Номер 1, страница 92 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1.«Ледяной калориметр» (возможная форма: презентация, опыт, макет).

История создания и принцип действия

Ледяной калориметр — это прибор для измерения количества теплоты, основанный на явлении таяния льда. Он был впервые предложен французскими учёными Антуаном Лавуазье и Пьером-Симоном Лапласом около 1780 года.

Принцип действия калориметра основан на том, что для плавления льда при постоянной температуре ($0^\circ\text{C}$ или $273.15 \text{ K}$) требуется строго определённое количество теплоты. Всё тепло, выделяемое исследуемым телом или в ходе химической реакции внутри калориметра, идёт исключительно на плавление льда. Количество выделившейся теплоты ($Q$) прямо пропорционально массе расплавленного льда ($m_{льда}$):

$Q = \lambda \cdot m_{льда}$

где $\lambda$ — удельная теплота плавления льда, равная примерно $3.34 \cdot 10^5 \text{ Дж/кг}$.

Таким образом, измерив массу льда, превратившегося в воду, можно точно определить количество поглощённой теплоты. Массу растаявшего льда можно определить либо прямым взвешиванием собранной талой воды, либо по изменению объёма системы «лёд-вода», так как плотность льда меньше плотности воды. При таянии льда объём системы уменьшается. Изменение объёма ($\Delta V$) связано с массой растаявшего льда ($m_{льда}$) соотношением:

$m_{льда} = \frac{\Delta V}{1/\rho_{льда} - 1/\rho_{воды}}$

где $\rho_{льда} \approx 917 \text{ кг/м}^3$ и $\rho_{воды} \approx 1000 \text{ кг/м}^3$ при $0^\circ\text{C}$.

Ответ: Ледяной калориметр определяет количество теплоты путём измерения массы льда, растаявшего при температуре $0^\circ\text{C}$ под действием этой теплоты, согласно формуле $Q = \lambda \cdot m_{льда}$.

Устройство и разновидности

Классический ледяной калориметр Лавуазье и Лапласа состоит из трёх концентрических сосудов:

1. Внутренний сосуд (камера): В него помещается исследуемое тело или реакционная смесь. Тепло, выделяемое в этой камере, передаётся следующему сосуду.
2. Средний сосуд: Он заполнен мелко наколотым чистым льдом или смесью льда и дистиллированной воды при $0^\circ\text{C}$. Этот сосуд полностью окружает внутреннюю камеру. Тепло из внутренней камеры плавит лёд в этом сосуде. Образовавшаяся талая вода стекает через специальный кран в приёмник, где её массу измеряют.
3. Внешний сосуд: Он также заполнен льдом и служит теплоизолирующей оболочкой (рубашкой), защищающей средний сосуд от притока тепла из окружающей среды. Это гарантирует, что таяние льда в среднем сосуде происходит только за счёт тепла от исследуемого объекта.

Более поздней и точной модификацией является ледяной калориметр Бунзена. В нём количество растаявшего льда определяется не по массе талой воды, а по уменьшению объёма системы. Основная часть прибора — пробирка, впаянная в более широкий сосуд, который соединён с узкой горизонтальной градуированной капиллярной трубкой. Пространство между пробиркой и сосудом заполнено кипячёной водой и ртутью, которая также заполняет часть капилляра. Вокруг пробирки создаётся ледяная "рубашка". Когда в пробирку помещают тёплое тело, лёд тает, общий объём системы "лёд-вода" уменьшается, и столбик ртути в капилляре смещается. По этому смещению с высокой точностью определяют изменение объёма, а затем и количество теплоты.

Ответ: Калориметр состоит из центральной камеры для образца, окружённой рабочим сосудом со льдом и внешней теплоизолирующей ледяной рубашкой. В классической модели измеряют массу талой воды, в калориметре Бунзена — изменение объёма системы.

Проведение эксперимента (пример определения удельной теплоёмкости)

Рассмотрим, как с помощью ледяного калориметра можно определить удельную теплоёмкость ($c$) металлического образца.

1. Образец известной массы $m_{т}$ нагревают в водяной бане до известной температуры $T_1$ (например, до $100^\circ\text{C}$).
2. Быстро переносят нагретый образец в сухую внутреннюю камеру ледяного калориметра. Камеру герметично закрывают.

3. Образец остывает от температуры $T_1$ до температуры таяния льда $T_2 = 0^\circ\text{C}$. При этом он выделяет количество теплоты $Q_{отд}$, равное:

   $Q_{отд} = c \cdot m_{т} \cdot (T_1 - T_2)$

4. Всё это тепло поглощается льдом в среднем сосуде и идёт на его плавление. Количество поглощённой теплоты $Q_{погл}$ равно:

   $Q_{погл} = \lambda \cdot m_{льда}$

5. После завершения теплообмена (когда образец остынет до $0^\circ\text{C}$ и таяние льда прекратится), измеряют массу растаявшего льда $m_{льда}$, собрав и взвесив талую воду.

6. Согласно закону сохранения энергии (уравнение теплового баланса), отданное тепло равно поглощённому: $Q_{отд} = Q_{погл}$.

   $c \cdot m_{т} \cdot (T_1 - T_2) = \lambda \cdot m_{льда}$

7. Из этого уравнения выражают искомую удельную теплоёмкость:

   $c = \frac{\lambda \cdot m_{льда}}{m_{т} \cdot (T_1 - T_2)}$

Ответ: Для определения удельной теплоёмкости нагретое до известной температуры тело помещают в калориметр, измеряют массу растаявшего льда и, используя уравнение теплового баланса, вычисляют искомую величину.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокая точность. Так как температура внутри прибора постоянна ($0^\circ\text{C}$), погрешности, связанные с измерением температуры и поправками на теплообмен с окружающей средой, минимизируются.
• Простота расчётов. Нет необходимости знать теплоёмкость самого калориметра, так как его температура не меняется.

Недостатки:

• Ограниченный температурный диапазон. Измерения можно проводить только при одной температуре — $0^\circ\text{C}$.
• Длительность эксперимента. Процесс таяния льда и установления теплового равновесия может занимать много времени.
• Трудоёмкость. Подготовка калориметра к работе (приготовление чистого льда, сборка установки) требует аккуратности и времени.
• Требования к чистоте веществ. Для точных измерений необходимо использовать очень чистый (дистиллированный) лёд и воду, так как примеси изменяют температуру плавления и удельную теплоту плавления.

Ответ: Основное преимущество ледяного калориметра — высокая точность измерений благодаря постоянству температуры, а главный недостаток — возможность работы только при $0^\circ\text{C}$ и трудоёмкость подготовки эксперимента.