Лабораторная работа № 1, страница 67, 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. Лабораторные работы - страница 67.

Условие.

Лабораторная работа № 1

Экспериментальная проверка уравнения теплового баланса

Цель работы

Проверить выполнение закона сохранения энергии, сравнив количество теплоты, отданное горячей водой, и количество теплоты, полученное холодной водой, при их смешивании.

Оборудование и материалы

Измерительный цилиндр (мензурка), термометр, калориметр, холодная и горячая вода.

Ход работы

• Измерьте объем $V_1$ холодной воды с помощью мензурки.

• Вычислите массу $m_1$ холодной воды.

• Измерьте температуру $t_1$ холодной воды.

• Налейте в калориметр горячую воду. Горячую воду следует наливать во внутренний сосуд калориметра, который вставлен во внешний сосуд. Измерьте температуру $t_2$ горячей воды, налитой в калориметр.

• Осторожно влейте в калориметр холодную воду. Перемешайте термометром полученную смесь и измерьте её температуру $\text{t}$.

• С помощью мензурки измерьте объём $\text{V}$ смеси.

• Вычислите объём горячей воды: $V_2 = V - V_1$.

• Вычислите массу $m_2$ горячей воды. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу в своей тетради.

Холодная вода
$V_1$		$m_1$, кг	$t_1$, °C
мл	м$^3$

Смесь холодной и горячей воды
$\text{V}$		$\text{t}$, °C
мл	м$^3$

Горячая вода
$V_2$		$m_2$, кг	$t_2$, °C
мл	м$^3$

• Учитывая, что удельная теплоёмкость воды $c = 4200$ Дж/(кг $\cdot$ °C), вычислите количество теплоты $Q_1$, которое получила холодная вода, и количество теплоты $Q_2$, которое отдала горячая вода.

$Q_1$, Дж	$Q_2$, Дж

• Сравните полученные значения и сделайте вывод.

Решение.

Для выполнения лабораторной работы заполним таблицы на основе гипотетических измерений, а затем проведем все необходимые вычисления.

Результаты измерений и вычислений

Предположим, в ходе эксперимента были получены следующие данные:

Холодная вода				Смесь холодной и горячей воды
$V_1$		$m_1$, кг	$t_1$, °C	$\text{V}$		$\text{t}$, °C
мл	м3	0,1	20	мл	м3	48
100	0,0001			200	0,0002
Горячая вода
$V_2 = V - V_1$		$m_2$, кг	$t_2$, °C
мл	м3	0,1	80
100	0,0001

Дано:

$V_1 = 100$ мл (объем холодной воды)

$t_1 = 20$ °C (температура холодной воды)

$t_2 = 80$ °C (температура горячей воды)

$V = 200$ мл (общий объем смеси)

$t = 48$ °C (температура смеси)

$c = 4200 \frac{Дж}{кг \cdot °С}$ (удельная теплоемкость воды)

$\rho = 1000 \frac{кг}{м^3}$ (плотность воды)

Перевод в систему СИ:

$V_1 = 100 \text{ мл} = 100 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 = 10^{-4} \text{ м}^3$

$V = 200 \text{ мл} = 200 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 = 2 \cdot 10^{-4} \text{ м}^3$

Найти:

$Q_1$ - ?

$Q_2$ - ?

Решение:

1. Вычислим объем горячей воды $V_2$:

$V_2 = V - V_1 = 200 \text{ мл} - 100 \text{ мл} = 100 \text{ мл} = 10^{-4} \text{ м}^3$

2. Вычислим массу холодной ($m_1$) и горячей ($m_2$) воды по формуле $m = \rho \cdot V$:

$m_1 = \rho \cdot V_1 = 1000 \frac{кг}{м^3} \cdot 10^{-4} м^3 = 0.1 \text{ кг}$

$m_2 = \rho \cdot V_2 = 1000 \frac{кг}{м^3} \cdot 10^{-4} м^3 = 0.1 \text{ кг}$

3. Вычислим количество теплоты $Q_1$, полученное холодной водой, по формуле $Q = c \cdot m \cdot (t_{кон} - t_{нач})$:

$Q_1 = c \cdot m_1 \cdot (t - t_1)$

$Q_1 = 4200 \frac{Дж}{кг \cdot °С} \cdot 0.1 \text{ кг} \cdot (48°С - 20°С) = 420 \cdot 28 = 11760 \text{ Дж}$

4. Вычислим количество теплоты $Q_2$, отданное горячей водой:

$Q_2 = c \cdot m_2 \cdot (t_2 - t)$

$Q_2 = 4200 \frac{Дж}{кг \cdot °С} \cdot 0.1 \text{ кг} \cdot (80°С - 48°С) = 420 \cdot 32 = 13440 \text{ Дж}$

Занесем вычисленные значения в таблицу:

$Q_1$, Дж	$Q_2$, Дж
11760	13440

Ответ: $Q_1 = 11760$ Дж; $Q_2 = 13440$ Дж.

Сравните полученные значения и сделайте вывод.

Сравним количество теплоты, полученное холодной водой ($Q_1$), и количество теплоты, отданное горячей водой ($Q_2$).

$Q_1 = 11760$ Дж, а $Q_2 = 13440$ Дж.

Полученные значения не равны, $Q_2 > Q_1$. В идеальных условиях (в замкнутой теплоизолированной системе) должно выполняться уравнение теплового баланса: $Q_1 = Q_2$.

Расхождение в результатах объясняется неизбежными потерями теплоты в ходе эксперимента. Часть теплоты, отданной горячей водой, рассеивается в окружающую среду, а также идет на нагрев калориметра и термометра. Также погрешности могут быть вызваны неточностью измерительных приборов (мензурки и термометра).

Вывод: Эксперимент показывает, что количество теплоты, отданное горячей водой, приблизительно равно количеству теплоты, полученному холодной водой. Разница между значениями $Q_1$ и $Q_2$ обусловлена тепловыми потерями и погрешностями измерений. Таким образом, в рамках экспериментальной погрешности, закон сохранения энергии (уравнение теплового баланса) выполняется.

Ответ: Количество теплоты, отданное горячей водой ($Q_2 = 13440$ Дж), оказалось больше количества теплоты, полученного холодной водой ($Q_1 = 11760$ Дж), что свидетельствует о потерях тепла в окружающую среду в ходе эксперимента. Тем не менее, значения близки, что подтверждает выполнение закона сохранения энергии с учетом экспериментальных погрешностей.