящей водой по 1 литру в одном и 2 литра в другом. Если оба кипят, у них одинаковая температура. Видите ли, температура определяется как среднее количество кинетической энергии в веществе, где кинетическая энергия - это энергия движения. Молекулы в каждом горшке имеют одинаковую среднюю энергию движения или среднее количество кинетической энергии. Другими словами, молекулы воды в каждом горшке движутся с одинаковой скоростью. Температура измеряется в градусах Цельсия, Фаренгейта или даже Кельвина.

Две емкости с кипящей водой будут иметь одинаковую температуру, независимо от их объема.

Однако два литра кипящей воды содержат больше тепла, чем один литр кипящей воды, даже если они имеют одинаковую температуру. В контексте удельной теплоемкости тепла - это общее количество энергии в веществе, а тепло иногда называют тепловой энергией, где энергия - это способность выполнять работу.В научном сообществе энергия измеряется в джоулях, но также может быть выражена в калориях.

Хотя тепло и температура - разные меры, они, безусловно, связаны. Температура увеличивается по мере добавления тепла к веществу. Точно так же температура снижается по мере удаления тепла.

Как рассчитать удельную теплоемкость

Давайте проведем небольшой эксперимент. Все, что нам нужно, - это стакан с водой, термометр и источник питания, вырабатывающий тепло. Блок питания будет измерять количество тепла, которое мы добавляем в воду.Допустим, мы нагревали 10 мл (10 граммов) воды на 10 градусов по Цельсию. При этом блок питания регистрирует 420 джоулей. Это означает, что потребовалось 420 джоулей тепловой энергии, чтобы поднять 10 граммов воды на 10 градусов по Цельсию.

Мы можем использовать эту информацию для расчета удельной теплоемкости воды. Все, что нам нужно, - это выяснить, сколько тепла требуется для повышения температуры одного грамма воды на один градус Цельсия.

Уравнение удельной теплоемкости выглядит следующим образом:

S.H.C. = Тепловая энергия / (масса вещества * изменение температуры)

Уравнение гласит: «Удельная теплоемкость равна тепловой энергии на грамм на градус Цельсия».

Теперь, если мы вставим наши результаты, мы получим следующее:

S.H.C. = 420 джоулей / (10 граммов * 10 градусов Цельсия) = 4,2 джоулей на грамм на градус Цельсия

Что это означает? Это означает, что требуется 4,2 джоулей тепловой энергии, чтобы поднять один грамм воды на один градус Цельсия. Чтобы упростить запоминание, давайте переведем джоули в калории.Помните, что оба являются единицами измерения энергии. В 1 калории 4,2 джоуля. Следовательно, мы можем сказать, что удельная теплоемкость воды составляет 1 калорию на грамм на градус Цельсия. Это довольно легко запомнить!

Если мы проделаем тот же эксперимент с алкоголем, потребуется 255 джоулей, чтобы поднять 10 граммов на 10 градусов по Цельсию. Таким образом, удельная теплоемкость спирта составляет 2,55 джоулей / грамм / градус Цельсия. Насколько это аккуратно? Это довольно здорово!

Применение удельной теплоемкости

Эта диаграмма ранжирует удельную теплоемкость веществ, причем вода имеет самую высокую удельную теплоемкость.

Как я уже упоминал в первом абзаце, не все вещества имеют одинаковую удельную теплоемкость. На самом деле удельная теплоемкость воды довольно высока. Удельная теплоемкость спирта примерно вдвое меньше, чем у воды - мы рассчитали это в приведенном выше примере. Удельная теплоемкость воздуха меньше, чем у спирта. Еще ниже камни и металлы. Ну как нам вся эта информация помогает?

Проще говоря, жизнь на этой планете была бы невозможна, если бы не высокая удельная теплоемкость воды.Материалы с высокой удельной теплоемкостью, такие как вода, могут поглощать и выделять много тепла без значительного изменения температуры. Рассмотрим океан. Океан поглощает тепло днем ​​и выделяет тепло ночью, что помогает нам поддерживать относительно постоянную температуру атмосферы. Вот почему прибрежные регионы имеют умеренный климат по сравнению с большим количеством внутренних регионов. На более личном уровне наши тела содержат много воды - на самом деле, это в основном вода. Вода в нашем организме помогает поддерживать относительно постоянную внутреннюю температуру, и это необходимо нам для поддержания жизни.

Резюме урока

Итак, удельная теплоемкость - это количество энергии, необходимое для изменения температуры вещества. Теперь, в этом контексте, тепла иногда называют тепловой энергией, и это полная энергия, содержащаяся в веществе. Энергия - это просто способность выполнять работу. Тепловая энергия, как и другие виды энергии, измеряется в джоулях (Дж) или калориях (кал).

Температура - это средняя кинетическая энергия вещества, выражаемая в градусах Цельсия, Фаренгейта или Кельвина.Температура вещества изменяется по мере добавления или отвода тепла от вещества.

Удельная теплоемкость измеряется путем определения того, сколько тепловой энергии необходимо, чтобы поднять один грамм вещества на один градус Цельсия. Удельная теплоемкость воды составляет 4,2 джоуля на грамм на градус Цельсия или 1 калорию на грамм на градус Цельсия. Эта высокая удельная теплоемкость воды позволяет воде поглощать и выделять много тепла и поддерживать довольно постоянную температуру.

Результаты обучения

По завершении этого урока вы сможете:

  • Определить удельную теплоемкость и энергию
  • Разница между теплом и температурой
  • Объясните, как рассчитать удельную теплоемкость
  • Обобщите важность воды, имеющей высокую удельную теплоемкость

Удельная теплоемкость воды и металлов: физическая лаборатория - стенограмма видео и урока

Шаги физической лаборатории

Для этой физической лаборатории вам понадобятся:

  • Кастрюля или что-то, что можно поставить на плиту
  • Плита или другой обогреватель, например горелка Бунзена
  • Металлический стержень (хороший твердый образец металла лучше, чем крошечный кусок)
  • Термометр
  • Стакан из пенополистирола или другой стакан с высокой изоляцией и крышкой (крышку можно вырезать из отдельного куска пенопласта)
  • Дополнительная изоляция для внешней стороны чашки (чем лучше изолирована чашка, тем лучше будут ваши данные)
  • Масштаб
  • Вода
  • Щипцы или что-нибудь, что можно использовать для безопасного захвата очень горячих предметов

Шаг 1: Используя весы, измерьте массу.Измерьте массу металла. Измерьте массу своей чашки. Наполнив стакан водой, отмерьте новую массу. Вычтите эту новую массу из исходной массы чашки, чтобы вычислить массу воды.

Шаг 2: Убедитесь, что изоляция чашки полностью установлена ​​и готова к работе.

Шаг 3: Налейте немного воды в кастрюлю (она отличается от воды в чашке). Добавьте кусок металла и нагрейте его на плите или над конфоркой Бунзена.

Шаг 4: Как только вода закипит, температура металла будет 100 ° C.Для большей точности проверьте точную температуру с помощью термометра и запишите ее.

Шаг 5: Используйте щипцы, достаньте металл из кипящей воды и поместите его в более холодную воду в изолированную чашку. Закройте крышку.

Шаг 6: После короткого ожидания опустите термометр в воду. Лучший способ сделать это - пробить отверстие в крышке, потому что таким образом будет уходить меньше тепла. Следите за температурой по термометру. Через некоторое время он должен замедлиться и выровняться.Как только он перестанет подниматься, запишите конечную температуру. (В конечном итоге он снова начнет снижаться, поэтому попытайтесь поймать максимальное значение, которое оно достигло.)

Если вы еще этого не сделали, теперь пора приостановить видео и начать. Удачи!

Анализ данных

Теперь давайте проанализируем ваши данные. В этом эксперименте тепло от металла передавалось в более холодную воду. В конце концов, они достигли равновесной температуры - равной температуры между двумя начальными температурами.Это было ваше последнее показание температуры.

Мы можем использовать эти данные вместе с уравнением, чтобы вычислить теплоемкость металла. Уравнение выглядит так:

Удельная теплоемкость

Тепло, добавленное к воде, равно теплу, отведенному от металла. Уравнение для передачи тепла при изменении температуры: mc-delta-T , где m - масса вещества, c - теплоемкость вещества, а delta-T - изменение температуры.Итак, масса воды, умноженная на теплоемкость воды, умноженную на изменение температуры воды, равна массе металла, умноженной на теплоемкость металла, умноженную на изменение температуры металла. Оказывается, мы знаем большинство этих значений из нашего эксперимента.

Масса воды, которую вы измерили и записали. Массу металла вы также измерили и записали. Теплоемкость жидкой воды составляет 4 187 - это стандартное значение, которое вы можете посмотреть. Изменение температуры воды - это всего лишь конечная температура за вычетом начальной температуры, которые вы измерили.И вы можете сделать то же самое с металлом - он начинался при 100 градусах Цельсия, потому что вода кипела. Конечная температура воды такая же, как конечная температура металла, потому что они достигли равновесия. Остается только одно неизвестное - теплоемкость металла. Таким образом, вы можете подставить свои числа в уравнение и решить, чтобы найти ответ.

Каким бы ни было ваше значение, оно должно быть намного меньше 4 187. Теплоемкость металлов намного ниже, чем у воды.Это означает, что металлам требуется гораздо меньше энергии для их нагрева. Они отличные проводники тепла.

Резюме урока

Удельная теплоемкость или, точнее, удельная теплоемкость - это мера того, сколько энергии требуется для повышения температуры 1 килограмма вещества на 1 градус Цельсия (или Кельвина). Например, 4 187 - это удельная теплоемкость жидкой воды, и это означает, что для повышения температуры 1 килограмма воды на 1 градус требуется 4 187 Джоулей энергии.

В сегодняшней лаборатории мы рассчитали удельную теплоемкость металла и обнаружили, что она намного ниже, чем 4 187 единиц воды. Это показывает, что металлы гораздо лучше проводят тепло, чем вода.

Результаты обучения

По завершении этого урока вы должны уметь:

  • Определить удельную теплоемкость
  • Определите удельную теплоемкость жидкой воды
  • Опишите эксперимент, который позволяет рассчитать удельную теплоемкость металла
  • Объясните, почему удельная теплоемкость металла намного ниже, чем у воды

223 Физическая лаборатория: удельная и скрытая тепло

223 и 224 Обзор лаборатории | Вернуться в лабораторию Physics 223


Назначение

Цель этого лабораторного эксперимента - измерить удельную теплоемкость вместимость образцов металла неизвестного происхождения, а также для определения скрытая теплота плавления воды.В Кроме того, мы изучим эффективность различных калориметров.



Фон

Когда энергия в форме нагревает , , добавляется к материалу, температура материала поднимается. Обратите внимание, что температура в градусах Цельсия (° C) или Кельвина (К), является мерой насколько горячее или холодное вещество, а нагревает в единицах джоулей (Дж) или калорий (cal), является мерой его термического энергия.1кал = 4,19Дж.

Мера эффективности, с которой вещество может накапливать эту тепловую энергию. известна как удельная теплоемкость или просто удельная теплоемкость , . Чем выше удельная теплоемкость материала, тем больше энергии необходимо добавить к изменить его температуру. Например, удельная теплоемкость воды задается как , Это означает, что 1,00 калории тепла необходимо, чтобы поднять один грамм воды. один градус Цельсия или 4190 джоулей тепла необходимо, чтобы поднять один килограмм воды один Кельвин.Приведены значения удельной теплоемкости для различных других материалов. в Таблице 1 ниже.

Тепло, необходимое для изменения температуры, , в материале массы, , дается уравнением

(1)

куда - удельная теплоемкость этого материала. Как обычно, изменение температуры вещества - разница между его конечной и начальной температурами, .

Таблица 1
Значения удельной и скрытой теплоты
Удельная теплоемкость Скрытая теплота плавления
Материал (кал / г ° C) (Дж / кг · К) (кал / г) (Дж / кг)
Алюминий 0.215 900 94,5 3.96x10 5
Медь 0,092 385 49,0 2.05x10 5
Железо 0.107 448 63,7 2,67 x 10 5
Вести 0,031 130 5.5 0,23х10 5
Латунь 0.092 385 Неизвестный Неизвестный
Магний 0,245 1030 88,0 3,7х10 5
Цинк 0.093 390 27,0 1,1х10 ​​ 5
Пенополистирол 0,27 1131 Неизвестный Неизвестный
Воздуха 0.240 1006 N / A N / A
Вода 1.000 4190 N / A N / A
Лед 0,500 2095 79.7 3,34x10 5


Когда два тела с разной температурой соприкасаются друг с другом. во-вторых, между телами передается тепловая энергия. Возьмем, например, поместите кусок горячего металла в емкость с прохладной водой. По опыту мы Знайте, что со временем металлический образец станет холоднее, а вода и его контейнер станут теплее, пока не достигнет равновесной температуры достигается.Другими словами, согласно закону сохранения энергии общая тепловая энергия потеряна металлом - общая тепловая энергия получена у воды и емкости:

(2)

Отрицательный знак используется для сохранения нашего соглашения о знаках тепла; мы установили горячая сторона должна быть отрицательной, потому что энергия покидает горячий образец.Уравнение 2 верно, если тепло не обменивается с окружающей средой. и , если ни один из материалов не претерпевает фазового перехода .

Чтобы изолировать этот эксперимент от окружающей среды, мы будем использовать два типа калориметры : простая чашка из пенополистирола (Рисунок 3 ниже) и другие традиционный деревянный калориметр с алюминиевой чашкой (Рисунок 4 ниже). Вы определите эффективность обоих этих калориметров в этом эксперименте.

Если материалы претерпевают фазовый переход, как показано выше изображения, мы можем не использовать Уравнение 2. Если фазовый переход происходит, например, при плавлении или кипении, внутренняя энергия материала изменяется, а его температура - нет. Поскольку это изменение энергии не влияет на температуру материала, мы называем это тепло скрытым или «скрытым» теплом . в случай, когда твердое тело превращается в жидкость (плавление), мы называем скрытая теплота плавления , , который определяется как количество тепла, необходимое для изменения одного грамм твердого вещества в жидкость без изменения температуры.Обратите внимание, что скрытый Теплота плавления буквально означает «скрытое тепло, вызывающее плавление».

Тепло, необходимое для полного расплавления данной массы, , вещества дается как

(3)

В Задаче 3 этого эксперимента вы должны определить скрытую теплоту плавления. льда, . Здесь вы добавите кубики льда в водяная баня комнатной температуры.Тепло снимается с водяной бани, чтобы растопить лед и нагревают талая ледяная вода до равновесной температуры . Опять же из энергии аргументы сохранения мы можем написать

(4)

Обратите внимание, что в каждом эксперименте начальные температуры каждого материала отличается, они имеют одинаковую конечную температуру.

Распространенный и простой метод проверки результатов калориметрии - это рассчитайте плотность вашего материала. Если у вас возникли проблемы с определением идентичность вашего материала на основе их удельной теплоемкости, часто раз быстрое измерение плотности может помочь вам определить, какой металл у вас в владение. Значения плотности некоторых распространенных материалов приведены в таблице 2. ниже.

Таблица 2
Плотность различных материалов
Материал г / см 3
Алюминий 2.7
Медь 8,96
Железо 7,87
Вести 11,3
Латунь 8,4
Магний 1.74
Цинк 7,14
Вести 11,3
Вода 1,00
Лед 0,917


Цели

Перед экспериментом получить два образца из металла и поместите их обоих в баню с горячей водой.Подождите, пока образцы достичь равновесной температуры.

  1. Возьмите один из ваших металлических образцов, используйте деревянный калориметр и определить удельную теплоемкость, , металлического образца и удостоверьтесь в идентичности металлического образца. Обратите внимание, что чаша калориметра изготовлена ​​из алюминия.
  2. Используйте другой образец металла, чтобы определить, есть ли стакан из пенополистирола. является разумной заменой деревянному калориметру.Когда используя чашку из пенополистирола, вы можете Предположим, что стакан из пенополистирола не теряет и не получает тепла. То есть можно предположить знак равно пока = 0, и поэтому тепло в чашку не передается. Есть ли способ определить, действительно ли это предположение?
  3. Возьмите у инструктора небольшое количество льда и используйте пенополистирол. чашка в качестве калориметра для определения скрытой теплоты плавления льда, .
  4. Используйте аргументы плотности, чтобы проверить идентичность образца металла.


Оборудование и установка
  • (Рисунок 1.) Два металлических образца. Вашей лабораторной группе понадобится две части или образца для этого эксперимента.
  • (Рисунок 2) Металлические образцы нагревают в водяная баня, показанная здесь.Аппарат включает в себя контейнер из нержавеющей стали и плита. Стеклянный термометр используется для контроля температуры водяной бани. Стержень и зажим используются чтобы удерживать термометр на месте. (См. Примечание ниже!)
  • (Рис. 3.) Калориметр из пенополистирола.
  • (Рисунок 4.) Типичный деревянный калориметр. Металлическая чашка изготовлена ​​из алюминия.
  • (Рисунок 5.) Компьютерный интерфейс Vernier и температура нержавеющей стали зонд. Зонд полезен для точного мониторинга температура воды, содержащейся в калориметре.
  • (Рисунок 6.) Снимок экрана программы «Термометр», расположенной в папке 223 Lab Programs на рабочем столе компьютера. Увидеть Раздел "Советы и предостережения" ниже, чтобы узнать, как импортировать снимки экрана в отчет лаборатории.
  • (Рисунок 7.) Весы с тремя балками.
  • (Рисунок 8.) Надевайте защитную насадку от горячих рук при работе. горячий контейнер из нержавеющей стали.
  • Лед
  • Бумажные полотенца
  • Маленькая мензурка
  • Штангенциркуль с нониусом
[Для увеличения нажмите на картинки.]


Советы и предостережения
  1. Осторожно !!! Конфорка, емкость из нержавеющей стали и металлические образцы, скорее всего, будут очень горячими. Обращаться осторожно.
  2. Внимание !!! При определении плотности ваших металлов, позвольте вашему образцу остыть! Не трогайте горячие слитки!
  3. Внимание !!! Не кладите книги, бумаги или другие легковоспламеняющиеся материалы рядом с конфорками!
  4. Внимание !!! При использовании зажима для фиксации стеклянного термометра, соблюдайте осторожность при затягивании зажима, чтобы термометр не сломался.
  5. Эта лабораторная работа может оказаться очень утомительной и, возможно, придется повторить несколько раз. раз, если не продумать шаги заранее. Осторожно спланируйте свою экспериментальную процедуру. Кроме того, выполняйте все свои расчеты в лаборатория перед тем, как отправиться домой.
  6. Программное обеспечение для этой лаборатории находится на рабочем столе лабораторного компьютера. в папке Lab Programs .
  7. Точность датчика температуры определяется как ± 0.2 ° C при 0 ° C и ± 0,5 ° C при 100 ° C.
  8. Программное обеспечение температуры запрограммировано на запись данных только для 400 с (~ 6,5 минут). Пока достаточно времени, чтобы настроить калориметр. показания, убедитесь, что вы поместили образцы металла в калориметр. имея достаточно времени для проведения необходимых измерений.
  9. При использовании программного обеспечения Logger Pro вы можете легко проверить значение каждой точки данных с помощью мыши, выбрав Анализировать , а затем Изучите в строке меню программы.
  10. Вы можете включить снимок экрана изображение температуры измерения в вашей лабораторной записи. Для этого с изображением на экрана, нажмите кнопку Print Screen на клавиатуре. Это будет поместите снимок экрана в память. Затем откройте приложение Paint . с рабочего стола компьютера и Вставьте изображение. Краска очень простая приложение, но вы можете изменить размер изображения с помощью Команда Sketch / Skew из меню Image.Для достижения наилучших результатов сохраните изображение в формате GIF . Затем изображение можно вставить в текстовый документ.
  11. Из-за различных термических свойств пенополистирола можно предположить, что калориметр с чашкой из пенополистирола ни в каком виде не поглощает и не теряет тепло экспериментов. Это верное предположение?
  12. Обязательно выключите конфорку , когда эксперимент будет завершен!


Онлайн-поддержка
  1. Сравнить с рыночная цена из нескольких металлов
  2. Использование штангенциркуля
  3. Clemson Physics Lab Tutorials


Шаблон лабораторного отчета

Каждая лабораторная группа должна скачать шаблон лабораторного отчета и заполните соответствующую информацию при выполнении эксперимента .Каждый человек в группе следует распечатать раздел Вопросы и ответить на них индивидуально. Поскольку каждая лабораторная группа сдает электронную копию лабораторного отчета, не забудьте переименовать файл шаблона лабораторного отчета. Соглашение об именах: следует:

[Номер таблицы] [Краткое название эксперимента] .doc.

Например группа в лаборатории таблица № 5, работающая над экспериментом с законом идеального газа, переименовала бы свой файл шаблона как "5 Закон о газе.doc ".



Nudge Questions

Эти Nudge Questions предназначены для ваша группа ответит, и ваш TA будет проверять, как вы делаете это в лаборатории . Они должны быть даны ответы в вашей лабораторной тетради.

Общие подталкивания

  1. Тщательно продумайте все шаги для достижения этих целей. Какая у тебя экспериментальная процедура для каждого?
  2. Когда вы начнете измерения температуры калориметром ванна?
  3. Следует ли перемешивать водяную баню калориметра во время эксперимента? Следует ли его постоянно помешивать? Почему или почему нет?
  4. Какова погрешность температуры калориметрической бани? Это, какова точность датчика температуры?
  5. Какова погрешность измерения массы?
  6. Каковы основные источники ошибок этих экспериментов? Как эти ошибки уменьшить?
Смещение цели 1 и 2
  1. Какие величины необходимо измерить для этой цели?
  2. Какие уравнения вы будете использовать для этой цели?
  3. Какова погрешность температуры водяной бани? Воспоминание, температура водяной бани измеряется стеклянным термометром.
  4. Как измеряется начальная температура металлических образцов? Что шаги, которые вы предприняли, чтобы убедиться, что это действительное измерение?
  5. Сколько воды вы добавите в калориметр перед тем, как образец металла вставлен? Какие факторы влияют на ваше решение?
  6. Когда вы начнете измерения температуры калориметром ванна?
  7. Как уменьшить экспериментальную ошибку при переносе образец горячего металла в калориметр?
  8. Как вы узнаете, когда прекратить сбор данных для этой цели?
  9. Если термометр или датчик температуры касается металлического образца или металлический контейнер, как это повлияет на измерения температуры, если вообще?
  10. Как определяется для каждого материала в этой цели?
  11. Какая неопределенность измерения?
  12. Когда Задача 1 будет выполнена, если вы вернете металлический образец в баня с горячей водой? Почему или почему нет?
Цель 3 подталкивает
  1. Какие величины необходимо измерить для этой цели?
  2. Какие уравнения вы будете использовать для этой цели?
  3. Сколько воды вы добавите в калориметр, прежде чем лед будет вставлен? Лучше больше, чем меньше?
  4. Когда вы начнете измерения температуры калориметром ванна?
  5. Сколько льда вы будете использовать? Лучше больше, чем меньше? Какие факторы войти в свое решение?
  6. Как вы узнаете, когда прекратить сбор данных для этой цели?
  7. Как определяется для каждого материала в этой цели?
  8. Какая неопределенность измерения?
Цель 4 подталкивает
  1. Как вы определили плотность вашего металла?


Вопросы

Эти вопросы также можно найти в шаблоне описания лабораторной работы.На них должен ответить каждый человек в группе. Это не командная деятельность. Каждый человек должен приложите их собственную копию к лабораторному отчету непосредственно перед передачей лаборатории в ваш TA.

  1. Какой калориметр лучше: традиционный деревянный или чашка из пенополистирола? Обоснуйте свои рассуждения.
  2. Из материалов, перечисленных в Таблице 1, лучший выбор для хранения солнечной тепловой энергии, улавливаемой солнечными элементами? Почему?
  3. В чем преимущества кофейных чашек из пенополистирола перед алюминиевыми?
  4. В Задаче 2 мы предположили, что калориметр из пенополистирола не теряет тепла.Было ли это верным предположением? Обоснуйте свой вывод.
  5. Используйте тот факт, что (удельная теплоемкость воды) велика, чтобы помочь объяснить роль, которую океаны влияют на мировой климат.
  6. Почему для приготовления пищи часто используются кастрюли с медным дном и алюминиевыми стенками? Возможно, вам придется учитывать удельную температуру, плотность и цену металлов. за фунт.


TA Примечания
  • Сообщите ученикам, что если веревка упадет в ванну с горячей водой что вы, ТА, удалите его.
  • Не допускайте намокания штангенциркуля.
  • Когда закончите, ученики должны повторно привязать датчик температуры кабель. Не теряйте завязки.
  • Штангенциркули, термометры и датчики температуры должны храниться на столе ТА и возвращаться в конце каждой лабораторной работы. период.
  • Группам может быть полезно представить свои температурные данные во время устных презентаций.Это даст другим группам возможность указать очевидные ошибки: слишком поздно начинать сбор данных; конец слишком ранний процесс сбора данных; касаясь горячих слитков датчик температуры и т. д.
  • Вы можете пожелать, чтобы студенты проанализировали эти два снимка экрана с температурой. для оценки викторины или части устной презентации. Они должны уметь обсуждать ошибки, допущенные экспериментаторами. Викторина №1 | Викторина # 2


Данные, результаты и графики

Ответы на вопросы

CUPOL Эксперименты

Учебник Вернье.



Если у вас есть вопрос или комментарий, отправьте электронное письмо в Lab Coordiantor: Джерри Хестер 223 и 224 Обзор лаборатории | Вернуться в лабораторию Physics 223

11.2 Тепло, удельная теплоемкость и теплопередача - физика

Теплообмен, удельная теплоемкость и теплоемкость

В предыдущем разделе мы узнали, что температура пропорциональна средней кинетической энергии атомов и молекул в веществе, и что средняя внутренняя кинетическая энергия вещества тем выше, чем выше температура вещества.

Если два объекта с разной температурой соприкасаются друг с другом, энергия передается от более горячего объекта (то есть объекта с более высокой температурой) к более холодному (с более низкой температурой) объекту, пока оба объекта не будут иметь одинаковую температуру. . При равенстве температур нетто-передачи тепла, поскольку количество тепла, передаваемого от одного объекта к другому, равно количеству возвращенного тепла. Одним из основных эффектов теплопередачи является изменение температуры: нагревание увеличивает температуру, а охлаждение снижает ее.Эксперименты показывают, что тепло, передаваемое веществу или от него, зависит от трех факторов: изменения температуры вещества, массы вещества и определенных физических свойств, связанных с фазой вещества.

Уравнение теплопередачи Q равно

Q = mcΔT, Q = mcΔT,

11,7

, где м - масса вещества, а Δ T - изменение его температуры в единицах Цельсия или Кельвина. Обозначение c обозначает удельную теплоемкость и зависит от материала и фазы.Удельная теплоемкость - это количество тепла, необходимое для изменения температуры 1,00 кг массы на 1,00 ºC. Удельная теплоемкость c - это свойство вещества; его единица СИ - Дж / (кг К) или Дж / (кг ° C ° C). Изменение температуры (ΔTΔT) одинаково в кельвинах и градусах Цельсия (но не в градусах Фаренгейта). Удельная теплоемкость тесно связана с понятием теплоемкости. Теплоемкость - это количество тепла, необходимое для изменения температуры вещества на 1,00 ° C ° C.В форме уравнения теплоемкость C равна C = mcC = mc, где m - масса, а c - удельная теплоемкость. Обратите внимание, что теплоемкость такая же, как и удельная теплоемкость, но без какой-либо зависимости от массы. Следовательно, два объекта, состоящие из одного и того же материала, но с разной массой, будут иметь разную теплоемкость. Это связано с тем, что теплоемкость - это свойство объекта, а удельная теплоемкость - это свойство любого объекта , изготовленного из того же материала.

Значения удельной теплоемкости необходимо искать в таблицах, потому что нет простого способа их вычислить.В таблице 11.2 приведены значения удельной теплоемкости для некоторых веществ в качестве справочной информации. Из этой таблицы видно, что удельная теплоемкость воды в пять раз больше, чем у стекла, а это означает, что для повышения температуры 1 кг воды требуется в пять раз больше тепла, чем для повышения температуры 1 кг стекла тем же самым способом. количество градусов.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL] [OL] [AL] Объясните, что эта формула работает только тогда, когда фаза вещества не меняется.Передача тепловой энергии, тепла и фазовый переход будут рассмотрены позже в этой главе.

Предупреждение о заблуждении

Единицы измерения удельной теплоемкости - Дж / (кг ° C⋅ ° C) и Дж / (кг K). Однако градусы Цельсия и Кельвина не всегда взаимозаменяемы. В формуле для удельной теплоемкости используется разница в температуре, а не абсолютная температура. Это причина того, что градусы Цельсия могут использоваться вместо Кельвина.

Вещества Удельная теплоемкость ( c )
Твердые вещества Дж / (кг ° C⋅ ° C)
Алюминий 900
Асбест 800
Бетон, гранит (средний) 840
Медь 387
Стекло 840
Золото 129
Тело человека (среднее) 3500
Лед (средний) 2090
Чугун, сталь 452
Свинец 128
Серебро 235
Дерево 1700
Жидкости
Бензол 1740
Этанол 2450
Глицерин 2410
Меркурий 139
Вода 4186
Газы (при постоянном давлении 1 атм)
Воздух (сухой) 1015
Аммиак 2190
Двуокись углерода 833
Азот 1040
Кислород 913
Пар 2020

Таблица 11.2 Удельная теплоемкость различных веществ.

Snap Lab

Изменение температуры земли и воды

Что нагревается быстрее, земля или вода? Вы ответите на этот вопрос, проведя измерения для изучения различий в удельной теплоемкости.

  • Открытое пламя. Соберите все распущенные волосы и одежду, прежде чем зажечь открытое пламя. Следуйте всем инструкциям своего учителя о том, как зажечь пламя. Никогда не оставляйте открытое пламя без присмотра. Знайте расположение противопожарного оборудования в лаборатории.
  • Песок или грунт
  • Вода
  • Духовка или нагревательная лампа
  • Две маленькие баночки
  • Два термометра

Инструкции

Процедура

  1. Поместите равные массы сухого песка (или почвы) и воды одинаковой температуры в две небольшие банки. (Средняя плотность почвы или песка примерно в 1,6 раза больше плотности воды, поэтому вы можете получить равные массы, используя на 50 процентов больше воды по объему.)
  2. Нагрейте оба вещества (с помощью духовки или нагревательной лампы) в течение одинакового времени.
  3. Запишите конечные температуры двух масс.
  4. Теперь доведите обе банки до одинаковой температуры, нагревая их в течение более длительного периода времени.
  5. Снимите банки с источника тепла и измеряйте их температуру каждые 5 минут в течение примерно 30 минут.

Контроль захвата

Потребовалось больше времени, чтобы нагреть воду или песок / почву до той же температуры? Какой образец остыл дольше? Что этот эксперимент говорит нам о том, как удельная теплоемкость воды по сравнению с удельной теплотой земли?

  1. Песок / почва нагревается и остывает дольше.Это говорит нам о том, что удельная теплоемкость земли больше, чем у воды.
  2. Песок / почва нагревается и остывает дольше. Это говорит нам о том, что удельная теплоемкость воды больше, чем у земли.
  3. Вода нагревается и остывает дольше. Это говорит нам о том, что удельная теплоемкость земли больше, чем у воды.
  4. Вода нагревается и остывает дольше. Это говорит нам о том, что удельная теплоемкость воды больше, чем у земли.

Проводимость, конвекция и излучение

При разнице температур происходит теплопередача. Передача тепла может происходить быстро, например, через сковороду, или медленно, например, через стенки изолированного холодильника.

Существует три различных метода теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Иногда все три могут происходить одновременно. См. Рисунок 11.3.

Рис. 11.3 В камине передача тепла происходит всеми тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.Излучение отвечает за большую часть тепла, передаваемого в комнату. Передача тепла также происходит через теплопроводность в комнату, но гораздо медленнее. Теплообмен за счет конвекции также происходит через холодный воздух, поступающий в комнату вокруг окон, и горячий воздух, покидающий комнату, поднимаясь вверх по дымоходу.

Проводимость - это передача тепла при прямом физическом контакте. Тепло, передаваемое между электрической горелкой плиты и дном сковороды, передается за счет теплопроводности. Иногда мы пытаемся контролировать теплопроводность, чтобы чувствовать себя более комфортно.Поскольку скорость теплопередачи у разных материалов разная, мы выбираем такие ткани, как толстый шерстяной свитер, которые зимой замедляют отвод тепла от нашего тела.

Когда вы идете босиком по ковру в гостиной, ваши ноги чувствуют себя относительно комфортно… пока вы не ступите на кафельный пол кухни. Поскольку ковер и кафельный пол имеют одинаковую температуру, почему один из них холоднее другого? Это объясняется разной скоростью теплопередачи: материал плитки отводит тепло от вашей кожи с большей скоростью, чем ковровое покрытие, что делает его на холоднее.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL] [OL] [AL] Спросите учащихся, какая сейчас температура в классе. Спросите их, все ли предметы в комнате имеют одинаковую температуру. Как только это будет установлено, попросите их положить руку на стол или на металлический предмет. Стало холоднее? Почему? Если их стол сделан из ламината Formica, то рука будет прохладно, потому что ламинат является хорошим проводником тепла и отводит тепло от руки, создавая ощущение «холода» из-за тепла, покидающего тело.

Некоторые материалы просто проводят тепловую энергию быстрее, чем другие. В общем, металлы (например, медь, алюминий, золото и серебро) являются хорошими проводниками тепла, тогда как такие материалы, как дерево, пластик и резина, плохо проводят тепло.

На рис. 11.4 показаны частицы (атомы или молекулы) в двух телах при разных температурах. (Средняя) кинетическая энергия частицы в горячем теле выше, чем в более холодном теле. Если две частицы сталкиваются, энергия передается от частицы с большей кинетической энергией к частице с меньшей кинетической энергией.Когда два тела находятся в контакте, происходит много столкновений частиц, что приводит к чистому потоку тепла от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Тепловой поток зависит от разности температур ΔT = Thot-TcoldΔT = Thot-Tcold. Таким образом, вы получите более сильный ожог от кипятка, чем от горячей воды из-под крана.

Рис. 11.4. Частицы в двух телах при разных температурах имеют разные средние кинетические энергии. Столкновения, происходящие на контактной поверхности, имеют тенденцию передавать энергию из высокотемпературных областей в низкотемпературные области.На этой иллюстрации частица в области более низких температур (правая сторона) имеет низкую кинетическую энергию перед столкновением, но ее кинетическая энергия увеличивается после столкновения с контактной поверхностью. Напротив, частица в области более высоких температур (слева) имеет большую кинетическую энергию до столкновения, но ее энергия уменьшается после столкновения с контактной поверхностью.

Конвекция - это передача тепла движением жидкости. Такой тип теплопередачи происходит, например, в котле, кипящем на плите, или во время грозы, когда горячий воздух поднимается к основанию облаков.

Советы для успеха

На обиходе термин жидкость обычно означает жидкость. Например, когда вы заболели и врач говорит вам «выпить жидкости», это означает только пить больше напитков, а не вдыхать больше воздуха. Однако в физике жидкость означает жидкость или газ . Жидкости движутся иначе, чем твердые тела, и даже имеют свой собственный раздел физики, известный как гидродинамика , который изучает их движение.

При повышении температуры жидкости они расширяются и становятся менее плотными.Например, на рис. 11.4 может быть изображена стенка воздушного шара с газами внутри воздушного шара с другой температурой, чем снаружи в окружающей среде. Более горячие и, следовательно, быстро движущиеся частицы газа внутри воздушного шара ударяются о поверхность с большей силой, чем более холодный воздух снаружи, вызывая расширение воздушного шара. Это уменьшение плотности по отношению к окружающей среде создает плавучесть (тенденцию к повышению). Конвекция обусловлена ​​плавучестью - горячий воздух поднимается вверх, потому что он менее плотен, чем окружающий воздух.

Иногда мы контролируем температуру своего дома или самих себя, контролируя движение воздуха. Герметизация дверей герметичным уплотнением защищает от холодного ветра зимой. Дом на рис. 11.5 и горшок с водой на плите на рис. 11.6 являются примерами конвекции и плавучести, созданными человеком. Океанские течения и крупномасштабная атмосферная циркуляция переносят энергию из одной части земного шара в другую и являются примерами естественной конвекции.

Рисунок 11.5 Воздух, нагретый так называемой гравитационной печью, расширяется и поднимается вверх, образуя конвективную петлю, которая передает энергию другим частям комнаты. По мере того, как воздух охлаждается у потолка и внешних стен, он сжимается, в конечном итоге становясь более плотным, чем воздух в помещении, и опускается на пол. Правильно спроектированная система отопления, подобная этой, в которой используется естественная конвекция, может быть достаточно эффективной для равномерного обогрева дома.

Рис. 11.6 Конвекция играет важную роль в теплопередаче внутри этого сосуда с водой.Попав внутрь жидкости, теплопередача к другим частям кастрюли происходит в основном за счет конвекции. Более горячая вода расширяется, уменьшается по плотности и поднимается, передавая тепло другим областям воды, в то время как более холодная вода опускается на дно. Этот процесс повторяется до тех пор, пока в кастрюле есть вода.

Излучение - это форма передачи тепла, которая происходит при испускании или поглощении электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение включает радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи, все из которых имеют разные длины волн и количество энергии (более короткие волны имеют более высокую частоту и больше энергии).

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL] [OL] Электромагнитные волны также часто называют электромагнитными волнами. Мы по-разному воспринимаем электромагнитные волны разной частоты. Так же, как мы можем видеть одни частоты как видимый свет, мы воспринимаем некоторые другие как тепло.

Вы можете почувствовать теплоотдачу от огня и солнца. Точно так же вы иногда можете сказать, что духовка горячая, не касаясь ее дверцы и не заглядывая внутрь - она ​​может просто согреть вас, когда вы пройдете мимо.Другой пример - тепловое излучение человеческого тела; люди постоянно излучают инфракрасное излучение, которое не видно человеческому глазу, но ощущается как тепло.

Излучение - единственный метод передачи тепла, при котором среда не требуется, а это означает, что тепло не должно вступать в прямой контакт с какими-либо предметами или переноситься ими. Пространство между Землей и Солнцем в основном пусто, без какой-либо возможности теплопередачи за счет конвекции или теплопроводности. Вместо этого тепло передается за счет излучения, и Земля нагревается, поскольку она поглощает электромагнитное излучение, испускаемое Солнцем.

Рис. 11.7 Большая часть тепла от этого пожара передается наблюдателям через инфракрасное излучение. Видимый свет передает относительно небольшую тепловую энергию. Поскольку кожа очень чувствительна к инфракрасному излучению, вы можете почувствовать присутствие огня, даже не глядя на него. (Дэниел X. О’Нил)

Все объекты поглощают и излучают электромагнитное излучение (см. Рисунок 11.7). Скорость передачи тепла излучением в основном зависит от цвета объекта. Черный - наиболее эффективный поглотитель и радиатор, а белый - наименее эффективный.Например, люди, живущие в жарком климате, обычно избегают ношения черной одежды. Точно так же черный асфальт на стоянке будет горячее, чем прилегающие участки травы в летний день, потому что черный поглощает лучше, чем зеленый. Верно и обратное - черный цвет излучает лучше, чем зеленый. Ясной летней ночью черный асфальт будет холоднее, чем зеленый участок травы, потому что черный излучает энергию быстрее, чем зеленый. Напротив, белый цвет - плохой поглотитель и плохой радиатор. Белый объект, как зеркало, отражает почти все излучение.

Поддержка учителя

Поддержка учителя

Попросите учащихся привести примеры теплопроводности, конвекции и излучения.

Виртуальная физика

Формы и изменения энергии

В этой анимации вы исследуете теплопередачу с различными материалами. Поэкспериментируйте с нагревом и охлаждением железа, кирпича и воды. Для этого перетащите объект на пьедестал и затем удерживайте рычаг в положении «Нагреть» или «Охлаждать». Перетащите термометр рядом с каждым объектом, чтобы измерить его температуру - вы можете в реальном времени наблюдать за тем, как быстро он нагревается или охлаждается.

Теперь попробуем передать тепло между объектами. Нагрейте кирпич и поместите его в прохладную воду. Теперь снова нагрейте кирпич, но затем поместите его поверх утюга. Что ты заметил?

Выбор опции быстрой перемотки вперед позволяет ускорить передачу тепла и сэкономить время.

Контроль захвата

Сравните, насколько быстро различные материалы нагреваются или охлаждаются. Основываясь на этих результатах, какой материал, по вашему мнению, имеет наибольшую удельную теплоемкость? Почему? Какая из них имеет наименьшую удельную теплоемкость? Можете ли вы представить себе реальную ситуацию, в которой вы хотели бы использовать объект с большой удельной теплоемкостью?

  1. Вода занимает больше всего времени, а железу нужно меньше времени, чтобы нагреться и остыть.Для теплоизоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой удельной теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.
  2. Вода займет меньше всего времени, а железу нужно больше времени, чтобы нагреться и остыть. Для теплоизоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой удельной теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.
  3. Brick занимает меньше всего времени, а железу нужно больше времени, чтобы нагреться и остыть.Для теплоизоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой удельной теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.
  4. Вода занимает меньше всего времени, а кирпичу нужно больше времени, чтобы нагреться и остыть. Для теплоизоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой удельной теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.
Поддержка учителя
Поддержка учителя

Попросите учащихся учесть различия в результатах интерактивных упражнений при использовании разных материалов.Например, спросите их, было бы изменение температуры больше или меньше, если бы кирпич был заменен железным блоком той же массы, что и кирпич. Попросите студентов рассмотреть одинаковые массы металлов, алюминия, золота и меди. После того, как они заявят, больше или меньше изменение температуры для каждого металла, попросите их обратиться к Таблице 11.2 и проверить, верны ли их прогнозы.

УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛО И ТЕПЛО ПЛАВЛЕНИЯ

Часть I.Удельная теплоемкость

ТЕПЛООБМЕН: Когда два или более объекта с разными температурами объединяются в изолированной среде, они в конечном итоге достигают одинаковой температуры в процессе теплообмена. То есть более теплые материалы передают тепло более холодным материалам, пока их температура не станет одинаковой. Передаваемая энергия называется внутренней энергией - энергией, связанной со случайным движением молекул в микроскопическом масштабе. Эту энергию можно разделить на кинетическую энергию и потенциальную энергию, возникающую из-за сил межмолекулярного притяжения в материале.Если у нас есть два изолированных вещества и мы не предполагаем никаких потерь для окружающей среды, тогда принцип сохранения энергии подразумевает, что энергия, потерянная одним веществом, должна быть получена другим. Если обозначить Q как количество тепла, это представление можно выразить как

.
(1)

Температура - это мера средней кинетической энергии случайного движения молекул. По мере того, как тело приобретает или теряет кинетическую энергию, его температура повышается или понижается.Изменение температуры обозначается DT, где

(2)

Хотя внутренняя энергия, которой обладает объект, прямо пропорциональна его массе, из этого не следует, что два объекта с одинаковой массой и температурой имеют одинаковое количество внутренней энергии. Температура отражает только кинетическую часть внутренней энергии, поэтому вещество с большей долей своей внутренней энергии в виде потенциальной энергии будет иметь большую внутреннюю энергию при данной температуре.Таким образом, грамм воды при 50 ° C будет иметь гораздо большую внутреннюю энергию, чем грамм меди при 50 ° C, и потребуется гораздо больше энергии, чтобы нагреть воду до 60 ° C, чем произвести такое же изменение температуры в медь. Это свойство отражается в величине, называемой удельной теплоемкостью (S). Удельная теплоемкость определяется как количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 грамма вещества на 1 ° C.

Принимая во внимание все вышеперечисленное, количество тепла, потерянного или полученного телом, можно рассчитать по соотношению

(3)

где M - масса вещества.

* Внутренняя энергия может быть измерена в калориях. Диетическая Калория - это килокалория или 1000 калорий.

ЛАБОРАТОРНОЕ УПРАЖНЕНИЕ: определяется удельная теплоемкость металлического образца. Ниже приводится краткое изложение эксперимента, а видео с аппаратом, доступное с правой боковой панели, покажет вам задействованные части оборудования.

Нагретый металл наливают в изотермическую емкость с прохладной водой. Поскольку будут приняты меры для предотвращения попадания тепла в контейнер или выхода из него, предполагается, что количество энергии, теряемой горячим металлом, приобретается за счет воды.

Из соотношений (2) и (3) можно вычислить количество тепла, полученного водой. Поскольку это должно быть количество тепла, теряемого металлом, соотношение (3) может быть применено к металлическому образцу. Когда производится замена известных величин, оставшаяся неизвестная величина представляет собой удельную теплоемкость металла, которая затем рассчитывается по уравнению.

ПРОЦЕДУРА:

1. Наполните бойлер примерно на 2/3 водой. Немедленно начните нагревание.

2. Поместите металл известной массы в чашу бойлера следующим образом:

а. Определите массу пустой котельной чашки.

г. Заполните чашу бойлера примерно на 2/3 предусмотренным металлическим материалом и заново определите массу.

3. Осторожно поместите чашу бойлера в котел, чтобы металл начал нагреваться.

4. Используя мерный цилиндр, налейте 100 мл или другой подходящий объем холодной воды, которая наполняет чашу калориметра примерно на 2/3.Так как вода имеет плотность 1 грамм / см. 3 = 1 грамм / мл, количество граммов равно количеству мл воды.

5. Поместите один градусник в чашу бойлера и осторожно втирайте его в металлические частицы.

6. Когда металл почти закончил нагрев, поместите другой термометр в калориметр и запишите начальную температуру воды.

7. Когда температура металла достигнет примерно 95 ° C (которая должна быть начальной температурой металла), быстро снимите чашу бойлера с котла и вылейте горячий металл в калориметр.Запишите начальную температуру металла.

8. Быстро закройте калориметр крышкой. Вставьте термометр в отверстие в верхней части крышки и аккуратно перемешайте металл и воду.

9. После того, как вы вставили термометр и перемешали смесь, запишите температуру. Это конечная температура металла и воды. Запишите температуру. Показание температуры должно медленно отклоняться от этого значения по мере того, как смесь остывает до комнатной температуры, поэтому важно провести это измерение как можно скорее.

10. Рассчитайте удельную теплоемкость металла по собранным вами данным. Сделайте предварительную идентификацию металла, обратившись к таблице с указанием конкретных значений нагрева.

Часть II. Тепло плавления воды

ИЗМЕНЕНИЕ ФАЗОВОГО ТВЕРДОГО В ЖИДКОСТЬ: Для превращения твердого вещества в жидкость требуется увеличение внутренней энергии. И наоборот, снижение внутренней энергии может привести к замерзанию или затвердеванию жидкостей. Эти переходы твердой фазы в жидкую происходят без изменения температуры, т.е.е. изменения средней кинетической энергии не происходит. Теплота плавления вещества - это теплообмен, необходимый для плавления одного грамма вещества (калорий / г).

В этой части эксперимента будет определена теплота плавления воды. Теплая вода будет использоваться для таяния льда, а изменение температуры воды в калориметре будет использоваться для расчета количества энергии, извлеченной из воды для растапливания льда. Лед должен поглощать тепло, чтобы таять. Поглощенное тепло можно выразить как

.

Тепло, полученное льдом = Тепло, потерянное водой

(5)

, где Lf - обозначение теплоты плавления в калориях на грамм.Необходимое тепло будет передаваться от теплой воды ко льду.

ПРОЦЕДУРА:

1. Нагрейте немного воды примерно на 15 ° C выше комнатной. (Вода из крана горячей воды может быть достаточно горячей.)

2. Массируйте пустой калориметр стаканом из пенополистирола и запишите его массу. Когда он будет примерно наполовину наполнен теплой водой, снова разотрите его и запишите новую массу. Это нужно делать осторожно, так как это не может повториться позже. Рассчитайте массу теплой воды.

3. Осторожно перемешайте воду и запишите ее температуру с помощью термометра 50 ° C.

4. Высушите кусочки льда бумажным полотенцем. Опустите их в воду, осторожно помешивая, стараясь не выплескивать воду. Продолжайте перемешивать воду, добавляя к ней лед по одному. Когда температура воды станет примерно на 15 ° C ниже комнатной, прекратите добавлять лед. Когда последний кусочек льда растает, запишите самую низкую температуру, которой достигает вода.Эта температура является конечной температурой теплой воды и ледяной воды.

5. Массируйте калориметр и его содержимое и определите массу добавленного льда.

6. Рассчитайте теплоту плавления и найдите отклонение в процентах от принятого значения 79,72 кал / г.

ВОПРОСОВ:

1. Сколько калорий требуется для нагрева 10 граммов воды на 20 ° C?

2. Какое изменение температуры вызовет указанное выше количество энергии в 10 граммах свинца?

3.Как повлияло бы на результаты по теплоте плавления воды, если бы лед не был высушен перед помещением в калориметр? Уменьшило бы это или увеличило бы измеренную теплоту плавления?

Удельная теплоемкость (кал / г · м ° C)

Свинец .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *