Страница 227 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

№ 1 ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА КАЛОРИМЕТРА

Цель работы

Изучить устройство калориметра. Сравнить скорости теплообмена с внешней средой горячей воды в калориметре и в стакане.

Приборы и материалы

Измерительный цилиндр, стакан, калориметр, термометр.

УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ

1. Рассмотрите, как устроен калориметр.

2. Налейте в калориметр и в стакан по 100 мл горячей воды. Измерьте начальную температуру воды в обоих сосудах.

3. Обработка результатов прямых измерений. Результаты измерений с учётом абсолютной погрешности, равной цене деления шкалы термометра, запишите в таблицу 10.

Таблица 10

4. Наблюдайте за изменением температуры воды в течение 10 мин в калориметре и в стакане. Измерьте конечную температуру воды в сосудах.

5. Сравните изменение температуры горячей воды в калориметре и в стакане за 10 мин и сделайте вывод. Объясните, за счёт каких особенностей конструкции сосуда (калориметра) изменяется скорость теплообмена с внешней средой.

1. Рассмотрите, как устроен калориметр.

Калориметр — это прибор, предназначенный для измерения количества теплоты, которое выделяется или поглощается в ходе различных физических или химических процессов. Конструкция школьного калориметра направлена на создание адиабатически изолированной системы, то есть системы, теплообмен которой с окружающей средой сведен к минимуму.

Основные элементы конструкции и их назначение:

1. Внутренний сосуд (стакан): Обычно изготавливается из металла с высокой теплопроводностью (например, алюминия). В него наливают жидкость или помещают тела, участвующие в теплообмене. Хорошая теплопроводность обеспечивает быстрое установление теплового равновесия внутри сосуда.

2. Внешний сосуд (кожух): Служит в качестве внешней оболочки, защищающей внутренний сосуд от воздействия окружающей среды.

3. Воздушный промежуток: Между стенками внутреннего и внешнего сосудов находится слой воздуха. Воздух является плохим проводником тепла, поэтому такая прослойка значительно уменьшает передачу тепла за счет теплопроводности.

4. Крышка: Изготавливается из теплоизолирующего материала (например, пластмассы или пробки). Она закрывает калориметр сверху, чтобы уменьшить теплопотери за счет конвекции (предотвращает выход нагретого воздуха и пара) и испарения жидкости с поверхности.

5. Теплоизолирующие опоры: Внутренний сосуд ставится на небольшие подставки (например, из пробки), которые минимизируют передачу тепла через дно калориметра.

6. Отверстия в крышке: Предназначены для введения термометра (для измерения температуры) и мешалки (для перемешивания жидкости и ускорения установления теплового равновесия).

Ответ: Калориметр устроен как "сосуд в сосуде" (система Дьюара) с воздушной прослойкой между ними. Он снабжен теплоизолирующей крышкой и опорами. Такая конструкция предназначена для максимальной изоляции содержимого от теплообмена с внешней средой.

2. Налейте в калориметр и в стакан по 100 мл горячей воды. Измерьте начальную температуру воды в обоих сосудах.

Этот пункт является инструкцией к выполнению эксперимента. Для теоретического решения задачи предположим, что эксперимент проведен, и перейдем к обработке его гипотетических результатов.

Дано:

$V_{\text{воды}} = 100 \text{ мл} = 1 \cdot 10^{-4} \text{ м}^3$

$\tau = 10 \text{ мин} = 600 \text{ с}$

$\Delta t = 1 \text{ °C}$ (абсолютная погрешность измерения температуры, равная цене деления)

Найти:

Сравнить изменение температуры воды в калориметре $\Delta T_{\text{кал}}$ и в стакане $\Delta T_{\text{стак}}$ за время $\tau$. Объяснить разницу в скорости теплообмена.

Решение

3. Обработка результатов прямых измерений. Результаты измерений с учётом абсолютной погрешности, равной цене деления шкалы термометра, запишите в таблицу 10.

Предположим, что в ходе эксперимента были получены следующие данные, которые занесены в таблицу.

Таблица 10. Результаты измерений температуры воды

Ответ: Гипотетические результаты измерений внесены в таблицу 10.

4. Наблюдайте за изменением температуры воды в течение 10 мин в калориметре и в стакане. Измерьте конечную температуру воды в сосудах.

Этот пункт является инструкцией к выполнению измерений. Результаты измерений, полученные в ходе выполнения этого пункта, занесены в таблицу 10.

5. Сравните изменение температуры горячей воды в калориметре и в стакане за 10 мин и сделайте вывод. Объясните, за счёт каких особенностей конструкции сосуда (калориметра) изменяется скорость теплообмена с внешней средой.

Для сравнения скорости остывания рассчитаем изменение температуры $\Delta T = t_0 - t_1$ для каждого сосуда, используя данные из таблицы 10.

1. Изменение температуры воды в калориметре:

$\Delta T_{\text{кал}} = t_{0} - t_{1, \text{кал}} = 80 \text{ °C} - 75 \text{ °C} = 5 \text{ °C}$

2. Изменение температуры воды в стакане:

$\Delta T_{\text{стак}} = t_{0} - t_{1, \text{стак}} = 80 \text{ °C} - 65 \text{ °C} = 15 \text{ °C}$

Сравнивая полученные значения, видим, что $\Delta T_{\text{стак}} > \Delta T_{\text{кал}}$ ($15 \text{ °C} > 5 \text{ °C}$).

Вывод: За 10 минут вода в стакане остыла на $15 \text{ °C}$, в то время как вода в калориметре — всего на $5 \text{ °C}$. Это свидетельствует о том, что скорость теплообмена с окружающей средой (скорость остывания) в обычном стакане значительно выше, чем в калориметре.

Объяснение: Разница в скорости теплообмена обусловлена конструкцией калориметра, которая эффективно препятствует потере тепла:

- Уменьшение теплопроводности: Воздушная прослойка между двумя сосудами калориметра является плохим проводником тепла, что резко снижает теплопотери через стенки. У стакана тепло легко уходит через его единственную стенку.

- Уменьшение конвекции и испарения: Наличие крышки у калориметра препятствует выходу нагретого воздуха и пара, а также испарению воды. Испарение — это процесс, который сопровождается поглощением энергии и приводит к охлаждению жидкости. Стакан открыт, поэтому теплопотери за счет конвекции и испарения с его поверхности значительны.

- Уменьшение излучения: Часто внутренние поверхности калориметра делают полированными и блестящими, чтобы уменьшить передачу тепла путем излучения.

Таким образом, специальное устройство калориметра замедляет все виды теплопередачи, что и объясняет значительно меньшую скорость остывания воды в нем по сравнению со стаканом.

Ответ: Изменение температуры воды в стакане ($15 \text{ °C}$) за 10 минут оказалось в три раза больше, чем в калориметре ($5 \text{ °C}$). Вывод: калориметр значительно эффективнее сохраняет тепло по сравнению с обычным стаканом. Это достигается за счет его особой конструкции (двойные стенки с воздушной прослойкой, теплоизолирующая крышка, опоры), которая минимизирует теплообмен с окружающей средой путем теплопроводности, конвекции и излучения.