LUCRĂRILE LABORATORII № 8
DETERMINAREA TRATAMENTULUI DE CĂLDURĂ A SOLIDELOR
Dispozitive și accesorii: instalare experimentală FPT1-8.
Obiectiv: Determinarea capacității termice a probelor metalice prin metoda calorimetrică utilizând încălzirea electrică.
Căldura specifică a substanței este o cantitate egală cu cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea a 1 kg de substanță pe 1 K:
Capacitatea de căldură molară este o cantitate egală cu cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea a 1 mol de substanță pe 1 K:
unde este cantitatea substanței.
Căldura specifică c este legată de raportul Cm molar
unde M este masa molară a substanței.
Distingeți capacitatea de căldură pentru volumul constant și presiunea constantă. dacă în timpul încălzirii substanței volumul sau presiunea este menținută constantă.
Cel mai mic număr de variabile independente (coordonate) care determină complet poziția sistemului în spațiu se numește numărul de grade de libertate.
Conform legii lui Boltzmann privind distribuția uniformă a energiei în gradele de libertate a moleculelor, pe fiecare grad de libertate translațional și rotativ, o energie cinetică medie egală cu
(unde k este constanta lui Boltzmann) si pentru fiecare grad de libertate vibrational, in medie, energia egala cu
Astfel, energia medie a unei molecule
unde i este suma numărului de translațional, numărul de numere rotaționale și dublate ale gradelor vibraționale de libertate ale unei molecule:
De exemplu, energia cinetică medie a unei molecule de gaz ideal monatomic () este
Ca model rigid corp construit considera corect rețeaua cristalină, în nodurile care particulele (atomi, ioni, molecule) luate pentru punctele de material oscila despre pozițiile lor de echilibru - puncte zăbrele - în trei direcții reciproc perpendiculare. Astfel, fiecare component al matricei sub formă de particule atribuită trei grade de libertate de vibrație, fiecare dintre acestea, în conformitate cu legea distribuției uniforme a energiei asupra gradelor de libertate are o energie kT.
Apoi, valoarea medie a energiei totale a particulei în mișcare vibrațională în rețeaua cristalină
Energia internă totală a unui mol de solid este obținută prin înmulțirea energiei medii a unei particule cu numărul de particule oscilante în mod independent conținute într-o singură mol, adică pe Avogadro NA permanent:
unde R = NA≤k este constanta universala (molara) a gazului, R = 8,31 J / (molΔK).
Pentru solide datorită coeficientului mic de expansiune termică a căldurii specifice la presiune constantă și volum constant, practic nu diferă. Prin urmare, luând în considerare (8.1), capacitatea de căldură molară a unui solid
Înlocuind valoarea numerică a constantei de gaz molar, obținem:
Această ecuație este satisfăcută de o aproximare destul de bună pentru multe substanțe la temperatura camerei și se numește legea lui Dulong și Petit. capacitatea de căldură molară a tuturor solidelor cristaline simple din punct de vedere chimic este de aproximativ 25 J / (mol? K). Cu o scădere a capacității de căldură a tuturor solidelor, acestea scad, apropind zero la T 0. În apropierea zero absolut, capacitatea de căldură molară a tuturor corpurilor este proporțională cu T3 și numai la o temperatură suficient de ridicată, caracteristică pentru fiecare substanță, începe (8.2) să fie satisfăcută. Aceste caracteristici ale încălzirilor specifice de solide la temperaturi scăzute pot fi explicate cu ajutorul teoriei cuantice a capacității termice, creată de Einstein și Debye.
Pentru determinarea experimentală a capacității termice, corpul investigat este plasat într-un calorimetru, care este încălzit de un curent electric. Dacă temperatura calorimetrului cu proba studiată este foarte lentă de la valoarea inițială T0 la ΔT. atunci energia curentului electric va merge la încălzirea probei și a calorimetrului:
unde I și U sunt curentul și tensiunea încălzitorului; este timpul de încălzire; m0 și m - masa probei de testat și calorimetrul și c0 - căldura specifică a calorimetrului și proba de testare, Q - pierderea de căldură în izolarea termică a calorimetrului și împrejurimi.
Pentru a exclude din ecuația (8.3) cantitatea de căldură consumată pentru încălzirea calorimetrului, iar pierderile de căldură în mediul înconjurător, este necesară pentru aceeași capacitate a boilerului pentru a încălzi calorimetrului gol (fără probă), dintr-o T0 inițială a temperaturii pe aceeași T diferența de temperatură. Pierderile de căldură în ambele cazuri, să fie în mod substanțial aceeași și foarte scăzut, în cazul calorimetrului de protectie a temperaturii, în ambele cazuri, o constantă și egală cu camera:
Rezultă din (8.3) și (8.4) că
Ecuația (8.5) poate fi utilizată pentru determinarea experimentală a căldurii specifice a materialului din proba studiată. Prin variația temperaturii calorimetrului este necesară pentru a construi un grafic al diferenței de timp de încălzire de la modificările temperaturii probei de testare: (-0) = f (T), coeficientul unghiular al care poate determina căldura specifică a probei.
Descrierea instalației de laborator
Pentru a determina capacitatea termică a solidelor, este proiectată instalarea experimentală a FPT1-8, a cărei vedere generală este prezentată în Fig. 8.1. Instalația constă din trei părți principale: grupul de instrumente 1, blocul elementului de operare 2 și rackul 3.
Pe panoul frontal al grupului de instrumente 1 se află: comutatorul de comutare "NETWORK", care conectează unitatea la rețeaua de tensiune de alimentare; comutatorul de comutare "ÎNCĂLZIRE", care include un încălzitor; regulatorul "ÎNCĂLZIRE", prin care se reglează puterea încălzitorului; voltmetru și ampermetru cu ajutorul căruia se măsoară tensiunea și curentul din circuitul încălzitorului; Cronometru, prin care se măsoară timpul de încălzire al calorimetrului. Cronometrul este activat când alimentarea cu energie a grupului de instrumente este pornită.
Blocul elementului de lucru 2 este închis în față de un ecran detașabil de org. sticlă. Când se lucrează, ecranul este atârnat pe peretele din spate al unității de prelucrat. Un termometru digital 6 pentru măsurarea temperaturii este localizat pe panoul blocului de elemente de comandă. Mai jos, în cuiburi sunt plasate mostre de testare 5 din diverse materiale și un mâner pentru montarea probelor în încălzitor.
Încălzitorul 4 constă dintr-o carcasă metalică, un material termoizolant și un calorimetru.
Probele sunt încălzite într-un calorimetru, schema fiind prezentată în Fig. 8.2.
Calorimetrului este un corp din alamă 2 cu alezaj conic, care se introduce în proba de testare 1. Pe suprafața exterioară a carcasei în caneluri speciale de încălzire bobină este situată în exteriorul carcasei 9. calorimetrice fibre de azbest izolate și din fibră de sticlă 3 și 6 închis carcasa din aluminiu 4. Căldura calorimetru capac 10 izolant este închisă. după terminarea experimentului proba poate fi împinsă afară din gaura conică a corpului calorimetrului prin intermediul șuruburilor 7. pentru a îndepărta proba încălzită a calorimetrului și instalați ples sam în încălzitor este utilizat mânerul 5 este situat într-o fantă specială în probele de testare.
Temperatura calorimetrului este măsurată cu un termometru digital, al cărui senzor de temperatură 8 este localizat în corpul a 2 calorimetre.
La efectuarea lucrărilor se respectă cerințele generale de siguranță din laboratorul de mecanică.
Ordinea de executare a muncii
ATENȚIE! Calorimetrul este răcit o perioadă lungă de timp, prin urmare, după măsurarea tuturor valorilor timpului de încălzire 0 al calorimetrului gol, încălzirea trebuie oprită imediat (vezi secțiunea 4 de mai jos). Temperatura maximă de încălzire pentru această instalație este de + 44 ° C.
1. Scoateți carcasa transparentă a ansamblului unității de operare și fixați-o pe șuruburile panoului din spate. Setați butonul "ÎNCĂLZIRE" la minim. Activați setarea cu comutatorul de comutare "NETWORK".
2. Închideți calorimetrul gol. Porniți comutatorul de comutare "ÎNCĂLZIRE". Folosind regulatorul "ÎNCĂLZIRE", setați tensiunea la 10-20 V (cu cât tensiunea este mai mare, cu atât încălzirea este mai rapidă). Notați în fila. 8.1 Valorile selectate ale tensiunii U și curentului I.
3. Începând cu temperatura calorimetrului t0. indicată de către profesor, în intervalul de 1 ° C, introduceți în tabel. 8.1 valori ale timpului 0. corespunzătoare fiecărei temperaturi t atinsă.
4. Opriți comutatorul "ÎNCĂLZIRE", deschideți capacul și răciți calorimetrul până la temperatura inițială t0. Pentru răcirea rapidă a calorimetrului poate fi omisă în calorimetrului una dintre probe, cu excepția lector menționat (atunci când sunt instalate în calorimetrului eșantion au nevoie pentru a roti șurubul din partea de jos a calorimetrului spre stânga). Temperatura va începe să scadă. Când rata de răcire scade, eșantionul încălzit este scos și se introduce următoarea (rece), alta decât cea indicată de instructor. Pentru a scoate specimenul, rotiți șurubul în sensul acelor de ceasornic pe partea inferioară a calorimetrului, apoi scoateți eșantionul cu mânerul.
5. Rotiți șurubul la stânga, plasați unul din probele de studiu, calibrate la instrucțiunile instructorului, în calorimetru. Închideți capacul calorimetrului strâns și așteptați 2-3 minute pentru a măsura calorimetrul și temperatura de eșantionare.
6. Activați comutatorul "ÎNCĂLZIRE" și setați aceeași tensiune în circuit ca și când se încălzește calorimetrul gol.
7. Pornind de la aceeași temperatură inițială a calorimetrului t0. printr-un interval de 1 ° C. 8.1 valori de timp . corespunzătoare fiecărei temperaturi t atinsă.
8. Reglajul "ÎNCĂLZIRE" este setat în poziția extremă stângă (cel puțin), opriți comutatorul "HEAT", deschideți capacul calorimetrului. Pentru a scoate eșantionul din calorimetru, rotiți șurubul spre dreapta, apoi utilizați mânerul pentru a scoate proba încălzită.
9. Opriți instalarea cu comutatorul de comutare "NETWORK".
10. Traduceți toate valorile valorilor 0 și în valori în secunde (fără minute) și puneți-le în tabel. 8.1. Pentru fiecare rând din tabel. 8.1 se calculează valorile = -0 și T = t-t0.
11. Se efectuează un calcul estimativ al căldurii specifice a eșantionului cu formula în care masa probei este m = 139,5 g (alamă) sau m = 129,7 g (oțel) sau m = 46,05 g (durală). Abordați-l pe profesor pentru verificare.
Procesarea rezultatelor măsurătorilor
1. Diagrama = f (T) în funcție de diferența de încălzire timp calorimetru cu proba și din goale modifică temperatura calorimetru calorimetrice, selectați oricare două puncte de pe grafic și se determină panta liniei drepte în conformitate cu formula unde - unghiul de înclinare față de axa graficului T (în cazul în care unitățile și cantitățile T reprezentate pe cele două axe ale segmentelor de lungime egală).
2. Folosind valoarea coeficientului unghiular k. determină căldura specifică a eșantionului prin formula
3. Folosind datele din tabelul 8.2 (fie tabelul periodic), pentru a determina capacitatea termică molară a probei cu formula Cm = Cm.
Care este căldura specifică a substanței, capacitatea de căldură molară? În ce unități SI sunt măsurate?
Realizați formula pentru energia internă totală a unui mol de solid.
Rezulta formula pentru capacitatea molara de caldura a unui solid.
Scrieți și formulați legea lui Dulong și Petit.
Calculați căldura specifică de aluminiu și fier din legea lui Dulong și Petit.
Care este metoda de încălzire electrică pentru determinarea capacității termice a solidelor?
Rezulta formula pentru determinarea experimentala a capacitatii de caldura.
De ce în timpul încălzirii experimentale calorimetrului gol și calorimetru cu proba trebuie efectuată la una și aceeași putere de încălzire?
Care este numărul de grade de libertate?
A pregătit preparatul. Kharitonov DV
Documente conexe:
Lucrări de laborator: măsurarea densității în stare solidă; determinarea căldurii specifice a substanței. ® Seturi pentru cercetare. întoarcere înapoi. Dispozitive și accesorii frecvent utilizate. concepute pentru experimente demonstrative.
rigidă mișcare a corpului. Starea de echilibru a corpurilor. Greutatea corporală. definirea caracteristicilor unui pendul fizic. Aparate și accesorii. pendulul. capacitatea de căldură a gazului? Cum se corelează capacitatea specifică de căldură și căldura molară. Care sunt capacitățile de căldură molară.
Nr. 3 "Măsurarea căldurii specifice a unui solid". Izolarea tehnicii porilor. Umiditatea aerului. Metode de determinare a umidității aerului. Lab. dispozitivele și accesoriile lor banc de cântare cu greutăți la 1. concepute pentru a compara masa corpurilor.
capacitatea de încălzire a unui obiect solid Obiectiv: determinarea căldurii specifice a unui cilindru metalic. Instrumente. de muncă: Definiția focal. accesorii. 2. Un set de tije pentru demonstrarea electrificării corpurilor. 3. Sultanii electrici. 4. Dispozitivul.
2. Măsurarea căldurii specifice a solidului. Topirea și solidificarea corpurilor. Punctul de topire. căldură. Studiul nr. m. Determinarea numărului de căldură, unități. Benă optică FOS cu accesorii 2. Dispozitiv pentru studierea legilor geometrice.