Номер 1, страница 364 - гдз по физике 10 класс учебник Хижнякова, Синявина

Лабораторные работы. 9. Определение удельной теплоты плавления льда - номер 1, страница 364.

Условие.

Лабораторные работы 9. Определение удельной теплоты плавления льда

Цель работы: измерить удельную теплоту плавления льда.

Средства измерения и материалы: калориметр, термометр, измерительный цилиндр, сосуд с тёплой водой, сосуд с водой и тающим льдом.

Гипотеза исследования

Удельную теплоту плавления льда можно определить на основе уравнения теплового баланса. Для этого следует знать: а) количество теплоты $Q_1$, необходимое для плавления льда; б) количество теплоты $Q_2$, необходимое для нагревания воды, которая образовалась в результате таяния льда; в) количество теплоты $Q_3$, выделяющееся при остывании тёплой воды. При расчётах удельной теплоёмкостью вещества, из которого изготовлен калориметр, можно пренебречь, а его начальную и конечную температуры считать одинаковыми.

Конкретизируйте гипотезу исследования, используя цель работы, средства измерения и материалы.

Порядок выполнения работы

1. Приготовьте некоторое количество льда и разбейте его на кусочки небольших размеров. Лёд в воде в процессе таяния имеет температуру $t_1$, равную $0°C$.

Решение.

Конкретизация гипотезы исследования

Для определения удельной теплоты плавления льда ($\lambda$) используется уравнение теплового баланса для системы, состоящей из калориметра с тёплой водой и помещённого в него тающего льда. Принимая систему теплоизолированной (пренебрегая теплообменом с окружающей средой и теплоёмкостью калориметра), количество теплоты, отданное тёплой водой ($Q_{отданное}$), равно количеству теплоты, полученному льдом и талой водой ($Q_{полученное}$). Конкретизируем составляющие этого баланса, упомянутые в гипотезе:

а) количество теплоты $Q_1$, необходимое для плавления льда
Это количество теплоты, которое необходимо, чтобы расплавить лёд массой $m_л$ при его температуре плавления ($\text{0}$ °С). Оно рассчитывается по формуле:

$Q_1 = \lambda \cdot m_л$

где $\lambda$ – искомая удельная теплота плавления льда.

б) количество теплоты $Q_2$, необходимое для нагревания воды, которая образовалась в результате таяния льда
После плавления лёд превращается в воду с температурой $\text{0}$ °С. Эта вода затем нагревается до конечной (равновесной) температуры смеси $t_к$. Количество теплоты, затраченное на этот нагрев, равно:

$Q_2 = c_в \cdot m_л \cdot (t_к - 0) = c_в \cdot m_л \cdot t_к$

где $c_в$ – удельная теплоёмкость воды (табличное значение).

в) количество теплоты $Q_3$, выделяющееся при остывании тёплой воды
Тёплая вода массой $m_в$, изначально имевшая температуру $t_н$, остывает до конечной температуры $t_к$, отдавая при этом количество теплоты:

$Q_3 = c_в \cdot m_в \cdot (t_н - t_к)$

Уравнение теплового баланса имеет вид: $Q_{полученное} = Q_{отданное}$, или $Q_1 + Q_2 = Q_3$. Подставив выражения для количеств теплоты, получим рабочее уравнение:

$\lambda \cdot m_л + c_в \cdot m_л \cdot t_к = c_в \cdot m_в \cdot (t_н - t_к)$

Из этого уравнения можно выразить удельную теплоту плавления льда:

$\lambda = \frac{c_в [m_в(t_н - t_к) - m_л t_к]}{m_л}$

Для расчёта $\lambda$ необходимо измерить следующие величины: начальную температуру тёплой воды $t_н$ и конечную температуру смеси $t_к$ (с помощью термометра), а также массу тёплой воды $m_в$ и массу льда $m_л$. Массы определяются через объёмы, измеренные с помощью измерительного цилиндра ($V_в$ и $V_к$ - начальный и конечный объёмы), и плотность воды $\rho_в$: $m_в = \rho_в V_в$, $m_л = \rho_в (V_к - V_в)$.

Ответ: Конкретизация гипотезы заключается в выражении количеств теплоты через измеряемые параметры: $Q_1 = \lambda \cdot m_л$, $Q_2 = c_в \cdot m_л \cdot t_к$, $Q_3 = c_в \cdot m_в \cdot (t_н - t_к)$. На основе уравнения теплового баланса $Q_1 + Q_2 = Q_3$ получается расчётная формула для удельной теплоты плавления льда $\lambda = \frac{c_в [m_в(t_н - t_к) - m_л t_к]}{m_л}$, где массы ($m_в, m_л$) и температуры ($t_н, t_к$) определяются экспериментально с помощью измерительного цилиндра и термометра.