Страница 229 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

№ 3 ИЗМЕРЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОЁМКОСТИ ВЕЩЕСТВА

Цель работы

Определить удельную теплоёмкость вещества.

Приборы и материалы

Металлический цилиндр на нити, измерительный цилиндр, калориметр, термометр, весы рычажные с набором разновесов (электронные весы), фильтровальная бумага или бумажная салфетка, сосуд с горячей водой, стакан с холодной водой.

УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ

1. С помощью измерительного цилиндра налейте в калориметр холодную воду массой 150—200 г. Измерьте температуру воды.

2. Обработка результатов измерений. Результаты вычислений и прямых измерений температуры запишите в таблицу 12 с учётом абсолютной погрешности, равной цене деления шкалы термометра. Абсолютную погрешность измерения массы уточните у учителя.

Таблица 12

Масса воды в калориметре $m_1$, кг

Начальная температура воды $t_1$, °C

Масса цилиндра $m_2$, кг

Начальная температура цилиндра $t_2$, °C

Общая температура воды и цилиндра $t$, °C

3. Опустите металлический цилиндр, вынутый из горячей воды, в калориметр. Температуру горячей воды узнайте у учителя. После того как температура воды перестанет меняться, измерьте общую температуру воды и цилиндра.

4. Потянув за нить, выньте цилиндр из воды, оботрите его салфеткой. Определите массу металлического цилиндра с помощью весов.

5. Рассчитайте количество теплоты, которое получила вода при нагревании.

6. Пренебрегая тепловыми потерями, определите количество теплоты, которое отдал металлический цилиндр при остывании. Вычислите удельную теплоёмкость вещества, из которого сделан цилиндр. По таблице 1 определите, из какого вещества изготовлен цилиндр.

7. Сделайте вывод.

Цель работы: определить удельную теплоёмкость вещества, из которого изготовлен металлический цилиндр.

Приборы и материалы: металлический цилиндр на нити, измерительный цилиндр, калориметр, термометр, весы рычажные с набором разновесов (или электронные весы), фильтровальная бумага или бумажная салфетка, сосуд с горячей водой, стакан с холодной водой.

Поскольку данное задание представляет собой описание лабораторной работы, для его выполнения проведем мысленный эксперимент и используем для расчетов реалистичные данные, которые могли бы быть получены в ходе такого эксперимента.

Дано:

Удельная теплоёмкость воды: $c_1 = 4200 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$

Масса холодной воды в калориметре: $m_1 = 150 \text{ г}$

Начальная температура холодной воды: $t_1 = 20 \text{ °C}$

Масса металлического цилиндра: $m_2 = 200 \text{ г}$

Начальная температура цилиндра (температура горячей воды): $t_2 = 100 \text{ °C}$

Общая температура воды и цилиндра после установления теплового равновесия: $t = 28.5 \text{ °C}$

$m_1 = 150 \text{ г} = 0.15 \text{ кг}$

$m_2 = 200 \text{ г} = 0.2 \text{ кг}$

Найти:

Удельную теплоёмкость вещества цилиндра $c_2$.

Решение:

1. С помощью измерительного цилиндра налейте в калориметр холодную воду массой 150–200 г. Измерьте температуру воды.

В ходе эксперимента было измерено: масса воды $m_1 = 150 \text{ г}$, начальная температура воды $t_1 = 20 \text{ °C}$.

Ответ: $m_1 = 150 \text{ г}$, $t_1 = 20 \text{ °C}$.

2. Обработка результатов измерений. Результаты вычислений и прямых измерений температуры запишите в таблицу 12...

Заполним таблицу 12 на основе данных, полученных в ходе мысленного эксперимента.

Ответ: таблица с результатами измерений заполнена.

3. Опустите металлический цилиндр, вынутый из горячей воды, в калориметр... измерьте общую температуру воды и цилиндра.

Начальная температура цилиндра, равная температуре горячей воды, составляет $t_2 = 100 \text{ °C}$. После установления теплового равновесия общая температура воды и цилиндра стала $t = 28.5 \text{ °C}$.

Ответ: $t_2 = 100 \text{ °C}$, $t = 28.5 \text{ °C}$.

4. Потянув за нить, выньте цилиндр из воды, оботрите его салфеткой. Определите массу металлического цилиндра с помощью весов.

Масса металлического цилиндра, измеренная на весах, равна $m_2 = 200 \text{ г}$ (или 0.2 кг).

Ответ: $m_2 = 0.2 \text{ кг}$.

5. Рассчитайте количество теплоты, которое получила вода при нагревании.

Количество теплоты, полученное водой, рассчитывается по формуле: $Q_1 = c_1 \cdot m_1 \cdot (t - t_1)$ Подставим наши значения: $Q_1 = 4200 \frac{Дж}{кг \cdot °C} \cdot 0.15 \text{ кг} \cdot (28.5 \text{ °C} - 20 \text{ °C})$ $Q_1 = 630 \frac{Дж}{°C} \cdot 8.5 \text{ °C} = 5355 \text{ Дж}$

Ответ: $Q_1 = 5355 \text{ Дж}$.

6. Пренебрегая тепловыми потерями, определите количество теплоты, которое отдал металлический цилиндр при остывании. Вычислите удельную теплоёмкость вещества, из которого сделан цилиндр. По таблице 1 определите, из какого вещества изготовлен цилиндр.

Согласно закону сохранения энергии (уравнению теплового баланса), количество теплоты, отданное горячим цилиндром ($Q_2$), равно количеству теплоты, полученному холодной водой ($Q_1$), при условии, что теплообмен с окружающей средой отсутствует: $Q_2 = Q_1 = 5355 \text{ Дж}$ Количество теплоты, отданное цилиндром, также можно рассчитать по формуле: $Q_2 = c_2 \cdot m_2 \cdot (t_2 - t)$ Из этой формулы выразим удельную теплоёмкость вещества цилиндра $c_2$: $c_2 = \frac{Q_2}{m_2 \cdot (t_2 - t)}$ Подставим числовые значения: $c_2 = \frac{5355 \text{ Дж}}{0.2 \text{ кг} \cdot (100 \text{ °C} - 28.5 \text{ °C})} = \frac{5355 \text{ Дж}}{0.2 \text{ кг} \cdot 71.5 \text{ °C}} = \frac{5355 \text{ Дж}}{14.3 \text{ кг} \cdot \text{°C}} \approx 374.5 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$ Сравним полученное значение с табличными значениями удельной теплоёмкости (условная Таблица 1). Полученное значение наиболее близко к удельной теплоёмкости латуни ($c_{\text{латуни}} \approx 380 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$) или меди ($c_{\text{меди}} \approx 385 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$). Сделаем вывод, что цилиндр изготовлен из латуни.

Ответ: $Q_2 = 5355 \text{ Дж}$; $c_2 \approx 375 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$. Предположительно, цилиндр изготовлен из латуни.

7. Сделайте вывод.

В ходе выполнения лабораторной работы была экспериментально определена удельная теплоёмкость вещества, из которого изготовлен металлический цилиндр. На основе измерений массы воды и цилиндра, их начальных температур и конечной общей температуры было рассчитано количество теплоты, полученное водой. Используя уравнение теплового баланса, мы приравняли это количество теплоты к теплоте, отданной цилиндром, и вычислили его удельную теплоёмкость. Полученное значение составило $c_2 \approx 375 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$. Сравнение с табличными данными позволяет предположить, что цилиндр изготовлен из латуни. Небольшое расхождение с эталонным значением может быть связано с погрешностями измерений и неучтёнными тепловыми потерями (нагрев калориметра и окружающей среды).

Ответ: была определена удельная теплоёмкость вещества цилиндра, которая составила примерно $375 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$, что соответствует латуни.