WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ Практикум для студентов Часть 2 Специальность 010400 – Физика ВОРОНЕЖ 2004 2 Утверждено научно-методическим советом физического факультета 18 декабря 2003 года, протокол № 10.

Составители: ЧернышевВ.В., КукуевВ.И.

Практикум подготовлен на кафедре общей физики физического факультета Воронежского государственного университета.

Рекомендуется для студентов IV курса дневного отделения специальности 010400 – Физика.

3 Лабораторная работа ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ Цель работы – определение теплоемкости образцов металлов калориметрическим методом с использованием электрического нагрева.

Теория метода Из теории идеального газа известно, что средняя кинетическая энергия одноатомных молекул (изолированных частиц) 3 >=< kT, k 2 где k – постоянная Больцмана.

Тогда среднее значение полной энергии частицы при колебательном движении вкристаллической решетке < >= 3kTU.

0 Полную внутреннюю энергию одного моля твердого тела получим, умножив среднюю энергию одной частицы начисло независимо колеблющихся частиц, содержащихсяводном моле, т.е. напостоянную Авогадро NA:

=< UU > N = 3NAkT = 3RT, (1) A0 где R – универсальнаягазоваяпостоянная, R = 8,31 Дж/(мольК).

Для твердых тел вследствие малого коэффициента теплового расширения теплоемкости при постоянном давлении CP и постоянном объеме CV практически не различаются Поэтому, учитывая (1), молярная теплоемкость.

твердого тела dU C == 3R. (2) dT Молярная теплоемкость может быть представлена как произведение атомного веса навеличину удельной теплоемкости c C = c.

Подставляя численное значение универсальной газовой постоянной, получим:

C = c 25 Дж/(мольК).

Это равенство называемое законом Дюлонга и Пти, выполняется с, довольно хорошим приближением для многих веществ при комнатной температуре и позволяет рассчитать по известным значениям удельной теплоемкости значенияатомных весов простых кристаллических твердых тел.

Со снижением температуры теплоемкости всех твердых тел уменьшаются, приближаясь к нулю при 0. Вблизи абсолютного нуля молярная Т теплоемкость всех тел пропорциональна, и только при достаточно высокой, Тхарактерной для каждого вещества, температуре начинает выполняться равенство (2). Эти особенности теплоемкостей твердых тел при низких температурах можно объяснить с помощью квантовой теории, созданной Эйнштейном и Дебаем.

Для экспериментального определения теплоемкости исследуемое тело помещается в калориметр, который нагревается электрическим током. Если температуру калориметра с исследуемым образцом очень медленно увеличивать от начальной Т0 наТ, то энергияэлектрического тока пойдет на нагревание образца и калориметра:

IU = m c00 T + mcc + Q, (3) где I и U – ток и напряжение нагревателя; – время нагревания; m0 и m – массы калориметра и исследуемого образца; c0, c – удельные теплоемкости калориметра и исследуемого образца; Q – потери тепла в теплоизоляцию калориметра и в окружающее пространство.

Для исключения из уравнения (3) количества теплоты, расходованной на нагревкалориметра и потери теплоты в окружающее пространствонеобходимо, при той же мощности нагревателя нагреть пустой калориметр (без образца) от начальной температуры Т на ту же разность температур Т. Потери тепла в обоих случаях будут практически одинаковыми и очень малыми, если температура защитного кожуха калориметра в обоих случаях постояннаи равна комнатной:

IU = m00 c0 T + Q0. (4) Из уравнений (3) и (4) вытекает IU( - 0 ) = mcТ. (5) Уравнение (5) может быть использовано для экспериментального определенияудельной теплоемкости материала исследуемого образца. Изменяя температуру калориметра, необходимо построить график зависимости разности времени нагрева от изменения температуры исследуемого образца: (– mc )=f(Т), по угловому коэффициенту которого к = можно определить IU удельную теплоемкость образца.

Экспериментальная установка Для определения теплоемкости твердых тел предназначена экспериментальнаяустановка ФПТ 8, общий вид которой показан нарис.1.

Образцы нагреваются вкалориметре, схема которого приведенанарис.2.

Калориметр представляет собой латунный корпус с коническим отверстием, куда вставляетсяисследуемый образец. На наружной поверхности корпуса в специальных пазах размещается нагревательная спираль. Снаружи корпус калориметра теплоизолирован слоями асбеста и стекловолокнаи закрыт алюминиевым кожухом. Калориметр закрываетсятеплоизолирующей крышкой.

Исследуемые образцы расположены в гнездах в блоке рабочего элемента 2.

После окончания эксперимента образец можно вытолкнуть из конического отверстия корпуса калориметра с помощью винта. Для удаления нагретого образца из калориметра и установки образца в нагреватель используется рукоятка, расположенная в специальном гнезде рядом с исследуемыми образцами.

Рисунок 1 – Общий вид экспериментальной установки ФПТ 8:

1 – блок приборов; 2 – блок рабочего элемента кронштейн; 3 – стойка; 4 – нагреватель; 5 –исследуемые образцы.

Температура калориметра измеряется цифровым термометром, датчик которого находится в корпусе калориметра. В блоке приборов расположен источник питания нагревателя, мощность которого устанавливается регулятором «Нагрев». Напряжение и ток в цепи нагревателя измеряетсявольтметром и амперметром, расположенными на передней панели блока приборов. Время нагрева калориметра измеряется секундомером, расположенным в блоке приборов. Секундомер приводится в действие при включении питанияблока приборов.

Рисунок 2 – Схема калориметра:

1 – образец; 2 – корпус; 3 – асбест; 4 – кожух; 5 – рукоятка; 6 – стекловолокно;

7 – винт; 8 – датчик температуры; 9 – нагреватель; 10 – крышка.

Атомные массы образцов приведены втаблице 1.

Таблица № п/п Материал образца Атомная масса, кг/моль 1 Дюраль 26,9810-2 Латунь 63,5710-3 Сталь 55,8510- Порядок выполнения работы 1. Снять кожух блока рабочего элемента установки и подвесить его на винтах задней панели. Включить установку тумблером «Сеть».

2. Пустой калориметр плотно закрыть крышкой. Включить тумблер «Нагрев». С помощью регулятора «Нагрев» установить необходимое напряжение вцепи.

3. При температуре калориметра t0 = 25 С включить отсчет времени.

Сделать 7-10 измерений времени нагрева пустого калориметра через интервал 1 0С. Результаты занести в таблицу 2.

Таблица Номер U, I, Т, 0,, –0, c, C, измерения В А К с с с Дж/(кгК) Дж/(мольК) 4. Выключить тумблер «Нагрев», открыть крышку и охладить калориметр до начальной температуры t0.

5. Вращая винт влево поместить в калориметр один из исследуемых, образцов взятый по указанию преподавателя. Плотно закрыть крышку, калориметра и подождать 3 мин. для того, чтобы температуры калориметра и образца сравнялись.

6. Включить нагреватель калориметра, установив такое же напряжение в цепи, как и при нагревании пустого калориметра.

7. Включить отсчет времени при той же начальной температуре t0. Сделать 7-10 измерений времени нагревания калориметра с образцом через интервал температуры1 0С. Результаты занести в таблицу 2.

8. Регулятор «Нагрев» установить в крайнее левое положение, выключить тумблер «Нагрев», открыть крышку калориметра. Для удаленияобразца из калориметра винт вращать вправо после чего с помощью рукоятки, вынуть нагретый образец.

9. Выключить установку тумблером «Сеть».

Обработка результатов измерения 1. Построить график зависимости разности времени нагревания калориметра с образцом и пустого калориметра от изменения температуры калориметра (–0)=f(Т) и определить угловой коэффициент к.

2. Используя значение углового коэффициента к, определить удельную IU теплоемкость образца по формуле c = к.

m 3. Используя данные таблицы 1, определить молярную теплоемкость образца.

4. Оценить погрешность результатов измерений.

Контрольные задания 1. В чем заключается метод электрического нагрева для определения теплоемкости твердых тел 2. Выведите формулу для экспериментального определениятеплоемкости.

3. Почему во время эксперимента нагревание пустого калориметра и калориметра с образцом необходимо производить при одной и той же мощности нагревателя 4. Чем ограничена максимально допустимая температура нагревания калориметра 5. Основные источники ошибок данного методаизмерений.

Литература 1. Базаров И.П. Термодинамика: Учеб. для вузов / И.П.Базаров. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1991. – 376 с.

2. Физические величины: Справочник / А.П.Бабичев Н.А.Бабушкина,, А.М.Братковский и др.; Под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. – М.:

Энергоатомиздат, 1991. – 1232 с.

Для заметок Составители: ЧернышевВадим Викторович, КукуевВячеслав Иванович Редактор ТихомироваО.А.











© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.