Страница 229 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

№ 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, сосуд с горячей водой, часы.

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 измерений. Результаты прямых измерений с учётом абсолютной погрешности, равной цене деления шкалы термометра, записывайте в таблицу 11.

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

5. Сравните изменение температуры 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 изоляции физической системы от окружающей среды с целью измерения количества теплоты, которое система получает или отдает. Школьный калориметр, как правило, имеет конструкцию, схожую с термосом. Он состоит из двух основных частей:

• Внутренний сосуд (стакан): Обычно изготовлен из металла с хорошей теплопроводностью (например, алюминия), чтобы температура внутри него быстро выравнивалась. В этот сосуд помещают исследуемые вещества.
• Внешний кожух (стакан): Окружает внутренний сосуд. Между стенками внутреннего и внешнего сосудов находится воздушный промежуток или слой теплоизоляционного материала (например, войлок, пенопласт). Воздух является плохим проводником тепла, что значительно уменьшает теплопередачу за счет теплопроводности.

Сверху калориметр закрывается крышкой, часто изготовленной из теплоизолирующего материала (например, пластика или эбонита). В крышке есть отверстия для термометра и мешалки. Такая конструкция минимизирует теплообмен с окружающей средой за счет подавления трех механизмов теплопередачи: теплопроводности, конвекции и излучения.

Ответ: Калориметр устроен как система из двух сосудов, вставленных один в другой и разделенных теплоизолирующей прослойкой (воздухом). Он снабжен крышкой с отверстиями для термометра и мешалки. Такая конструкция обеспечивает хорошую теплоизоляцию содержимого от внешней среды.

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

Выполняя данный пункт, мы наливаем одинаковый объем горячей воды в калориметр и в обычный стеклянный стакан. С помощью термометра измеряем начальную температуру воды. Для проведения расчетов предположим, что начальная температура в обоих сосудах одинакова.

Ответ: В оба сосуда налито по 100 мл горячей воды, начальная температура измерена и будет занесена в таблицу.

3. Обработка результатов измерений. Результаты прямых измерений с учётом абсолютной погрешности, равной цене деления шкалы термометра, записывайте в таблицу 11.

Результаты измерений, проведенных в ходе эксперимента, сведем в таблицу. Предположим, что цена деления используемого термометра составляет $1 ^\circ\text{C}$, следовательно, абсолютная погрешность прямого измерения температуры равна $\pm 0.5 ^\circ\text{C}$.

Ответ: Результаты измерений с учетом погрешности занесены в таблицу.

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

После измерения начальной температуры мы оставили оба сосуда на 10 минут при комнатной температуре. По истечении этого времени была измерена конечная температура воды в калориметре и в стакане. Эти данные также занесены в таблицу 11.

Ответ: Наблюдение проводилось в течение 10 минут, конечные температуры измерены и внесены в таблицу.

5. Сравните изменение температуры 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.

Дано:
Время наблюдения: $\tau = 10 \text{ мин}$
Начальная температура воды: $t_0 = 80.0 ^\circ\text{C}$
Конечная температура воды в калориметре: $t_{1,\text{кал}} = 76.0 ^\circ\text{C}$
Конечная температура воды в стакане: $t_{1,\text{стакан}} = 68.0 ^\circ\text{C}$

Найти:
Изменение температуры воды в калориметре $\Delta t_{\text{кал}}$, изменение температуры воды в стакане $\Delta t_{\text{стакан}}$. Сравнить их и сделать вывод.

Решение:
1. Найдем изменение температуры воды в калориметре:
$\Delta t_{\text{кал}} = t_0 - t_{1,\text{кал}} = 80.0 ^\circ\text{C} - 76.0 ^\circ\text{C} = 4.0 ^\circ\text{C}$

2. Найдем изменение температуры воды в стакане:
$\Delta t_{\text{стакан}} = t_0 - t_{1,\text{стакан}} = 80.0 ^\circ\text{C} - 68.0 ^\circ\text{C} = 12.0 ^\circ\text{C}$

3. Сравним изменения температур:
$\Delta t_{\text{стакан}} = 12.0 ^\circ\text{C}$, а $\Delta t_{\text{кал}} = 4.0 ^\circ\text{C}$.
Видно, что $\Delta t_{\text{стакан}} > \Delta t_{\text{кал}}$. Вода в стакане остыла на $12.0 ^\circ\text{C}$, а в калориметре — всего на $4.0 ^\circ\text{C}$, то есть в 3 раза меньше.

Вывод:
Скорость теплообмена (остывания) воды в калориметре значительно ниже, чем в стакане. Это означает, что калориметр является эффективным теплоизолирующим прибором.

Объяснение:
Высокие теплоизоляционные свойства калориметра достигаются за счет особенностей его конструкции, которые направлены на уменьшение всех видов теплопередачи:

• Уменьшение теплопроводности: Наличие воздушного зазора или теплоизолятора между внутренним и внешним сосудами резко снижает передачу тепла через стенки, так как воздух и специальные теплоизоляторы являются плохими проводниками тепла.
• Уменьшение конвекции: Крышка калориметра предотвращает циркуляцию воздуха над поверхностью воды, блокируя унос тепла конвекционными потоками. Также крышка уменьшает испарение воды, которое является одним из процессов, приводящих к охлаждению.
• Уменьшение излучения: Часто внутренние поверхности сосудов калориметра делают блестящими (полированными). Блестящие поверхности имеют низкую излучательную способность, то есть они слабо излучают и поглощают тепловую энергию в виде электромагнитных волн.

В обычном стакане все эти механизмы теплопотерь работают гораздо активнее, что и приводит к быстрому остыванию воды.

Ответ: За 10 минут вода в калориметре остыла на $4.0 ^\circ\text{C}$, а в стакане – на $12.0 ^\circ\text{C}$. Скорость остывания в калориметре в 3 раза меньше благодаря его конструкции (двойные стенки с воздушной прослойкой, крышка, полированные поверхности), которая эффективно снижает теплообмен с окружающей средой за счет теплопроводности, конвекции и излучения.