Калориметр
2
1
Встроенные детали
1. Калориметры, 6 деталей
2. Водный кран с пластиковой трубопроводом
3. Аллюминиевая емкость
4. Медная емкость
5. Свинцовая емкость
6. Термометр
3
6
45
Введение
Предназначение калориметра -это первый шаг в изучении термодинамики, исследовании
роли теплоты в физических процессах. С прибавлением баланса, льда и теплового
источника такого как PASCO’s Model TD-8556 Steam Generator, эта установка может
проводить необходимые эксперименты. Четыре из них представлены в этом справочнике.
Эксперимент 1: Что такое калория?
Введение в основы температуры и теплоты и демонстрация сохранения энергии.
Эксперимент 2: Удельная теплоемкость
Измерение удельной теплоемкости алюминия, меди и свинца.
Эксперимент 3: Скрытая теплота испарения
Исследуется роль теплоты в сохранении пара в воде.
Эксперимент 4: Латентная теплота плавления
Исследуется роль передачи тепла в сохранении льда в воде.
Замечания по калориметру
Калориметр -это оборудование, которое термически изолирует эксперимент от его
окружения. В идеале, это означает что результат эксперимента, представленный
калориметром, независим от температуры окружения, потому что внешнее тепло не
влияет на калориметр.
Однако калориметр не идеален и может случиться так, что внешнее тепло может повлиять
на результат эксперимента. Чтобы минимизировать риск влияния воздуха. следуйте
правилам:
1. Время между мерой начальной и окончательной температуры минимально.
Другими словами сделайте критические части эксперимента быстрее, таким образом
время будет минимальным. (Не спешите, планируйте все тщательно)
2. Когда возможно, обеспечьте комнатную температуру между началом и концом
экспериме
Если температура при эксперименте холоднее комнатной, внешний воздух может
повлиять на калориметр. Если температура при эксперименте теплее, внешняя теплота
также повлияет на калориметр. Если же температура колеблется ниже или выше
комнатной одинаково, то теплота поглотится внешней температурой, что минимизирует
практический эффект эксперимента.
нта.
3. Измерение массы жидкости делается как можно ближе к критической температуре
измерения.
Это снижает эффект потери массы при испарении. Измерение мас
разделения считается хорошей техникой. (Смотрите инструкции в отдельных
экспериментах).
Замечание: В приложенных правилах, часто полезно провести быстрый предварительный
эксперимент, для того чтобы определить лучший начальные массы и температуры.
с жидкостей путем
Эксперимент 1: Что такое калория?
Необходимое оборудование
Калориметры, 2
Термометр
Весы
Горячая и холодная вода
Введение
Если две системы или два объекта различных температур начинают взаимодействовать,
энергия в форме теплоты передается от более теплой системе к холодной. Этот тепловой
переход увеличивает температуру прохладных систем и уменьшает температуру теплых.
Очевидно что в результате, обе системы достигают общей температуры- средней
температуры и тепловой переход останавливается.
Стандартной единицей измерения перехода тепла является калория. Калория определяется
как количество энергии необходимой для повышения температуры одного грамма воды от
14.5° C до 15.5° C. Однако, для наших целей, мы должны обобщить наше определение, и в
данном случае калория- это количество энергии необходимое для повышения
температуры одного грамма вещества на 1 градус Цельсия.
В нашем эксперименте вы можете смешивать горячую и холодную воду, зная ее массу и
температуру. Используя определения калории, вы можете установить количество
тепловой энергии, которая передается от горячей и холодной воды к их общей
окончательной температуре, а также определить сохраняется ли тепловая энергия в
данном процессе.
Процедура
1. Определите массу пустого калориметра, M
. Запишите результаты в таблицу 1.1.
cal
2. Наполните калориметр примерно на 1/3 холодной воды. Измерите массу калориметра
и воды вместе для определения M
cal + water cold
. Запишите ваши результаты.
3. Заполните второй калориметр примерно на 1/3 горячей воды. Температура должна
примерно на 20° C выше комнатной температуры. Измерьте калориметр и воду и
определите M
4. Измерьте T
cal + water hot
и T
hot
cold
. Запишите свои результаты.
, температуры горячей и холодной воды. Запишите результаты.
5. Сразу же после измерения температур, добавьте горячей воды в холодную и
помешайте с помощью термометра, пока температура не стабилизируется. Запишите
окончательную температуру всей жидкости. T
final
.
6. Измерьте последнюю массу калориметра и смешанной воды M
final
.
7. Повторите процедуру дважды с различными массами и температурами воды. (Вы
можете попробовать добавить холодную воду в горячую вместо горячей в холодную)
Запись информации
Информация
Эксперимент 1 Эксперимент 2 Эксперимент
3
M
cal
M
cal + water cold
M
cal + water hot
T
cold
T
hot
T
final
M
final
Вычисление
Пользуясь информацией в таблице, сделайте необходимые вычисления для определения
массы холодной и горячей воды (M
температурные изменения (T
cold
water cold
and T
and M
). Запишите результаты таблицу 1.2.
hot
), а также проходившие
water hot
Использую уравнение, показанное ниже, вычислите H
and H
cold
, теплоту полученную
hot
холодной и горячей водой соответственно. Запишите результаты в таблицу.
H
H
cold
hot
= (M
= (M
water cold
water hot
)(T
)(T
)(1 cal/g K)
cold
)(1 cal/g K)
hot
Вычисления
Эксперимент 1 Эксперимент 2 Эксперимент
3
M
water cold
M
water hot
T
T
cold
hot
H
H
cold
hot
Вопросы
8. Что имело больше термической энергии: два стакана воды перед смешиванием или
после их перемешивания? Была ли сохранена энергия?
9. Обсудите нежелательные источники потери или получения тепла которые могли
повлиять на эксперимент.
10. Если 200 g воды при 85° C были добавлены к 150 g воды при 15° C, какова будет
окончательная равновесная температура смеси?
Эксперимент 2: Удельная теплоемкость
Необходимое оборудование
Калориметр
Термометр
Образцы алюминия, меди и свинца
Весы
Кипящая вода
Прохладная вода
Нить
Антифризер, примерно 100 g
Введение
Удельная теплоемкость субстанции обычно обозначается символом c, это количество
теплоты необходимое для повышения температуры одного грамма субстанции при 1° C
(или 1 K). Из определения калории данной в первом эксперименте можно увидеть, что
удельная теплоемкость воды составляет 1.0 cal/g K. Если объект сделан из субстанции
удельная теплоемкость, которой равна c
, теплота, H, необходимая для повышения
sub
температуры этого объекта количеством T то:
H = (масса объекта) (c
) (T)
sub
В первой части эксперимента вы измерите удельную теплоемкость алюминия, меди и
свинца. Во второй части вы измерите удельную теплоемкость антифризера.
ВНИМАНИЕ: В этом эксперименте используется кипящая вода и ручки горячих
металлических предметов. Будьте осторожны.
Часть 1: Удельная теплоемкость алюминия, меди и свинца.
1. Измерьте M
, массу калориметра (убедитесь, что он пустой и сухой). Запишите
cal
результаты в Таблицу 2.1.
2. Измерьте массы образцов алюминия, меди и свинца. Запишите результаты в таблицу
2.1 в ряд называемый M
sample
.
3. Проведите нитку через все образцы металлов и окуните их в кипящую воду.
Подождите пока образцы не нагреются хорошо.
4. Наполните калориметр примерно на 1/2 холодной воды – используйте достаточно
воды, чтобы накрыть образцы металлов полностью
5. Измерьте T
, температуру холодной воды. Запишите результаты в таблицу.
cool
6. Сразу следую температурным измерениям, выньте один из металлов из кипящей воды,
быстро протрите его насухо, затем подержите его в холодной воде в калориметре.
(метал должен быть полностью погружен в воду, но не касаться дна калориметра).
7. Помешайте воду термометром и запишите T
, самую высокую температуру
final
достигнутую водой при термическом равновесии с металлом.
8. Сразу же после измерения температур, измерьте и запишите M
, общую массу
total
калориметра, воды, металлов.
Часть2: Специфическая теплота антифризера
Повторите первую часть эксперимента, но используйте антифриз вместо образцов
металла, теплота антифризера примерно 100 g при 60° C.Измерьте и запишите
температуру, затем быстро налейте антифриз в калориметр, содержащий прохладную
воду, и помешайте, пока самая высокая стабильная температура не установиться
(примерно 1 минута). Запишите, полученные данные и вычисления на отдельный
листочек. Вам понадобится следующая информация:
M
, масса калориметра,
cal
M
T
M
T
масса калориметра плюс воды,
water
температура прохладной воды,
cool
,масса калориметра плюс вода плюс антифриз
total
, температура воды плюс антифриз.
final
Данные и вычисления
Эксперимент 1 Эксперимент 2 Эксперимент
M
cal
M
T
sample
cool
Данные и вычисления
(Часть 1)
3
T
final
M
total
M
water
T
T
c
water
sample
Часть 1
Для каждого тестируемого металла, используйте уравнение, показанное ниже, чтобы
определить M
она взаимодействует с образцом металла, и T
, массу используемой воды, T
water
, изменения температуры воды, когда
water
, изменения температуры металла
sample
когда он взаимодействует с водой. Запишите результаты в таблицу 2.1.
M
water
= M
total
- (M
cal
+ M
sample
)
T
T
= T
water
= 100° C - T
sample
final
- T
cool
final
Из закона сохранения энергии, теплота, потерянная металлом должна быть равна теплоте
полученной водой:
Теплота потерянная металлом = (M
sample
) (c
sample
) (T
sample
) = (M
water
) (c
water
) (T
water
) =
Теплота, приобретенная водой
Где c
это удельная теплоемкость воды, которая равна 1.0 cal/g K.
water
Используя уравнения, данные выше и собранную информацию, решите удельную
теплоемкость алюминия, меди и свинца. Запишите результаты в последний ряд таблицы
2.1.
Часть2
M
= ____________
cal
M
= ____________
water
T
= ____________
cool
= ____________
M
total
T
= ____________
final
Проведите вычисления, по аналогии части 1 для определения c
antifreeze
, удельной
теплоемкости антифриза.
c
antifreeze
= ____________
Вопросы
1. Как сравнить удельную теплоемкость металлов и воды?
2. Определите нежелательные способы потери или получения теплоты, которые могли
бы повлиять на эксперимент.
3. Из измеренной специфической теплоты антифриза, что может быть лучшим
охладителем для автомобильного двигателя антифриз или вода? Почему антифриз
использует охладитель двигателя?
Эксперимент 3: Латентная теплота испарения
Необходимое оборудование
Калориметр
Термометр
Паровой генератор
Водоотделитель
Трубопровод
Весы
Если нет возможности использовать паровой генератор, можно использовать
дистилляционную фляжку и бунзеновскую горелку. Вторая фляжка может служить в
качестве водного трапа.
Введение
Если субстанция изменяет фазы, то изменяется и порядок молекул. Если новое
упорядочивание имеет внутреннюю энергию выше, субстанция должна поглотить
теплоту, для того, чтобы сделать фазовый переход. И наоборот, если новый порядок
имеет внутреннюю энергию ниже, то теплота сброситься, как только произойдет переход.
В этом эксперименте вы установите, насколько больше энергии содержится в одном
грамме пара при 100ûC, чем в одном грамме воды при той же температуре. Эта величина
называется латентная теплота испарения воды.
ВНИМАНИЕ: В эксперименте используется кипяченая вода и пар. Будьте
осторожны.
tubing, 25 cm
water
trap
tubing, 35 cm
glass tube to
restrict opening
steam
generator
Figure 3.1: Equipment set-up
Процедура
1. Измерьте комнатную температуру T
rm
,.
2. Установите паровой генератор и водоотделитель, как показано на картинке 3.1. Длины
труб должны соответствовать тем, что показаны на картинке.
3. Установите M
, массу пустого, сухого калориметра.
cal
4. Заполните калориметр примерно на 1/2 холодной воды с температурой около 10° C
ниже комнатной температуры.
5. Включите паровой генератор и подождите пока пар не начнет выделяться свободно в
течении одной минуты.
6. Измерьте T
initial
и M
cal + water
, температуру холодной воды, а также массу воды и
калориметра.
7. Сразу же погрузите свободный конец короткого водопровода в холодную воду
калориметра. Мешайте постоянно воду с помощью термометра.
ВАЖНО: Конец водоотделителя должен быть выше уровня воды в калориметре, для
избегания попадания воды назад в водоотделитель.
8. Когда температура воды, T, достигнет выше комнатной температуры, так как в начале
она была ниже комнатной, достаньте паровую трубу. Продолжайте мешать воду и
запишите самую высокую стабильную температуру воды (T
final
).
ВАЖНО: Всегда убирайте паровую трубку из воды перед выключением парового
генератора теплоты. (Можете объяснить почему?)
9. Сразу определите M
, массу калориметра плюс воды плюс (конденсата) пара.
final
Данные
= ____________
T
rm
M
= ____________
cal
= ____________
T
initial
M
cal + water
T
final
M
final
= ___________
= ____________
= ____________
Вычисления
Когда пар конденсируется в холодной воде, тепловая энергия освобождается в воду двумя
способами. Во-первых сбрасывается латентная теплота испарения. В связи с этим, пар
превращается в воду, но новая превращенная вода все еще кипит при температуре100° C.
Во-вторых, заново превращенная вода выпускает тепло, как только попадает в
термическим равновесием с более охлажденной водой при окончательной равновесной
температуре, T
final
.
Согласно правилам сохранения энергии, общая теплота, выпускаемая паром равна общей
теплоте поглощенной прохладной водой. Математически это выглядит так:
(M
M
M
T
steam
= M
steam
= M
water
= 100 ûC
steam
)(Hv) + (M
- M
final
cal + water
)(1 cal/g K)(T
steam
cal + water
- M
= __________________
= __________________
cal
steam
- T
final
) = (M
)(1 cal/g K)(T
water
final
- T
initial
)
Hv = латентная теплота испарения на 1 грамм воды
Используя ваши данные, а также информацию выше, определите Hv.
NOTE: Термометр также поглощает определенное количество тепла в течение
эксперимента. Для более приближенного значения, убедитесь что емкость тепла
термометра равна 1 g воды.(например, добавьте 1 g к M
уравнение выше).
water
Hv = ____________
Вопросы
1. Почему ожог, причиненный одним граммом пара при 100°, C наносит больше вреда,
чем ожог, причиненный одним граммом воды при 100° C?
2. Подумайте, как теплота испарения может влиять на климат и погоду.
3. В каком случае вода используемая при приготовлении пищи служит как охладитель?
(Подсказка: Что случится если выкипит вся вода?)
Эксперимент 4: Латентная теплота плавления
Необходимое оборудование
Калориметр
Термометр
Лед в воде
Теплая вода
Введение
Как только пар достигает высшей внутренней энергетического содержания, чем вода, то
вода имеет больше внутреннего содержания энергии, чем лед. Это занимает определенной
количество энергии для молекул воды, чтобы освободить давление, которое сдерживает
их вместе в кристаллической форме льда. Тоже самое количество энергии освобождается,
когда водные молекулы связываются и образуют ледяной кристалл.
В этом эксперименте, вы измерите разницу внутренней энергии между одним граммом
льда при 0° C и одного грамма воды при 0° C. Эта разница в энергии и есть латентная
теплота плавления воды.
Процедура
1. Измерьте комнатную температуру T
rm
.
2. Определите М
, массу пустого, высушенного калориметра.
cal
3. Наполните калориметр примерно на 1/2 теплой воды при15° C выше комнатной.
4. Измерьте M
5. Измерьте T
cal + water
initial
, массу калориметра и воды.
, начальную температуру теплой воды.
6. Добавьте маленькие кусочки льда в теплую воду, уберите излишек воды. Добавляйте
лед медленно, постоянно мешая термометром пока каждая льдинка не растает.
7. Когда температура смеси будет намного ниже комнатной, а первоначально вода была
выше комнатной температуры и весь лед растает, измерьте окончательную
температуру воды (T
8. Сразу после измерения Т
final
).
, взвесьте калориметр и воду, чтобы определить M
final
final
.
Предлагаемые дополнительные эксперименты
Повторите снова эксперимент, но вместо обычного льда используйте лед, который
упакован в металлическом или пластиковом контейнере для замораживания или
используйте лед из кулеров для пикника.
Данные
T
= ________________
rm
M
= ________________
cal
M
cal + water
T
initial
= ________________
= ________________
T
= ________________
final
M
= ________________
final
Вычисление
Согласно правилам сохранения энергии, количество теплоты поглощенное льдом, когда
он тает и подогревается до окончательного температурного равновесия, должна быть
равна количеству теплоты выделяемой теплой водой, когда она охлаждается до
окончательного температурного равновесия. Математически это показано так:
(M
)(Hf) + (M
ice
)(1 cal/g K)(T
ice
- 0° C) = (M
final
)(1 cal/g K)(T
water
initial
- T
final
)
= M
M
ice
Используйте ваши данные и информацию выше, чтобы определить H
final
- M
cal + water
= __________________
, латентную теплоту
f
плавления грамма воды.
Hf = латентная теплота плавления на один грамм воды.
Вопросы
1. Какие преимущества могут коммерческие упакованные охлаждающие материалы
иметь надо льдом, кроме как меньшего причинения беспорядка? (Если вы не
проводили дополнительного эксперимента, какими свойствами должен обладать
материал для того, чтобы стать лучшим охладителем, чем лед?)
2. Спроектируйте опыт для того чтобы определить, какая из двух субстанций (например,
лед или упакованный охладитель) будет содержать изолированный пищевой кулер
охлажденным в течение долгого времени и какой самой наименьшей температуры?
Техническое обеспечение
Для оказания помощи обращаться PASCO по адресу
Адрес: PASCO scientific
10101 Foothills Blvd.
Roseville, CA 95747-7100
Телефон: 916-786-3800 (по всему миру)
800-772-8700 (U.S.)
Факс:916-786-7565
Web:www.pasco.com
Email:support@pasco.com
Для более детальной информации о приборе. А также последним навинках компании
обращайтесь по адресу:
www.pasco.com/go?Error! Reference source not found.
Гарантия
Для информации о гарантии продукта, смотрите PASCO каталог.
Авторские права
Все авторские право компании PASCO scientific Error! Reference source not found.
Force Sensor Instruction Sheet защищены.Разрешение на выпуск любой части
руководства по эксплуатации выдается только некоммерческим образовательным
институтам, продукт может использоваться только в лабораториях институтов. Выпуск
продукции без разрешения запрещен.
Торговая марка
PASCO, PASCO scientific, and PASPORT зарегистрированные торговые марки PASCO
scientific, в США и в других странах.. Все брэнды, продукты или услуги компании могут
использоваться под этой маркой. Для большой информации посетите сайт
www.pasco.com/legal.
Loading...