Материал: Шилов Лабораторный практикум курса обсчей физики Разделы 2012

температурах теплоемкость весьма сильно зависит от температуры, при сравнительно высоких температурах «выходит на плато», т.е. остается постоянной при изменениях температуры. Примечатель-

ным является тот факт, что максимальное (высокотемпературное) значение молярной теплоемкости химически простых кристаллических тел оказывается одинаковым для тел разной химической природы и равно примерно Смол ≈ 25 Дж/(моль·К). Этот факт был экспериментально установлен в 1819 г. французскими физиками П.Л. Дюлонгом и А.Т. Пти и носит название закона Дюлонга и Пти. Температурная зависимость теплоемкости кристаллов была теоретически объяснена в 1912 г. голландским физиком П. Дебаем на основе квантовых представлений о колебаниях кристаллической решетки (квантовая теория теплоемкости Дебая).

Рис. 2.8.1

Настоящая лабораторная работа посвящена измерению теплоемкости ряда простых веществ (алюминия, меди и железа) и проверке закона Дюлонга и Пти.

ОПИСАНИЕ МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТИ

Применяемый в данной работе метод измерения теплоемкости состоит в следующем. Образец (тело, теплоемкость которого измеряется) массой mобр нагревают до некоторой заданной начальной

81

температуры Тобр (например, температуры кипения воды при атмосферном давлении, 100 °С = 373 К). Нагретый образец помещают в калориметр (теплоизолированный сосуд с водой), имеющий некоторую начальную температуру Тнач. В результате теплообмена образец остывает, а корпус калориметра и содержащаяся в нем вода нагреваются, и через некоторое время в калориметре, содержащем образец, устанавливается термическое равновесие, при котором образец, корпус калориметра и содержащаяся в нем вода имеют общую температуру Трав. Измерив эту температуру, легко рассчитать удельную теплоемкость материала образца собр.

Теплоемкость корпуса калориметра Скал будем предполагать измеренной ранее и известной (в данной установке Скал = 80 Дж/К). Количество тепла, отданное образцом в процессе установления равновесия, может быть записано следующим образом:

Qотд. обр = mобр cобр (Tобр −Tрав ).

Количество тепла, полученное водой и корпусом калориметра:

Qпол. кал = cкал (Tрав −Tнач )+ mв cв (Tрав −Tнач ),

где mв и св – масса воды и удельная теплоемкость воды соответственно. Приравнивая эти количества тепла друг другу, получаем уравнение относительно искомой величины cобр, решение которого имеет вид

Измерительная система, используемая в настоящей работе, позволяет в автоматическом режиме измерить зависимость от времени температуры воды в калориметре после погружения в нее нагретого образца. По графику этой зависимости, выведенному на экран монитора, можно определить начальную температуру воды Тнач и конечную (после установления равновесия в калориметре) Трав и затем вычислить удельную теплоемкость материала образца по формуле (2.8.1).

82

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Общий вид установки для измерения теплоемкости металлических образцов представлен на рис. 2.8.2.

Рис. 2.8.2

В центре установки расположен калориметр 1, в который погружен закрепленный на штативе 2 термометрический датчик 3. Правее калориметра расположен штатив 4, на котором установлен химический стакан с водой 5, в воду погружен металлический образец 6 в виде трех брусков, соединенных в гирлянду отрезком проволоки. Под стаканом с водой расположен нагреватель 7. На рисунке представлен нагреватель в виде газовой горелки, но в зависимости от комплектации нагревателем может служить либо спиртовая горелка, либо электрический нагреватель. Термометрический датчик 3 подключен к базовому блоку «Кобра 3» 8, который служит для преобразования сигнала термометрического датчика в

83

цифровую форму и для связи с персональным компьютером (компьютер на рис. 2.8.2 не представлен). Значения температуры из блока «Кобра 3» передаются в компьютер, где специально созданная для данной лабораторной работы программа визуализирует зависимость температуры от времени и фиксирует значения температуры, необходимые для нахождения теплоемкости образцов.

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ

В ходе работы вода, налитая в стакан, установленный на нагревателе, и погруженные в воду образцы нагреваются до температуры 100 °С, поэтому существует опасность ожога.

Выполняя работу, следует:

быть внимательным, собранным и осторожным; не делать резких движений;

не прикасаться к горячей поверхности нагревателя и к нагреваемому стакану с водой;

перемещая нагретые образцы из стакана в калориметр, не прикасаться образцами к стенкам стакана, чтобы не опрокинуть или не разбить стакан с кипятком;

при возникновении опасных ситуаций немедленно обращаться к ведущему занятия преподавателю или дежурному сотруднику лаборатории.

ПОДГОТОВКА УСТАНОВКИ К РАБОТЕ

Прежде всего следует подготовить к работе электронные приборы системы измерения температуры.

1.Убедитесь, что персональный компьютер, входящий в состав лабораторной установки, включен и находится в режиме ожидания.

2.Убедитесь, что базовый блок «Кобра 3» включен (у включенного прибора светится зеленый светодиод в правом верхнем углу лицевой панели блока). Если вышеупомянутые устройства не включены, попросите сотрудников лаборатории подготовить их к работе.

3.Найдите на рабочем столе компьютера иконку в виде желтой латинской буквы m с надписью «Измерение» и дважды щелкните по ней левой кнопкой «мыши». На экране возникнет диалоговое

84

окно программы, обслуживающей измерения с помощью блока

«Кобра 3», с заголовком «Phywe measure 4».

4.В меню, расположенном в верхней части окна, найдите опцию «Прибор» и щелкните по ней левой кнопкой «мыши». На экране появится «выпадающее» меню, в котором перечислены программы, управляющие различными измерительными приборами, входящими в комплект оборудования от фирмы Phywe.

5.Найдите в этом меню строку «Кобра3 – Температура» и щелкните по ней левой кнопкой «мыши». На экране появится настроечное окно для работы с измерителем температуры, использующимся в данной работе (рис. 2.8.3). Окно содержит элементы управления, с помощью которых можно задавать режим измерений. По умолчанию при запуске программы устанавливаются значения параметров, необходимые для выполнения данной работы, так что менять эти установки не следует.

Рис. 2.8.3

85