Лабораторная работа № 4, страница 93 - гдз по физике 8 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 3. Тепловые явления. Параграф 24. Количество теплоты. Удельная теплоёмкость вещества. Задание 23 - страница 93.

Условие.

Лабораторная работа № 4

Сравнение количеств теплоты при смешивании воды разной температуры

Цель работы:

сравнить количество теплоты, полученное холодной водой, с количеством теплоты, отданным горячей водой в процессе теплообмена при их смешивании.

Приборы и материалы:

калориметр, измерительный цилиндр (мензурка), термометр, стакан химический, горячая и холодная вода.

Примечание. Калориметр — прибор, позволяющий измерять количество теплоты, выделяющееся и поглощающееся в процессе теплопередачи. Он устроен таким образом, чтобы максимально уменьшить теплообмен с внешними телами, не находящимися в калориметре. Простейший калориметр состоит из двух сосудов, один из которых — алюминиевый — вставлен в другой. Между сосудами образуется воздушный промежуток. Алюминиевый сосуд имеет блестящую поверхность, что уменьшает излучение энергии. Так же сокращает потери энергии слой воздуха, обладающего плохой теплопроводностью, между сосудами.

Порядок выполнения работы

1. Измерьте объём холодной воды $V_1$ с помощью мензурки, вычислите её массу $m_1$, перелейте холодную воду в калориметр.

2. Измерьте температуру $t_1$ холодной воды, налитой в калориметр.

3. Измерьте температуру $t_2$ горячей воды в сосуде, в котором она нагревается.

4. Налейте в калориметр горячую воду.

5. Измерьте температуру смеси $\text{t}$, перемешав воду в калориметре и дождавшись того момента, когда температура перестанет изменяться.

6. Вылейте воду в мензурку и измерьте её объём $\text{V}$.

7. Определите объём горячей воды: $V_2 = V - V_1$.

8. Вычислите массу горячей воды $m_2$.

9. Запишите результаты всех измерений в таблицу 11.

10. Вычислите количество теплоты $Q_1$, полученное холодной водой, и количество теплоты $Q_2$, отданное горячей водой. Запишите результаты в таблицу 11.

Таблица 11

$V_1$, м$^3$	$m_1$, кг	$t_1$, °C	$t_2$, °C	$\text{t}$, °C	$\text{V}$, м$^3$	$V_2$, м$^3$	$m_2$, кг	$Q_1$, Дж	$Q_2$, Дж

11. Сравните количества теплоты $Q_1$ и $Q_2$ и сделайте вывод.

Решение.

Для выполнения лабораторной работы проведем измерения и расчеты, основанные на методике, и заполним таблицу. Так как мы не можем провести реальный эксперимент, мы используем реалистичные примерные данные.

1. Измерьте объём холодной воды V₁ с помощью мензурки, вычислите её массу m₁, перелейте холодную воду в калориметр.

Пусть объём холодной воды $V_1 = 100$ мл. Плотность воды $\rho \approx 1000$ кг/м³.
$V_1 = 100 \text{ мл} = 100 \text{ см}³ = 10^{-4} \text{ м}³$.
Масса холодной воды $m_1 = \rho \cdot V_1 = 1000 \text{ кг/м}³ \cdot 10^{-4} \text{ м}³ = 0,1$ кг.

2. Измерьте температуру t₁ холодной воды, налитой в калориметр.

Пусть начальная температура холодной воды $t_1 = 20$ °C.

3. Измерьте температуру t₂ горячей воды в сосуде, в котором она нагревается.

Пусть начальная температура горячей воды $t_2 = 80$ °C.

4. Налейте в калориметр горячую воду.

5. Измерьте температуру смеси t, перемешав воду в калориметре и дождавшись того момента, когда температура перестанет изменяться.

Пусть конечная температура смеси после установления теплового равновесия $t = 48$ °C.

6. Вылейте воду в мензурку и измерьте её объём V.

Пусть мы добавили такой же объём горячей воды, т.е. 100 мл. Тогда общий объём $V = 100 \text{ мл} + 100 \text{ мл} = 200 \text{ мл} = 2 \cdot 10^{-4} \text{ м}³$.

7. Определите объём горячей воды: V₂ = V – V₁.

$V_2 = 200 \text{ мл} - 100 \text{ мл} = 100 \text{ мл} = 10^{-4} \text{ м}³$.

8. Вычислите массу горячей воды m₂.

Масса горячей воды $m_2 = \rho \cdot V_2 = 1000 \text{ кг/м}³ \cdot 10^{-4} \text{ м}³ = 0,1$ кг.

9. Запишите результаты всех измерений в таблицу 11.

Заполним таблицу на основе полученных данных.

10. Вычислите количество теплоты Q₁, полученное холодной водой, и количество теплоты Q₂, отданное горячей водой. Запишите результаты в таблицу 11.

Дано

$m_1 = 0,1$ кг
$t_1 = 20$ °C
$m_2 = 0,1$ кг
$t_2 = 80$ °C
$t = 48$ °C
$c_{воды} = 4200$ Дж/(кг·°C)

Найти:

$Q_1, Q_2$

Решение

Количество теплоты, полученное холодной водой, вычисляется по формуле:
$Q_1 = c \cdot m_1 \cdot (t - t_1)$
$Q_1 = 4200 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°C}} \cdot 0,1 \text{ кг} \cdot (48 \text{°C} - 20 \text{°C}) = 420 \cdot 28 = 11760$ Дж.

Количество теплоты, отданное горячей водой, вычисляется по формуле:
$Q_2 = c \cdot m_2 \cdot (t_2 - t)$
$Q_2 = 4200 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°C}} \cdot 0,1 \text{ кг} \cdot (80 \text{°C} - 48 \text{°C}) = 420 \cdot 32 = 13440$ Дж.

Заполним итоговую таблицу:

V₁, м³	m₁, кг	t₁, °C	t₂, °C	t, °C	V, м³	V₂, м³	m₂, кг	Q₁, Дж	Q₂, Дж
$10^{-4}$	$0,1$	$20$	$80$	$48$	$2 \cdot 10^{-4}$	$10^{-4}$	$0,1$	$11760$	$13440$

Ответ: Количество теплоты, полученное холодной водой, $Q_1 = 11760$ Дж. Количество теплоты, отданное горячей водой, $Q_2 = 13440$ Дж.

11. Сравните количества теплоты Q₁ и Q₂ и сделайте вывод.

Сравним полученные значения: $Q_1 = 11760$ Дж и $Q_2 = 13440$ Дж.
Видно, что $Q_2 > Q_1$. Количество теплоты, отданное горячей водой, оказалось больше, чем количество теплоты, полученное холодной водой.

Вывод: В идеальных условиях (в замкнутой системе, где нет теплообмена с окружающей средой) согласно закону сохранения энергии, количество теплоты, отданное горячей водой, должно быть равно количеству теплоты, полученному холодной водой ($Q_1 = Q_2$). Однако в реальном эксперименте всегда есть тепловые потери: часть тепла от горячей воды передается не только холодной воде, но и внутренним стенкам калориметра, а также окружающему воздуху. Из-за этих потерь количество теплоты, полученное холодной водой ($Q_1$), оказывается меньше, чем количество теплоты, отданное горячей водой ($Q_2$). Разница $\Delta Q = Q_2 - Q_1 = 13440 - 11760 = 1680$ Дж и есть та теплота, которая была потеряна при теплообмене с окружающей средой и калориметром. Таким образом, эксперимент подтверждает закон сохранения энергии с учетом тепловых потерь.

Ответ: Количество теплоты, отданное горячей водой ($Q_2$), больше количества теплоты, полученного холодной водой ($Q_1$), что объясняется неизбежными потерями тепла на нагрев калориметра и окружающей среды в ходе эксперимента.