Номер 1, страница 99 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

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

Что такое ледяной калориметр?

Ледяной калориметр — это прибор, предназначенный для измерения количества теплоты, выделяемого или поглощаемого в ходе какого-либо физического или химического процесса. Его действие основано на измерении массы льда, который плавится (или воды, которая замерзает) за счет исследуемого теплового эффекта. Этот тип калориметра был впервые предложен французскими учеными Антуаном Лавуазье и Пьером-Симоном Лапласом в 1780 году. Он позволяет с высокой точностью определять теплоемкости тел, теплоты фазовых переходов и тепловые эффекты химических реакций.

Ответ:ледяной калориметр — это прибор для измерения количества теплоты по массе растаявшего льда.

Устройство и принцип работы

Принцип работы ледяного калориметра основан на фундаментальном свойстве фазового перехода: плавление чистого льда происходит при строго постоянной температуре (0 °C или 273,15 К). Вся подводимая к тающему льду теплота ($Q$) идет не на его нагрев, а исключительно на разрушение кристаллической решетки, то есть на превращение льда в воду.

Количество теплоты, поглощенное льдом, прямо пропорционально массе растаявшей воды ($m_{воды}$):
$Q = \lambda \cdot m_{воды}$
где $\lambda$ — удельная теплота плавления льда, постоянная величина, равная примерно $3,34 \cdot 10^5 \frac{Дж}{кг}$.

Таким образом, измерив массу воды, образовавшейся в результате таяния льда, можно точно определить количество поглощенной теплоты.

Классический калориметр Лавуазье и Лапласа состоит из трех вложенных друг в друга металлических сосудов:

• Внутренний сосуд (камера): сюда помещается исследуемый объект (например, нагретое тело или реакционная смесь).
• Средний сосуд: он окружает внутренний и заполняется мелко наколотым тающим льдом. Тепло из внутреннего сосуда плавит этот лед. Образовавшаяся талая вода стекает через специальный кран в приемник, где ее массу можно измерить.
• Внешний сосуд: он выполняет роль теплоизолирующей "рубашки" и также заполняется тающим льдом. Его задача — защитить средний сосуд от притока тепла из окружающей среды. Таким образом, гарантируется, что таяние льда в среднем сосуде происходит только за счет тепла от объекта во внутреннем сосуде.

Ответ:принцип работы основан на измерении массы льда, растаявшего при постоянной температуре 0 °C, что позволяет по формуле $Q = \lambda \cdot m_{воды}$ найти количество поглощенной теплоты. Конструкция с тремя сосудами обеспечивает точное измерение за счет изоляции от внешней среды.

Пример опыта: Определение удельной теплоемкости

Рассмотрим, как с помощью ледяного калориметра можно определить удельную теплоемкость $c$ металлического образца.

Дано:

Исследуемое тело (например, стальной цилиндр).
Масса тела: $m_{тела}$ (измеряется весами).
Начальная температура тела: $t_{тела}$ (измеряется термометром, например, после нагрева в кипящей воде $t_{тела} \approx 100$ °C).
Масса растаявшей воды, собранной из калориметра: $m_{воды}$ (измеряется весами).
Температура плавления льда: $t_{плавл} = 0$ °C.
Удельная теплота плавления льда (табличное значение): $\lambda \approx 3,34 \cdot 10^5$ Дж/кг.

Найти:

Удельная теплоемкость вещества тела: $c$.

Решение:

Опыт основан на уравнении теплового баланса. Когда горячее тело помещают в калориметр, оно остывает до температуры 0 °C, отдавая количество теплоты $Q_{отд}$. Этот тепловой поток поглощается льдом в калориметре, который тает ($Q_{погл}$). В идеальной теплоизолированной системе $Q_{отд} = Q_{погл}$.

1. Количество теплоты, отданное телом при остывании:
$Q_{отд} = c \cdot m_{тела} \cdot (t_{тела} - t_{плавл})$
Поскольку $t_{плавл} = 0$ °C, формула упрощается:
$Q_{отд} = c \cdot m_{тела} \cdot t_{тела}$

2. Количество теплоты, необходимое для плавления массы льда $m_{воды}$:
$Q_{погл} = \lambda \cdot m_{воды}$

3. Приравниваем отданную и поглощенную теплоту, составляя уравнение теплового баланса:
$c \cdot m_{тела} \cdot t_{тела} = \lambda \cdot m_{воды}$

4. Из этого уравнения выражаем искомую удельную теплоемкость $c$:
$c = \frac{\lambda \cdot m_{воды}}{m_{тела} \cdot t_{тела}}$

Проведя измерения масс $m_{тела}$ и $m_{воды}$, а также начальной температуры тела $t_{тела}$, и используя табличное значение $\lambda$, можно рассчитать удельную теплоемкость вещества.

Ответ:удельная теплоемкость вещества рассчитывается по формуле $c = \frac{\lambda \cdot m_{воды}}{m_{тела} \cdot t_{тела}}$.

Идея для макета или упрощенного опыта

Создать действующий макет ледяного калориметра можно из доступных материалов.

Оборудование: термос с широким горлом, небольшая пробирка, мелко наколотый лед, электронные весы, нагретое тело (например, несколько крупных гаек), термометр.

Сборка и проведение опыта:

1. Наполните термос доверху мелко наколотым льдом. Лед должен быть тающим, то есть находиться при температуре 0 °C. Можно добавить немного холодной воды для лучшего контакта.
2. Аккуратно вдавите пробирку в центр льда. Пробирка будет играть роль внутренней камеры для исследуемого тела.
3. Подождите несколько минут, чтобы система пришла в тепловое равновесие. Термос будет выполнять роль и среднего, и внешнего сосуда, обеспечивая хорошую теплоизоляцию.
4. Взвесьте нагретое тело (гайки) $m_{тела}$ и измерьте его температуру $t_{тела}$ (например, после выдерживания в кипятке).
5. Быстро перенесите горячее тело в пробирку и закройте термос крышкой.
6. Дождитесь полного остывания тела. Тепло от него растопит часть льда, непосредственно прилегающего к пробирке.
7. Измерение массы талой воды: это самый сложный этап в упрощенной модели. Можно поступить так: по окончании процесса аккуратно вынуть пробирку с остывшим телом. Затем слить всю образовавшуюся в термосе воду (отделив ее от оставшегося льда) в заранее взвешенный стакан и определить ее массу $m_{воды}$. Этот метод имеет погрешность, так как трудно отделить только ту воду, что растаяла от горячего тела, от той, что могла быть там изначально или растаять по другим причинам.
8. Используя полученные данные, рассчитайте удельную теплоемкость по формуле из предыдущего пункта.

Ответ:макет можно собрать из термоса, пробирки и льда. Главная задача — аккуратно измерить массу воды, растаявшей в результате теплообмена с помещенным в пробирку горячим телом.

Преимущества и недостатки ледяного калориметра

Преимущества:

• Высокая точность: поскольку температура в калориметре постоянна (0 °C), исчезают погрешности, связанные с измерением изменения температуры и нелинейностью шкал термометров.
• Отличная термостабильность: внешняя ледяная "рубашка" поддерживает температуру 0 °C, что сводит к минимуму неконтролируемый теплообмен с окружающей средой.

Недостатки:

• Ограниченный диапазон: метод применим только для процессов, которые могут передать тепло льду, т.е. происходят при температурах выше 0 °C.
• Трудоемкость: подготовка калориметра, особенно получение чистого тающего льда и сборка, требует времени и аккуратности.
• Длительность измерений: необходимо дождаться полного завершения теплообмена и таяния льда.

Ответ:основное преимущество — высокая точность за счет постоянства температуры, а главный недостаток — ограниченность применения температурой выше 0 °C и трудоемкость.