ЭКСПЕРИМЕНТ

М.И.ЕСЬКОВ,
школа № 85 СЗАО, г. Москва

Определение удельной теплоёмкости твёрдого тела

Нетрадиционная постановка лабораторной работы. 8-й класс

В предлагаемой лабораторной работе объединены две традиционные лабораторные работы – «Сравнение количества теплоты при смешивании воды разной температуры» и «Измерение удельной теплоёмкости твёрдого тела», которые порознь не дают хороших числовых результатов из-за значительных потерь энергии нагретыми телами. Поэтому, чтобы определить тепловые потери, мы включили первую работу.

Действительно, учитывая, что на нагревание холодной воды идёт лишь часть отданной горячей водой энергии, уравнение теплового баланса может быть представлено в виде kQ_отд = Q_получ, откуда коэффициент потерь k = Q_получ /Q_отд.

В случае смешивания равных масс воды выражение для коэффициента потерь существенно упрощается:

Получаемое при этом отрицательное значение k учащиеся должны объяснить тем, что Q_отд< 0.

Зная значение k, можно более точно определить удельную теплоёмкость твёрдого тела. Уравнение теплового баланса теперь записывается в виде kQ_отд = Q_получ. Учитывая, что в данном случае отдаёт тепло твёрдое тело, получаем:

kc_ттm_тт (t_смеси – t_тт) = c_вm_в (t_смеси – t_в),

отсюда: .

В случае равных масс воды и твёрдого тела выражение для теплоёмкости упрощается:

В таком виде лабораторная работа проводилась в рамках физического практикума в 10–11-м классах (можно проводить её также в сильном или специализированном 8-м классе). Горячую воду брали из водопровода. Исследуемым телом служил алюминиевый груз массой 100 г. Порции (100 г) горячей и холодной воды отмеряли с помощью мензурки. Соблюдение условия равенства всех трёх значений масс (горячей воды, холодной воды и твёрдого тела) позволяло упростить расчёты, снизив тем самым ошибки. Были получены результаты:

– Определение коэффициента тепловых потерь

– Определение теплоёмкости твёрдого тела

Примечание: единицы темплоёмкостей Дж/(кг • град) в таблице за неимением места не указаны.

С учётом k: Дж/(кг • град);

без учёта k: Дж/(кг • град).

– Абсолютная погрешность:

• t_и = 1 °С – абсолютная инструментальная погрешность, равная цене деления;

• t_о = 0,5 °С – абсолютная погрешность отсчёта, равная половине цены деления;

• t = 1,5 °С.

– Относительная погрешность:

• = 0,04;

• = 0,08.

Таким образом, относительная погрешность велика (8%), что приводит к значительной погрешности определения теплоёмкости твёрдого тела: без учёта потерь – в интервале от с_min = 681 Дж/(кг • град) до с_max = 750 Дж/(кг • град); с учётом потерь – в интервале от с_min = 810 Дж/(кг • град) до с_max = 1071 Дж/кг • град. Среднее табличное значение удельной теплоёмкости алюминия в интервале температур 20...100 °С составляет (888...909) Дж/кг • град (А.С.Енохович. Справочник по физике. – М.: Просвещение, 1990). Видно, что определённое нами значение удельной теплоёмкости твёрдого тела с учётом потерь лучше согласуется с табличным.

ЛР «Определение удельной теплоёмкости твёрдого тела с учётом коэффициента потерь»

Цель работы: определить коэффициент потерь при теплообмене и теплоёмкость твёрдого тела.

Приборы и материалы: 2 калориметра, 2 термометра, мензурка, твёрдое тело массой 100 г из стандартного набора, горячая и холодная вода, сосуд для помещения твёрдого тела при нагреве его проточной горячей водой.

Ход работы

1. Поместите в сосуд твёрдое тело и поставьте сосуд с телом под струю проточной горячей воды.

2. Налейте в калориметры равные массы горячей и холодной воды и измерьте их температуры.

3. Смешайте горячую и холодную воду и измерьте температуру смеси.

4. Рассчитайте модуль коэффициента тепловых потерь по формуле.

5. Результаты измерений и расчётов занесите в табл. 1.

Таблица 1

6. Отмерьте 100 г холодной воды, налейте в калориметр и определите её температуру.

7. Определите температуру твёрдого тела (по температуре горячей воды, в которую заблаговременно было положено это твёрдое тело).

8. Опустите твёрдое тело в холодную воду и измерьте температуру смеси (после установления теплового равновесия).

9. Рассчитайте удельную теплоёмкость твёрдого тела по формуле

10. Результаты измерений и расчётов занесите в табл. 2.

Таблица 2

11. Определите относительную погрешность измерения разности температур: , где t_и – абсолютная инструментальная погрешность, равная цене деления; t_о – абсолютная погрешность отсчёта, равная половине цены деления.

12. Рассчитайте относительную погрешность определения теплоёмкости:

13. Найдите интервал определённых вами значений теплоёмкости: c_min с с_max.

14. Сравните полученные значения теплоёмкости с табличными и определите, из какого вещества изготовлено тело.

Максим Исидорович Еськов – выпускник физфака МГПИ им. В.И.Ленина 1974 г., учитель физики и ОБЖ  высшей квалификационной категории, педагогический стаж 32 года. Педагогическое кредо: точность, аргументированность, разумность. Серьёзно увлекается историей и героикой Военно-морского флота. Имеет публикации в России и за рубежом. Выпускники успешно поступают в технические и инженерные вузы, в том числе МГТУ им. Н.Э.Баумана, военно-инженерные училища и академии.