Способы определения удельной теплоемкости жидкости

Удельная теплоемкость вещества

О чем эта статья:

Нагревание и охлаждение

Эти два процесса знакомы каждому. Вот нам захотелось чайку, и мы ставим чайник, чтобы нагреть воду. Или ставим газировку в холодильник, чтобы охладить.

Логично предположить, что нагревание — это увеличение температуры, а охлаждение — ее уменьшение. Все, процесс понятен, едем дальше.

Но не тут-то было: температура меняется не «с потолка». Все завязано на таком понятии, как количество теплоты. При нагревании тело получает количество теплоты, а при нагревании — отдает.

• Количество теплоты — энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче.

В процессах нагревания и охлаждения формулы для количества теплоты выглядят так:

Нагревание

Охлаждение

Q — количество теплоты [Дж]

c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]

t_{конечная} — конечная температура [˚C]

t_{начальная} — начальная температура [˚C]

В этих формулах фигурирует и изменение температуры, о котором мы сказали выше, и удельная теплоемкость, речь о которой пойдет дальше.

А вот теперь поговорим о видах теплопередачи.

Виды теплопередачи

• Теплопередача — это физический процесс передачи тепловой энергии от более нагретого тела к менее нагретому.

Здесь все совсем несложно, их всего три: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность

Тот вид теплопередачи, который можно охарактеризовать, как способность тел проводить энергию от более нагретого тела к менее нагретому.

Речь о том, чтобы передать тепло с помощью соприкосновения. Признавайтесь, грелись же когда-нибудь возле батареи. Если вы сидели к ней вплотную, то согрелись вы благодаря теплопроводности. Обниматься с котиком, у которого горячее пузо, тоже эффективно.

Порой мы немного перебарщиваем с возможностями этого эффекта, когда на пляже ложимся на горячий песок. Эффект есть, только не очень приятный. Ну а ледяная грелка на лбу дает обратный эффект — ваш лоб отдает тепло грелке.

Конвекция

Когда мы говорили о теплопроводности, мы приводили в пример батарею. Теплопроводность — это когда мы получаем тепло, прикоснувшись к батарее. Но все вещи в комнате к батарее не прикасаются, а комната греется. Здесь вступает конвекция.

Дело в том, что холодный воздух тяжелее горячего (холодный просто плотнее). Когда батарея нагревает некий объем воздуха, он тут же поднимается наверх, проходит вдоль потолка, успевает остыть и спуститься обратно вниз — к батарее, где снова нагревается. Таким образом, вся комната равномерно прогревается, потому что все более горячие потоки сменяют все менее холодные.

Излучение

Пляж мы уже упоминали, но речь шла только о горячем песочке. А вот тепло от солнышка — это излучение. В этом случае тепло передается через волны.

Обоими способами. То тепло, которое мы ощущаем непосредственно от камина (когда лицу горячо, если вы расположились слишком близко к камину) — это излучение. А вот прогревание комнаты в целом — это конвекция.

Удельная теплоемкость: понятие и формула для расчета

Формулы количества теплоты для нагревания и охлаждения мы уже разбирали, но давайте еще раз:

Нагревание

Охлаждение

Q — количество теплоты [Дж]

c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]

t_{конечная} — конечная температура [˚C]

t_{начальная} — начальная температура [˚C]

В этих формулах фигурирует такая величина, как удельная теплоемкость. По сути своей — это способность материала получать или отдавать тепло.

С точки зрения математики удельная теплоемкость вещества — это количество теплоты, которое надо к нему подвести, чтобы изменить температуру 1 кг вещества на 1 градус Цельсия:

Удельная теплоемкость вещества

Q — количество теплоты [Дж]

c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]

t_{конечная} — конечная температура [˚C]

t_{начальная} — начальная температура [˚C]

Также ее можно рассчитать через теплоемкость вещества:

Удельная теплоемкость вещества

c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]

C — теплоемкость вещества [Дж/˚C]

Величины теплоемкость и удельная теплоемкость означают практически одно и то же. Отличие в том, что теплоемкость — это способность всего вещества к передаче тепла. То есть формулу количества теплоты для нагревания тела можно записать в таком виде:

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела

Q — количество теплоты [Дж]

c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]

t_{конечная} — конечная температура [˚C]

t_{начальная} — начальная температура [˚C]

Таблица удельных теплоемкостей

Удельная теплоемкость — табличная величина. Часто ее указывают в условии задачи, но при отсутствии в условии — можно и нужно воспользоваться таблицей. Ниже приведена таблица удельных теплоемкостей для некоторых (многих) веществ.

Источник

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ ЖИДКОСТИ ПРИ ПОМОЩИ ЭЛЕКТРОКАЛОРИМЕТРА

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ»

Лаборатория механики и молекулярной физики №1(213а)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №12

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОЁМКОСТИ ЖИДКОСТИ ПРИ ПОМОЩИ ЭЛЕКТРОКАЛОРИМЕТРА

Отредактировал: Кораблев Г.А.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №12

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ ЖИДКОСТИ ПРИ ПОМОЩИ ЭЛЕКТРОКАЛОРИМЕТРА

Цель работы: ознакомление с калориметрическим методом определения удельной теплоемкости жидкости.

Приборы и принадлежности:1) два электрокалориметра с термометрами; 2) исследуемая жидкость; 3) вода.

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела на один градус, называется теплоёмкостью данного тела, измеряется в СИ: Дж/К. Количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы вещества на один градус, называется удельной теплоемкостью вещества и обозначается буквой с_уд, измеряется в СИ: Дж/(кг . К). Количество теплоты, необходимое для нагревания одного моля вещества на один градус, называется молярной теплоемкостью вещества и обозначается буквой С_м, измеряется в СИ: Дж/(моль . К). Удельная и молярная теплоёмкости связаны между собой соотношением С_м = М . с_уд, где М – молекулярная масса данного вещества.

В данной работе определяется удельная теплоёмкость жидкости при помощи электрокалориметра. Метод электрокалориметра состоит в следующем: два калориметра, сделанных из одинакового материала, содержат различные жидкости. В первом калориметре находится вода, удельная теплоёмкость которой известна, а во втором – жидкость, удельную теплоёмкость которой требуется определить (см. рис. 1).

В оба калориметра опущены спирали, имеющие одинаковое электрическое сопротивление R. Если соединить спирали последовательно и пропустить через них электрический ток, то сила тока I, проходящего через обе спирали, будет одинакова. При этом спирали, нагреваясь, через некоторое время t передадут жидкостям равные количества теплоты . Количество теплоты, полученное калориметром с водой:

Количество теплоты, полученное калориметром с исследуемой жидкостью:

Q₂ = (c₂m₂ + c_жM₂) . (t₄ – t₃) (2)

В формулах (1) и (2) введены следующие обозначения: М₁ и М₂ – массы воды и исследуемой жидкости в калориметрах; m₁ и m₂ – массы калориметров (вместе с мешалками); с₁ и с₂ – их теплоемкости; с_ж – теплоёмкость исследуемой жидкости, с_в – теплоёмкость воды, t₁ и t₂ – температура воды в начале и в конце опыта; t₃ и t₄ – температуры исследуемой жидкости в начале и в конце опыта.

Приравнивая Q₁ и Q₂, получим формулу для расчета удельной теплоёмкости исследуемой жидкости:

Для избежания ошибок, связанных с возможным незначительным изменением сопротивлений нагревателей, измерение удельной теплоёмкости жидкости проводят несколько раз.

Для уменьшения потерь на отдачу теплоты в окружающую среду, нагревание жидкостей, налитых в калориметры, рекомендуется проводить не выше, чем на 6-7 0 С, а для получения точного результата не ниже, чем на 4-5 0 С.

Источник

Способы определения удельной теплоемкости жидкости

Изменение внутренней энергии путём совершения работы характеризуется величиной работы, т.е. работа является мерой изменения внутренней энергии в данном процессе. Изменение внутренней энергии тела при теплопередаче характеризуется величиной, называемой количествоv теплоты.

Количество теплоты – это изменение внутренней энергии тела в процессе теплопередачи без совершения работы. Количество теплоты обозначают буквой Q.

Работа, внутренняя энергия и количество теплоты измеряются в одних и тех же единицах — джоулях (Дж), как и всякий вид энергии.

В тепловых измерениях в качестве единицы количества теплоты раньше использовалась особая единица энергии — калория (кал), равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 грамма воды на 1 градус Цельсия (точнее, от 19,5 до 20,5 °С). Данную единицу, в частности, используют в настоящее время при расчетах потребления тепла (тепловой энергии) в многоквартирных домах. Опытным путем установлен механический эквивалент теплоты — соотношение между калорией и джоулем: 1 кал = 4,2 Дж.

При передаче телу некоторого количества теплоты без совершения работы его внутренняя энергия увеличивается, если тело отдаёт какое-то количество теплоты, то его внутренняя энергия уменьшается.

Если в два одинаковых сосуда налить в один 100 г воды, а в другой 400 г при одной и той же температуре и поставить их на одинаковые горелки, то раньше закипит вода в первом сосуде. Таким образом, чем больше масса тела, тем большее количество тепла требуется ему для нагревания. То же самое и с охлаждением.

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела зависит еще и от рода вещества, из которого это тело сделано. Эта зависимость количества теплоты, необходимого для нагревания тела, от рода вещества характеризуется физической величиной, называемой удельной теплоёмкостью вещества.

Удельная теплоёмкость

Удельная теплоёмкость – это физическая величина, равная количеству теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг вещества для нагревания его на 1 °С (или на 1 К). Такое же количество теплоты 1 кг вещества отдаёт при охлаждении на 1 °С.

Удельная теплоёмкость обозначается буквой с . Единицей удельной теплоёмкости является 1 Дж/кг °С или 1 Дж/кг °К.

Значения удельной теплоёмкости веществ определяют экспериментально. Жидкости имеют большую удельную теплоёмкость, чем металлы; самую большую удельную теплоёмкость имеет вода, очень маленькую удельную теплоёмкость имеет золото.

Поскольку кол-во теплоты равно изменению внутренней энергии тела, то можно сказать, что удельная теплоёмкость показывает, на сколько изменяется внутренняя энергия 1 кг вещества при изменении его температуры на 1 °С. В частности, внутренняя энергия 1 кг свинца при его нагревании на 1 °С увеличивается на 140 Дж, а при охлаждении уменьшается на 140 Дж.

Количество теплоты Q, необходимое для нагревания тела массой m от температуры t₁°С до температуры t₂°С, равно произведению удельной теплоёмкости вещества, массы тела и разности конечной и начальной температур, т.е.

Q = c ∙ m (t₂ — t₁)

По этой же формуле вычисляется и количество теплоты, которое тело отдаёт при охлаждении. Только в этом случае от начальной температуры следует отнять конечную, т.е. от большего значения температуры отнять меньшее.

Это конспект по теме «Количество теплоты. Удельная теплоёмкость». Выберите дальнейшие действия:

Источник

Исследовательский домашний эксперимент «Удельная теплоемкость»

Цель исследования: определить удельную теплоемкость воды, используя бытовые приборы учета потребления газа и электроэнергии.

Задачи исследования:

1. провести опыт;
2. вычислить значение удельной теплоемкости воды;
3. оценить погрешность результата;
4. сформулировать выводы.

План 1-го занятия

1. Вводная беседа.
2. Методика эксперимента.
3. Техника безопасности.
4. Оценка погрешности.
5. Формулировка выводов.

Беседа

В природе не было бы ни весны, ни осени, если бы вода не обладала высокой удельной теплоемкостью.

Вода является незаменимым терморегулятором планеты. Благодаря большой теплоемкости мирового океана сглаживаются температурные переходы от зимы к лету и наоборот, что позволяет живым организмам постепенно приспосабливаться к новым сезонным условиям.

Высокая удельная теплоемкость воды способствует медленному нагреванию и охлаждению. Обитающие в воде организмы предохранены от резких колебаний температуры, приспосабливаясь к ритмическим колебаниям – суточным, сезонным, годовым. Вода в атмосфере оказывает смягчающее влияние на погодно-климатические условия.

Лучший иллюстратор большой теплоемкости воды — обыкновенный чайник. Если его пустым поставить на огонь, он быстро раскалится. А если наполнить водой, то за то же время он лишь слегка нагреется.

Так как теплоемкость воды высока, то она эффективно и быстро заберет излишки энергии. Поэтому вода широко применяется в производстве как удобный и доступный охладитель.

Да и дома мы наверняка знаем, что самый эффективный способ охладить сваренные вкрутую яйца или горячую сковородку – ополоснуть струей холодной воды.

Высокая удельная теплоемкость воды способствует её применению в отопительной системе, в медицинских грелках, в атомных реакторах.

Из-за высокой удельной теплоемкости воду широко используют в быту и технике. Например, в отопительных системах, для охлаждения обрабатываемых деталей.

Теоретическая модель исследования

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела или выделяемое им при охлаждении, вычисляется по формуле Q = сm(t₂— t₁).

Из этой формулы можно выразить удельную теплоемкость: с = Q/(m ∙ Δt), где Δt = (t₂ — t₁).

Измерив начальную температуру воды и зная температуру кипения, можно определить изменение температуры Δt. Количество теплоты, необходимое для нагревания воды, определяется по расходу электроэнергии и газа (предварительно все другие потребители нужно отключить).

Перечень необходимого оборудования: бытовой мерный стакан, чайник, электрический чайник, прибор учета потребления газа, прибор учета потребления электроэнергии.

Последовательность действий:

1. налить в чайник определенное количество воды;
2. измерить начальную температуру воды;
3. зафиксировать показание прибора учета;
4. довести воду до кипения;
5. зафиксировать показание прибора учета.

Оценка погрешности:

1. Абсолютная погрешность: разность между точным значением и полученным результатом.
2. Относительная погрешность: отношение абсолютной погрешности к точному значению.
3. Какими факторами обусловлена погрешность?

Регистрация и обработка полученных данных:

а) Опыт с использованием электроэнергии

начальная температура воды t₁, °С

конечная температура воды t₂, °С

Источник