Номер 6, страница 460 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Лабораторные работы. 8. Измерение удельной теплоёмкости вещества - номер 6, страница 460.

Условие.

6. Из чайника с кипящей водой достаньте проволочным крючком металлический цилиндр при температуре, близкой $t_2 = 100 \text{ °C}$, и быстро перенесите его в калориметр.

Решение.

6. Данный пункт является инструкцией к выполнению лабораторной работы по определению удельной теплоемкости металлического цилиндра методом калориметрии. Суть метода заключается в составлении уравнения теплового баланса для замкнутой системы, состоящей из нагретого цилиндра, холодной воды и калориметра.

Рассмотрим подробно физический смысл каждого действия, описанного в инструкции:

Нагревание цилиндра в кипящей воде до температуры $t_2 = 100 \text{°C}$.
Чтобы определить удельную теплоемкость, необходимо знать, какое количество теплоты тело отдает при остывании на определенное число градусов. Для этого нужно точно знать начальную температуру тела. Кипящая вода при нормальном атмосферном давлении имеет стабильную и известную температуру – $100 \text{°C}$. Помещая цилиндр в кипяток на достаточное время, мы обеспечиваем, что его начальная температура перед переносом в калориметр будет равна $t_2 = 100 \text{°C}$.

Извлечение проволочным крючком и быстрое перенесение в калориметр.
Эти действия направлены на минимизацию погрешностей эксперимента. Во-первых, проволочный крючок используется для безопасности, так как цилиндр горячий. Во-вторых, его использование уменьшает теплопотери: крючок имеет малую площадь контакта с цилиндром и малую теплопроводность по сравнению с массивными щипцами, что уменьшает отвод тепла от цилиндра во время переноса. В-третьих, переносить цилиндр нужно быстро, чтобы он не успел остыть в воздухе. Чем дольше цилиндр находится в контакте с воздухом комнатной температуры, тем больше тепла он отдает в окружающую среду, и его температура в момент погружения в воду будет ниже $100 \text{°C}$. Это приведет к неверному расчету отданного тепла и, как следствие, к неверному значению удельной теплоемкости.

Процесс в калориметре и расчетная формула.
После помещения горячего цилиндра в калориметр, содержащий воду (масса $m_в$) при более низкой начальной температуре $t_1$, происходит теплообмен. Цилиндр остывает, а вода и внутренний стакан калориметра нагреваются до тех пор, пока вся система не достигнет общей конечной температуры $t$.

Согласно закону сохранения энергии, количество теплоты, отданное цилиндром ($Q_{отд}$), равно количеству теплоты, полученному водой и калориметром ($Q_{пол}$):
$Q_{отд} = Q_{пол}$
$c_{цил} m_{цил} (t_2 - t) = (c_в m_в + c_к m_к) (t - t_1)$
Здесь $c$, $m$, $t$ – удельная теплоемкость, масса и температура соответственно; индексы "цил", "в", "к" относятся к цилиндру, воде и калориметру.

Измерив все массы и температуры, и зная табличные значения $c_в$ и $c_к$, можно вычислить искомую удельную теплоемкость цилиндра:
$c_{цил} = \frac{(c_в m_в + c_к m_к) (t - t_1)}{m_{цил} (t_2 - t)}$

Ответ:
Данный шаг лабораторной работы заключается в подготовке металлического цилиндра (нагреве его до известной начальной температуры $100 \text{°C}$) и его перемещении в калориметр с минимальными потерями тепла. Это необходимо для последующего измерения теплообмена и расчета удельной теплоемкости металла по формуле, выведенной из уравнения теплового баланса.