Номер 1, страница 206 - гдз по физике 8 класс учебник Хижнякова, Синявина

Домашние лабораторные работы - номер 1, страница 206.

Условие.

1. Исследование теплообмена жидкости в калориметре с окружающей средой

Цель работы: убедиться, что назначение калориметра – уменьшение скорости теплообмена между жидкостью и окружающей средой.

Средства измерения и материалы: калориметр – 2 шт., внутренний сосуд калориметра, лабораторный термометр – 3 шт., сосуд с горячей водой, измерительный цилиндр (мензурка), часы, самодельная крышка из картона с отверстием для термометра.

Гипотеза исследования

Если налить одинаковые массы воды при одной и той же температуре в закрытый калориметр (рис. 170, а), открытый калориметр (рис. 170, б) и отдельно во внутренний сосуд калориметра (рис. 170, в), то за одно и то же время температура воды в каждом из сосудов изменится по-разному.

Конкретизируйте гипотезу, учитывая, что в одном из калориметров вода остывает быстрее, а в других медленнее.

Рис. 170

Порядок выполнения работы

1. Рассмотрите рис. 170, на котором изображены два калориметра и внутренний стакан калориметра.

2. Изготовьте два калориметра, используя пластмассовые бутылки разного диаметра. На дно большого цилиндра положите кусочек пенопласта и поставьте на него цилиндр меньшего диаметра. Для одного из калориметров изготовьте крышку из картона.

3. Убедитесь, что между стенками и дном внешнего и внутреннего сосудов калориметра находится слой воздуха, затрудняющий теплообмен с окружающей средой.

4. Измерьте температуру горячей воды в сосуде и запишите результат с учётом абсолютной погрешности: $t = t_{изм} \pm \Delta t$.

5. С помощью мензурки отмерьте три одинаковых объёма горячей воды, перелейте её в калориметры и в отдельный сосуд калориметра. Один из калориметров закройте крышкой.

6. Примерно через 10 мин измерьте температуру воды в закрытом и открытом калориметрах и в отдельном сосуде калориметра. Запишите результаты с учётом абсолютной погрешности измерений.

7. Сравните показания термометров и сделайте вывод о подтверждении или опровержении гипотезы.

Решение.

Гипотеза исследования

Конкретизированная гипотеза:
Температура воды, налитой в три разных сосуда, будет изменяться с разной скоростью. Медленнее всего вода будет остывать в закрытом калориметре (рис. 170, а), так как его конструкция (двойные стенки с воздушной прослойкой и крышка) обеспечивает наилучшую теплоизоляцию. Несколько быстрее будет остывать вода в открытом калориметре (рис. 170, б), где теплообмен с окружающей средой происходит интенсивнее из-за отсутствия крышки. Самое быстрое остывание произойдет во внутреннем сосуде калориметра, стоящем отдельно (рис. 170, в), поскольку у него нет никакой дополнительной теплоизоляции.

Ответ: Вода в закрытом калориметре будет остывать медленнее всего, в открытом калориметре — быстрее, а во внутреннем сосуде без внешней колбы — быстрее всех.

Сравнение показаний термометров и вывод

После проведения измерений через 10 минут, мы получим три разных значения конечной температуры. Обозначим начальную температуру воды как $t_{нач}$, а конечные температуры в закрытом калориметре, открытом калориметре и отдельном сосуде как $t_а$, $t_б$ и $t_в$ соответственно.

Ожидаемые результаты измерений покажут следующее соотношение температур: $t_а > t_б > t_в$.

Это объясняется различиями в скорости теплообмена для каждого случая:

1. Отдельный внутренний сосуд (в): Теплообмен с окружающей средой происходит наиболее интенсивно. Тепло теряется через стенки и дно сосуда (теплопроводность и конвекция), а также с открытой поверхности воды (конвекция и испарение).

2. Открытый калориметр (б): Двойные стенки с воздушной прослойкой между ними значительно уменьшают потери тепла через боковые стенки, так как воздух является плохим проводником тепла. Это ослабляет теплообмен за счет теплопроводности и конвекции. Однако, поскольку калориметр открыт, основные потери тепла происходят с поверхности воды за счет испарения и конвекции.

3. Закрытый калориметр (а): Здесь теплоизоляция максимальна. Двойные стенки с воздухом минимизируют теплопотери через стенки, а крышка практически полностью предотвращает теплообмен с открытой поверхности воды, значительно уменьшая потери тепла за счет конвекции и, что особенно важно, испарения.

Вывод: Эксперимент подтверждает выдвинутую гипотезу. Калориметр является прибором, предназначенным для уменьшения теплообмена между телом внутри него и окружающей средой. Наиболее эффективную теплоизоляцию обеспечивает закрытый калориметр, так как его конструкция (двойные стенки и крышка) сводит к минимуму все основные виды теплопередачи: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение (за счет полированных внутренних поверхностей, которые не упоминаются в задаче, но являются стандартными для калориметров), а также испарение.

Ответ: Сравнение температур подтверждает гипотезу: $t_{закрытый} > t_{открытый} > t_{сосуд}$. Это доказывает, что назначение калориметра — уменьшение скорости теплообмена с окружающей средой.