Баночный калориметр, страница 70, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 1. Строение и свойства вещества. Тепловые явления. Параграф 17. Лабораторные и исследовательские работы. Практические работы-исследование - страница 70.

Условие.

«БАНОЧНЫЙ» КАЛОРИМЕТР

При проведении опытов по тепловым явлениям важно уменьшить потери тепла в окружающую среду. Для этого можно использовать такой прибор, как калориметр.

ЗАДАНИЕ. Изготовить калориметр в домашних условиях и проверить его работу.

Этапы выполнения задания

• В качестве оборудования можно использовать пластмассовую бутылку объёмом 1 л, полиэтиленовую крышку, металлическую банку (из-под консервов), ножницы, плоскогубцы, универсальный быстросохнущий клей, горячую воду, чашку, термометр, часы.

• Перед началом работы необходимо подобрать материалы (бутылку и банку) таким образом, чтобы диаметр бутылки — заготовки для внешнего стакана — был несколько больше диаметра металлической банки — внутреннего стакана.

• Обработайте острые края металлической банки, загнув их плоскогубцами. Ножницами аккуратно обрежьте пластмассовую бутылку так, чтобы в неё полностью помещалась металлическая банка (внутренний стакан).

• Из оставшихся обрезков пластмассовой бутылки при помощи ножниц вырежьте подставку для внутреннего стакана. Приклейте её клеем ко дну внешнего стакана.

• Из тех же обрезков при помощи ножниц вырежьте направляющие и приклейте их с внутренней стороны внешнего стакана. Подставка и направляющие необходимы для того, чтобы уменьшить площадь соприкосновения внутреннего и внешнего стаканов, тем самым уменьшить теплообмен с окружающей средой.

• Вставьте металлическую банку во внешний пластмассовый стакан. Проделайте в полиэтиленовой крышке (крышке калориметра) отверстие для термометра. Закройте калориметр крышкой. Калориметр готов для измерений.

• Налейте в чашку горячую воду объёмом примерно 150—200 мл. При помощи термометра проследите, как изменяется температура воды в чашке в течение времени $T = 30$ мин. Для этого через каждые 5 мин измеряйте температуру воды при помощи термометра.

• Проведите те же измерения, налив воду такого же объёма в изготовленный вами калориметр.

• В каком сосуде вода остывает быстрее? Объясните, почему температура воды в калориметре всё же изменяется.

• Сделайте выводы.

Решение.

В каком сосуде вода остывает быстрее? Объясните, почему температура воды в калориметре всё же изменяется.

Вода остывает быстрее в обычной чашке. Это происходит потому, что чашка имеет прямой и большой по площади контакт с окружающей средой, что приводит к интенсивным потерям тепла.

Теплообмен с окружающей средой происходит тремя способами:

1. Теплопроводность: тепло передается через стенки чашки непосредственно в воздух и на поверхность, на которой она стоит.

2. Конвекция: теплый воздух, нагретый от стенок чашки и поверхности воды, поднимается вверх, а его место занимает более холодный воздух. Также испарение воды с открытой поверхности уносит значительное количество теплоты.

3. Излучение: любая нагретая поверхность излучает тепло в виде инфракрасных волн.

Калориметр, даже самодельный, сконструирован так, чтобы минимизировать все эти виды теплообмена. Воздушная прослойка между внутренним и внешним стаканами является плохим проводником тепла, что значительно снижает теплопотери за счет теплопроводности. Крышка уменьшает потери тепла за счет конвекции и испарения.

Тем не менее, температура воды в калориметре всё же изменяется, потому что он не является идеальной теплоизолирующей системой. Потери тепла, хоть и медленные, происходят:

• Через воздушную прослойку все равно происходит небольшая теплопередача (теплопроводность воздуха не равна нулю).

• Через подставку и направляющие, которые соединяют внутренний и внешний стаканы, тепло уходит за счет теплопроводности.

• Через крышку, которая не является идеальным изолятором и может иметь неплотности, также происходят теплопотери.

• Через отверстие для термометра уходит тепло.

• Происходит теплообмен путем излучения между стенками внутреннего и внешнего стаканов.

Именно из-за этих остаточных теплопотерь температура воды в калориметре со временем медленно понижается.

Ответ: Вода остывает быстрее в чашке. Температура в калориметре изменяется, потому что он не обеспечивает идеальную теплоизоляцию, и небольшие потери тепла в окружающую среду все равно происходят через крышку, воздушную прослойку и точки контакта между внутренним и внешним сосудами.

Сделайте выводы.

На основе проведенного эксперимента можно сделать следующие выводы:

1. Самодельный калориметр, изготовленный из подручных материалов (пластиковой бутылки и металлической банки), является эффективным устройством для уменьшения теплообмена между содержимым и окружающей средой.

2. Сравнительный анализ скорости остывания воды в калориметре и в обычной чашке наглядно демонстрирует, что в калориметре вода остывает значительно медленнее. Это подтверждает, что конструкция калориметра успешно выполняет свою основную функцию — теплоизоляцию.

3. Основными элементами, обеспечивающими теплоизоляцию в данной конструкции, являются воздушная прослойка между внутренним и внешним сосудами (воздух — плохой проводник тепла) и крышка, которая препятствует теплообмену за счет конвекции и испарения.

4. Эксперимент доказывает, что ни один реальный калориметр не является абсолютно изолированной системой. Всегда существуют пути для утечки тепла, из-за чего температура внутри со временем стремится сравняться с температурой окружающей среды. Задача калориметра — максимально замедлить этот процесс.

Ответ: Эксперимент подтверждает, что созданный прибор работает как калориметр, то есть значительно замедляет процесс теплообмена с окружающей средой по сравнению с обычным открытым сосудом, благодаря наличию воздушной прослойки и крышки.