Лабораторная работа №1, страница 278 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

Лабораторная работа № 1.

Сравнение количества теплоты при смешивании воды разной температуры

Цель работы: сравнить количество теплоты, отданное горячей водой, с количеством теплоты, полученным холодной водой при теплопередачи. Убедиться в том, что сравниваемые величины близки по значению. Выявить факторы, повлиявшие на результаты проведенного эксперимента.

Оборудование: калориметр, мензурка из термостойкого стекла, термометр, сосуд для горячей воды, чайник с горячей водой (один на класс), сосуд с холодной водой.

Указание к работе:

1. Определите температуру холодной воды в сосуде $t_1$, занесите результат в таблицу:

Начальная температура холодной воды $t_1$, °C

Начальная температура горячей воды $t_2$, °C

Температура смеси $\text{t}$, °C

Масса горячей воды $m_2$, кг

Масса холодной воды $m_1$, кг

Количество теплоты, полученное холодной водой $Q_1$, Дж

Количество теплоты, отданное горячей водой $Q_2$, Дж

2. Налейте в калориметр горячую воду объемом 100 см³.

3. Определите температуру горячей воды $t_2$ (рис. 1).

4. Влейте в калориметр 100 см³ холодной воды, осторожно помешайте термометром полученную смесь и измерьте ее температуру $\text{t}$.

5. Рассчитайте массу холодной и горячей воды, приняв ее плотность равной $1 \frac{г}{см^3}$, полученное значение переведите в кг и внесите в таблицу.

6. Рассчитайте количество теплоты, полученное холодной водой, по формуле: $Q_1 = cm_1(t-t_1)$.

Рис. 1. Калориметр

7. Рассчитайте количество теплоты, отданное горячей водой по формуле: $Q_2 = cm_2(t_2-t)$.

8. Сравните полученные значения $Q_1$ и $Q_2$. Объясните, почему количество теплоты, отданное горячей водой, больше, чем количество теплоты, полученное холодной водой.

9. Запишите вывод по результатам проведенного эксперимента.

Контрольный вопрос: При каком условии количество теплоты, отданное горячей водой, будет равным количеству теплоты, принятому холодной водой?

Поскольку это отчет по лабораторной работе, для выполнения расчетов будут использованы примерные экспериментальные данные. Реальные значения могут отличаться в зависимости от условий проведения опыта.

1. Определите температуру холодной воды в сосуде $t_1$, занесите результат в таблицу:

Для примера возьмем начальную температуру холодной (комнатной) воды $t_1 = 20^\circ\text{C}$.

Ответ: $t_1 = 20^\circ\text{C}$.

2. Налейте в калориметр горячую воду объемом 100 см³.

Этот пункт является частью процедуры и не требует отдельного ответа.

Ответ: Выполнено.

3. Определите температуру горячей воды $t_2$.

Для примера возьмем начальную температуру горячей воды $t_2 = 80^\circ\text{C}$.

Ответ: $t_2 = 80^\circ\text{C}$.

4. Влейте в калориметр 100 см³ холодной воды, осторожно помешайте термометром полученную смесь и измерьте ее температуру $t$.

После смешивания и установления теплового равновесия, предположим, что итоговая температура смеси составила $t = 48^\circ\text{C}$. В идеальных условиях она была бы $(20+80)/2 = 50^\circ\text{C}$, но из-за потерь тепла в окружающую среду реальная температура будет несколько ниже.

Ответ: $t = 48^\circ\text{C}$.

5. Рассчитайте массу холодной и горячей воды, приняв ее плотность равной $1\ \frac{\text{г}}{\text{см}^3}$, полученное значение переведите в кг и внесите в таблицу.

Дано:

Объем холодной воды, $V_1 = 100 \text{ см}^3$

Объем горячей воды, $V_2 = 100 \text{ см}^3$

Плотность воды, $\rho = 1 \frac{\text{г}}{\text{см}^3}$

Перевод в СИ:

$V_1 = 100 \text{ см}^3 = 100 \cdot (10^{-2} \text{ м})^3 = 100 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 = 10^{-4} \text{ м}^3$

$V_2 = 100 \text{ см}^3 = 10^{-4} \text{ м}^3$

$\rho = 1 \frac{\text{г}}{\text{см}^3} = \frac{10^{-3} \text{ кг}}{(10^{-2} \text{ м})^3} = \frac{10^{-3}}{10^{-6}} \frac{\text{кг}}{\text{м}^3} = 1000 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3}$

Найти:

Массу холодной воды $m_1$, кг

Массу горячей воды $m_2$, кг

Решение:

Масса вычисляется по формуле $m = \rho \cdot V$.

Масса холодной воды: $m_1 = \rho \cdot V_1 = 1000 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3} \cdot 10^{-4} \text{ м}^3 = 0.1 \text{ кг}$.

Масса горячей воды: $m_2 = \rho \cdot V_2 = 1000 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3} \cdot 10^{-4} \text{ м}^3 = 0.1 \text{ кг}$.

Поскольку объемы и плотность одинаковы, массы воды равны.

Ответ: $m_1 = 0.1 \text{ кг}$, $m_2 = 0.1 \text{ кг}$.

6. Рассчитайте количество теплоты, полученное холодной водой, по формуле: $Q_1 = cm_1(t - t_1)$.

Дано:

Удельная теплоемкость воды, $c = 4200 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot {^\circ\text{C}}}$

$m_1 = 0.1 \text{ кг}$

$t_1 = 20^\circ\text{C}$

$t = 48^\circ\text{C}$

Найти:

$Q_1$, Дж

Решение:

$Q_1 = c m_1 (t - t_1) = 4200 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot {^\circ\text{C}}} \cdot 0.1 \text{ кг} \cdot (48^\circ\text{C} - 20^\circ\text{C})$

$Q_1 = 420 \cdot 28 = 11760 \text{ Дж}$

Ответ: $Q_1 = 11760 \text{ Дж}$.

7. Рассчитайте количество теплоты, отданное горячей водой по формуле: $Q_2 = cm_2(t_2 - t)$.

Дано:

Удельная теплоемкость воды, $c = 4200 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot {^\circ\text{C}}}$

$m_2 = 0.1 \text{ кг}$

$t_2 = 80^\circ\text{C}$

$t = 48^\circ\text{C}$

Найти:

$Q_2$, Дж

Решение:

$Q_2 = c m_2 (t_2 - t) = 4200 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot {^\circ\text{C}}} \cdot 0.1 \text{ кг} \cdot (80^\circ\text{C} - 48^\circ\text{C})$

$Q_2 = 420 \cdot 32 = 13440 \text{ Дж}$

Ответ: $Q_2 = 13440 \text{ Дж}$.

Заполненная таблица с результатами измерений и вычислений:

8. Сравните полученные значения $Q_1$ и $Q_2$. Объясните, почему количество теплоты, отданное горячей водой, больше, чем количество теплоты, полученное холодной водой.

Сравнивая полученные значения, видим, что $Q_2 > Q_1$ ($13440 \text{ Дж} > 11760 \text{ Дж}$).

Количество теплоты, отданное горячей водой ($Q_2$), оказалось больше, чем количество теплоты, полученное холодной водой ($Q_1$), по следующим причинам:

1. Часть теплоты, отданной горячей водой, пошла на нагревание самого калориметра (его внутреннего стакана).

2. Часть теплоты пошла на нагревание термометра, погруженного в смесь.

3. Произошли неизбежные потери теплоты в окружающую среду через стенки и крышку калориметра, так как он не является идеальным теплоизолятором.

Таким образом, уравнение теплового баланса для данного реального эксперимента выглядит так: $Q_2 = Q_1 + Q_{потери}$, где $Q_{потери}$ — это суммарные тепловые потери на нагрев калориметра, термометра и рассеивание в окружающую среду.

Ответ: $Q_2 > Q_1$. Разница обусловлена тепловыми потерями: часть энергии, отданной горячей водой, была поглощена калориметром, термометром и рассеялась в окружающее пространство, а не пошла на нагрев холодной воды.

9. Запишите вывод по результатам проведенного эксперимента.

В ходе лабораторной работы было проведено сравнение количества теплоты, отданного горячей водой, с количеством теплоты, полученным холодной водой при их смешивании. Было установлено, что количество теплоты, отданное горячей водой ($Q_2$), больше количества теплоты, полученного холодной водой ($Q_1$). Это расхождение объясняется тем, что эксперимент проводился не в идеально теплоизолированной системе, и часть тепла была потеряна, поглотившись калориметром и окружающей средой. Несмотря на разницу, полученные значения $Q_1$ и $Q_2$ являются величинами одного порядка, что подтверждает справедливость закона сохранения энергии при теплообмене с учетом тепловых потерь.

Ответ: Экспериментально подтверждено, что при смешивании горячей и холодной воды отданное количество теплоты ($Q_2$) превышает полученное ($Q_1$) из-за неизбежных тепловых потерь в окружающую среду. Это демонстрирует выполнение закона сохранения энергии в неизолированной системе.

Контрольный вопрос: При каком условии количество теплоты, отданное горячей водой, будет равным количеству теплоты, принятому холодной водой?

Количество теплоты, отданное горячей водой, будет равным количеству теплоты, принятому холодной водой ($Q_{отданное} = Q_{полученное}$), только в том случае, если теплообмен происходит в замкнутой (адиабатически изолированной) системе. Это означает, что система не обменивается тепловой энергией с окружающей средой, то есть отсутствуют любые тепловые потери.

Ответ: Условием равенства является проведение процесса в идеально теплоизолированной системе, в которой отсутствует теплообмен с окружающей средой.