Страница 231 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

№ 3 Измерение удельной теплоёмкости вещества

Цель работы Определить удельную теплоёмкость вещества.

Приборы и материалы Металлический цилиндр на нити, измерительный цилиндр, калориметр, термометр, весы учебные 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 прямых измерений с учётом абсолютной погрешности, равной цене деления шкалы термометра, и вычислений записывайте в таблицу 13. Абсолютную погрешность измерения массы цилиндра уточните у учителя.

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 фильтровальной бумагой (салфеткой). Определите массу металлического цилиндра с помощью весов.

5. Рассчитайте количество теплоты, полученное холодной водой при нагревании.

6. Пренебрегая тепловыми потерями, определите количество теплоты, отданное металлическим цилиндром при остывании.

7. Вычислите удельную теплоёмкость вещества, из которого изготовлен цилиндр. По таблице 1 определите, какое это вещество.

8. Сделайте вывод.

Это описание лабораторной работы. Для выполнения расчетов необходимо провести измерения. Ниже представлен пример выполнения работы с гипотетическими данными, полученными в ходе эксперимента.

Дано:

Масса холодной воды, $m_1 = 150 \text{ г}$
Начальная температура воды, $t_1 = 20 \text{ °C}$
Масса металлического цилиндра, $m_2 = 100 \text{ г}$
Начальная температура цилиндра (температура горячей воды), $t_2 = 100 \text{ °C}$
Общая температура воды и цилиндра после установления теплового равновесия, $t = 30 \text{ °C}$
Удельная теплоёмкость воды, $c_1 = 4200 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$

Перевод в систему СИ:

$m_1 = 150 \text{ г} = 0.15 \text{ кг}$
$m_2 = 100 \text{ г} = 0.1 \text{ кг}$

Найти:

Удельную теплоёмкость вещества цилиндра $c_2$.

Решение:

В ходе лабораторной работы были проведены измерения согласно пунктам 1-4. В калориметр с холодной водой ($m_1, t_1$) был опущен предварительно нагретый в кипятке до температуры $t_2$ металлический цилиндр. После установления теплового равновесия была измерена общая конечная температура $t$. Масса цилиндра $m_2$ была определена с помощью весов. Результаты измерений приведены в разделе "Дано".

5. Рассчитайте количество теплоты, полученное холодной водой при нагревании.

Количество теплоты $Q_1$, полученное холодной водой, рассчитывается по формуле:

$Q_1 = c_1 \cdot m_1 \cdot (t - t_1)$

Подставим числовые значения:

$Q_1 = 4200 \frac{Дж}{кг \cdot °C} \cdot 0.15 \text{ кг} \cdot (30 \text{ °C} - 20 \text{ °C}) = 4200 \cdot 0.15 \cdot 10 = 6300 \text{ Дж}$

Ответ: количество теплоты, полученное холодной водой, равно $6300 \text{ Дж}$.

6. Пренебрегая тепловыми потерями, определите количество теплоты, отданное металлическим цилиндром при остывании.

Согласно закону сохранения энергии, в замкнутой системе (калориметре) количество теплоты, отданное горячим телом (цилиндром), равно количеству теплоты, полученному холодным телом (водой). Пренебрегая теплообменом с окружающей средой и теплоёмкостью калориметра, запишем уравнение теплового баланса:

$Q_{отданное} = Q_{полученное}$

Количество теплоты $Q_2$, отданное цилиндром, равно количеству теплоты $Q_1$, полученному водой.

$Q_2 = Q_1 = 6300 \text{ Дж}$

Ответ: количество теплоты, отданное металлическим цилиндром, равно $6300 \text{ Дж}$.

7. Вычислите удельную теплоёмкость вещества, из которого изготовлен цилиндр. По таблице 1 определите, какое это вещество.

Количество теплоты $Q_2$, отданное цилиндром, также можно рассчитать по формуле:

$Q_2 = c_2 \cdot m_2 \cdot (t_2 - t)$

Выразим из этой формулы искомую удельную теплоёмкость $c_2$:

$c_2 = \frac{Q_2}{m_2 \cdot (t_2 - t)}$

Подставим значения:

$c_2 = \frac{6300 \text{ Дж}}{0.1 \text{ кг} \cdot (100 \text{ °C} - 30 \text{ °C})} = \frac{6300}{0.1 \cdot 70} = \frac{6300}{7} = 900 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$

Сравним полученное значение с табличными значениями удельной теплоёмкости различных веществ (Таблица 1, примерные данные):

• Сталь: $500 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$
• Медь: $385 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$
• Алюминий: $920 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$
• Цинк: $380 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$
• Свинец: $130 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$

Полученное значение $900 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$ наиболее близко к удельной теплоёмкости алюминия ($920 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$). Расхождение можно объяснить погрешностями измерений и неучтёнными тепловыми потерями.

Ответ: удельная теплоёмкость вещества, из которого изготовлен цилиндр, составляет $900 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$. Вероятнее всего, это алюминий.

8. Сделайте вывод.

В ходе выполнения лабораторной работы была экспериментально определена удельная теплоёмкость металлического цилиндра. На основе уравнения теплового баланса было рассчитано значение $c_2 = 900 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$. Сравнение этого результата с табличными данными позволяет сделать вывод, что цилиндр изготовлен из алюминия или его сплава. Возможные погрешности в эксперименте могли быть вызваны неточностью измерений температуры и массы, теплообменом с окружающей средой (потерями тепла), а также тем, что часть воды могла остаться на поверхности цилиндра при его переносе в калориметр.

Ответ: в результате работы была определена удельная теплоёмкость вещества, которая оказалась равна $900 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$, что соответствует алюминию. Цель работы достигнута.