( ) KALORYMETR. gdzie: Q- ilość ciepła dostarczonego substancji, cal; m- masa substancji, g;

Transkrypt

1 KALORYMETR (F 8, V 4 4) Rys. 1. Kalryetr słuŝy d piaró ilści ciepła. Słada się n z dóch naczyń aluiniych, ięszeg i niejszeg. Na dnie naczynia ięszeg (1), zaneg płaszcze alryetru, spczya dreniany rzyŝa (), na tóry jest ustaine naczynie niejsze ()- łaściy alryetr. Kalryetr a aluinią pryę. Na jej śrdu jest ytłczna szyja (4), trze tórej sadzay teretr (5) za pcą ra. Przez drugi niejszy tór pryie jest przetnięty pręt ieszadła (6). Płaszcz alryetru naryay teturą pryą (7) przeciętą na pół. Płaszcz alryetru chrni przed yianą ciepła (przez przedzenie lub prienianie) iędzy alryetre a taczającyi przeditai. Teretr uŝyany d piaró alryetrycznych pinien ieć działę eleentarną 0,1ºC. Ciepł dstarczne cieczy, znajdującej się alryetrze, pinn być róniernie rzpradzne całej jej asie; rzpradzay je ieszając ciecz ieszadłe. Ilść ciepła dpradzneg d danej substancji cenia się g ziany jej teperatury, a blicza g następująceg zru: ( ) Q = c t t 1 Q- ilść ciepła dstarczneg substancji, ; - asa substancji, g; - 1 -

2 c- ciepł łaście substancji, ; - teperatura pcząta, ºC; t - teperatura ńca. Obliczenia alryetryczne parte są na zasadzie bilansu cieplneg. PniŜej pdajey pisy ilu pdstaych dśiadczeń, tóre gą być ynane przy pcy alryetru. 1. Wyznaczenie ciepła łaścieg ciał stałych Na adze labratryjnej ierzyy asę alryetru raz z pryą i ieszadłe, znaczając ją syble. Wszystie te części są ynane z aluiniu, tóreg ciepł łaście ynsi 0,14. Następnie leay d alryetru dę (np. ł 1/ jeg bjętści). Mierzyy na adze asę alryetru z dą ( 1 ). Obliczay asę dy: = 1. P yrónaniu się teperatur alryetru i dy ierzyy teretre teperaturę dy znajdującej się alryetrze, a zate i teperaturę alryetru z pryą. Oznaczay ją przez t 1. Ciał stałe asie, tóreg ciepł łaście chcey yznaczyć, przygtujey stanie rzdrbniny, np. Ŝelaz pstaci drbnych gździ, iedź pstaci drbn pcięteg drutu, łó pstaci śrutu itp. Następnie ysypujey je d ałeg naczynia etaleg (np. ształcie prbói) i staiay d naczynia z rzącą dą. Teperaturę grzeaneg ciała ierzyy teretre łŝny d prbói i bsypany rzdrbniną substancją. Gdy badane ciał będzie iał teperaturę blisą teperatury rzenia dy (znaczyy ją przez t ), przeryay grzeanie i yjując teretr szyb sypujey ciał d alryetru. Kalryetr i płaszcz przyryay pryai. Właday d alryetru teretr i ieszając ieszadłe zaartść alryetru, czeujey yrónania się teperatur alryetru, dy i badaneg ciała; znaczay ją przez t. P ynaniu pyŝszych czynnści uładay rónanie (bilans cieplny): c - asa alryetru z pryą i ieszadłe, g x ( t t ) = c ( t t ) + c ( t ) 1 c - ciepł łaście alryetru (aluiniu), - asa dy, g c - ciepł łaście dy róne 1, - -

3 - asa badaneg ciała, g cx - ciepł łaście badaneg ciała, - teperatura pcząta dy i alryetru z pryą i ieszadłe, ºC t - teperatura pcząta badaneg ciała, ºC - teperatura ńca: dy, alryetru i badaneg ciała, ºC Przeształcając pyŝsze rónanie trzyujey zór na ciepł łaście badaneg ciała: c x ( c + c )( ) ( t t ) g C =, Wzór Ŝna uprścić pradzając tz. RónaŜni dny alryetru (M). W ty celu naleŝy. pjenść cieplną dy ( ) pięszyć pjenść cieplną alryetru ( ) c M = c + RónaŜni ten Ŝna ustalić dla daneg alryetru i przy bliczeniach z nieg rzystać. W ten spsób sraca się ydatnie czas trania dśiadczeń. NaleŜy jedna paiętać, aby d alryetru aŝdraz leać jednaą ilść dy, dierzną przy pcy enzuri, gdyŝ rónaŝni dny zstał bliczny dla danej ilści dy. Uzględniając rónaŝni dny alryetru, zór na ciepł łaście przyjuje następującą pstać: c x M = t c ( ) ( t ) gdzie M jest rónaŝniie dny alryetru. W celu trzyania dładniejszeg yniu piaru naleŝy uzględnić ciepł pbrane przez część teretru teretru zanurzną alryetrze. Ciepł pbrane przez teretr bliczay rzystając z fatu, Ŝe ilści ciepła ptrzebne d grzania 1 c³ szła i rtęci 1ºC są przybliŝeniu jednae. Masa 1c³ szła ynsi średni,5g, jeg ciepł łaście 0,198, zaś asa 1 c³ rtęci ynsi 1,6g, a jej ciepł łaście 0,0. May zate:,5 0,19 1,6 0,0 Z pyŝszeg ynia, Ŝe d grzania asy 1 c³ szła lub rtęci 1ºC ptrzeba średni 0,46. Tę ilść ciepła będziey znaczać rónaniach bilansu cieplneg przez r. Chcąc uzględnić bilansie cieplny ilść ciepła pbraną przez zanurzną alryetrze część teretru, ierzyy enzurą bjętść tej części teretru, zaś ciepł pbrane przez nią przy przyrście teperatury d t d t 4 bliczay z następująceg zru: c ( t t ) Q = t v r, 4 - -

4 Qt - ilść ciepła pbrana przez teretr, v- bjętść części teretru zanurznej alryetrze, c³ r- 0,46, c C - teperatura ńca, ºC t4 - teperatura pcząta teretru przed łŝenie g d alryetru, ºC P uzględnieniu pyŝszeg zór na ciepł łaście przybierze następującą frę: ( ) + vr( t4 ) ( t t ) c M =, x W pisach pzstałych dśiadczeń pinięt ilść ciepła pbraną przez teretr (uzględnianie lub pinięcie ilści teg ciepła pzstaia się d decyzji nauczyciela). W przypadu, gdy ciał stałe, tóreg ciepł łaście chcey yznaczyć, jest rzpuszczalne dzie lub cheicznie z nią reaguje, naleŝy d piaru uŝyć innej cieczy znany cieple łaściy, tóra bec badaneg ciała jest bjętna. Np. ciepł łaście sdu etaliczneg (Na) naleŝy yznaczyć nafcie.. Wyznaczenie ciepła łaścieg cieczy Przebieg piaru jest pdbny d piaru ciepła łaścieg ciał stałych. RóŜni się tyl ty, Ŝe zienia się rla uŝytych dśiadczeniu substancji. W dśiadczeniu 1 znane był ciepł łaście cieczy, a nieznane ciała stałeg; ty przypadu naleŝy uŝyć ciała stałeg znany cieple łaściy i p grzaniu sypać je d badanej cieczy znajdującej się alryetrze. P ynaniu czynnści ja dśiadczeniu 1 uładay rónanie: - asa ciała stałeg, g 1 ( t t ) = c ( t t ) + c ( t ) 1c1 x 1 c1 - ciepł łaście ciała stałeg, - asa badanej cieczy, g cx - ciepł łaście badanej cieczy, - asa alryetru, g c - ciepł łaście alryetru, - teperatura pcząta badanej cieczy i alryetru, - 4 -

5 t -teperatura ciała stałeg, C - teperatura ńca badanej cieczy, ciała stałeg i alryetru, Ciepł łaście badanej cieczy bliczay przeształcając yŝej pdane rónanie d pstaci: c x ( t ) c ( ) ( t t ) g C 1c1 =, (W celu trzyania dładniejszeg yniu piaru, bliczeniach Ŝna uzględnić ciepł pbrane przez teretr).. Wyznaczanie ciepła parania dy teperaturze rzenia 1 Ciepłe parania dy nazyay taą ilść ciepła, tóra jest ptrzebna d zaiany jedneg graa dy danej teperaturze na parę tej saej teperaturze lub ilść ciepła ddaną przy sraplaniu jedneg graa pary. Kalryetryczna etda piaru teg ciepła piera się nie na zaianie cieczy na parę, lecz drtnie, alryetrze zaieniay parę na ciecz. Uład przyrządó dśiadczeniu jest pazany na pniŝszy rysunu: Rys.. Przebieg dśiadczenia jest następujący: WaŜyy alryetr bez pryy. Naleay dy i aŝyy ptórnie celu yznaczenia asy dy. Teperaturę ierzyy teretre zaieszny przy pcy cnej nici na przedłuŝaczu ucany statyie. Kniec teretru pinien być zanurzny dzie. Kalryetr przyryay pryą teturą

6 Parę dną ytrzną ciłu d ytarzania pary (1) dpradzay d alryetru () przy pcy Ŝliie rótich rure guych () pprzez suszacz (4) i rurę szlaną (5). Przy ynaniu piaru naleŝy paiętać, aby da ciłu gtała się ila (-5) inut i ty czasie para uchdząca przede dpradzający ją d alryetru nagrzała g. Zapbiegay ten spsób nadierneu sraplaniu się pary. P ynaniu tych czynnści niec ruri szlanej (5), tórą jest zańczny przeód dpradzający, zanurzay dzie znajdującej się alryetrze, rzsuając uprzedni teturą pryę. W czasie puszczania pary d alryetru naleŝy bserać na teretrze zrst teperatury, tóry następuje bardz szyb. P grzaniu przez parę dy alryetrze d C, naleŝy przerać jej dpły, tzn. yjąć z alryetru rurę szlaną. Ogrzanie dy alryetrze d yŝszej teperatury pduje zniejszenie dładnści piaru. P przeraniu dpłyu pary ieszay zaartść alryetru ieszadłe d czasu ustalenia się teperatury, tórą dczytujey na teretrze. Następnie pnnie aŝyy alryetr raz z zaartścią. Z róŝnicy as alryetru przed i p puszczeniu pary bliczay jej asę. Wnisując, Ŝe para i pstała z niej da ddały sje ciepł alryetri i zaartej ni dzie, uładay rónanie: x- ciepł parania dy, x + c p g p ( t t ) = c ( t t ) + c ( t ) 1 p - asa pary dnej (dy pstałej z jej srplenia), g - asa alryetru z ieszadłe, g - asa dy znajdującej się alryetrze, g c - ciepł łaście alryetru, c - ciepł łaście dy 1, - teperatura pcząta alryetru, C t -teperatura dy pstałej ze srplenia się pary 100, C - teperatura ńca alryetru Przeształcając pyŝsze rónanie trzyujey zór na ciepł parania dy: x = ( c + c )( t t ) ( t t ) 1 p p, g - 6 -

7 4. Wyznaczanie ciepła tpnienia ldu WaŜyy alryetr, p czy leay d nieg dę. WaŜyy pnnie i bliczay asę dy ja dśiadczeniu 1., następnie rzucay d alryetru aałe ldu uprzedni suszny bibułą. Przyryay alryetr i ieszając ln ieszadłe, czeujey na stpnienie ldu i ustalenie się teperatury, tórą dczytujey na teretrze. P ynaniu pyŝszych czynnści aŝyy alryetr. Znając asę alryetru z dą przed rzucenie ldu i p jeg stpnieniu, bliczay z róŝnicy tych as asę ldu. Wnisując, Ŝe lód stpił się pbierając ciepł alryetru i zaartej ni dy, uładay rónanie: x- ciepł tpnienia ldu, ( t t ) = c ( t t ) + c ( t ) 1x + 1c 1 1 g 1 - asa ldu (dy pstałej z jeg stpnienia), g - asa alryetru z ieszadłe, g - asa dy znajdującej się alryetrze, g c - ciepł łaście alryetru, c - ciepł łaście dy 1, - teperatura pcząta alryetru, C t -teperatura ldu i pstałej z nieg dy 0, C - teperatura ńca alryetru Przeształcając pyŝsze rónanie, bliczay ciepł tpnienia ldu ze zru: x = 5. Spradzenie praa Jule a ( c + c )( t t ) ( t t ) Scheat dśiadczenia pazany jest na pyŝszy rysunu. WaŜyy alryetr bez pryy i ieszadła, a następnie napełniay g naftą. WaŜyy ptórnie i bliczay asę nafty. Trzyy bód eletryczny z 6 V baterii auulatró (1), aperierza () zaresie sazań 0 A, prnicy suaej (), yłącznia- lucza d prądu (4) raz spirali Jule a (5) łŝnej d alryetru., g - 7 -

8 Rys.. Klucze d prądu zayay bód i przy pcy prnicy suaej ustalay natęŝenie prądu, np.1,5 A, p czy yłączay prąd. Właday d alryetru teretr przez tór baelitej praie spirali i ieszając ni naftę czeujey ustalenia się teperatury. Następnie pnnie łączay prąd i przy pcy stpera ierzyy czas jeg przepłyu. W czasie przepłyu prądu naleŝy naftę alryetrze ieszać zanurzny niej ńce teretru. P upłyie ł 5 inut yłączay prąd i ieszając naftę czeujey chili ustalenia się teperatury, tórą dczytujey na teretrze. Ciepł uzysane przez alryetr czasie przepłyu prądu przez spiralę Jule a bliczay ze zru: ( c + c ) ( ) Q = n n t t 1, Q- ilść ciepła uzysana przez alryetr czasie przepłyu prądu, - asa alryetru, g n - asa nafty, g c - ciepł łaście alryetru, c - ciepł łaście nafty, - 8 -

9 - teperatura pcząta alryetru i nafty, C t -teperatura ńca alryetru i nafty, C PyŜszy zór prónujey ze zre yraŝający pra Jule a: Q = 0,4 Ι R t, ( ), Q- ilść ciepła ydzielneg przez spiralę, I- prąd płynący przez spiralę, R- pór spirali, Ω t- czas przepłyu prądu, s Aby z pyŝszeg piaru trzyać bardziej pprane ynii, piar naleŝy ynać z Ŝliie duŝą dładnścią. W ty celu naleŝy znać dładnie pór spirali, artść natęŝenia prądu, a pnadt naleŝy uzględnić ciepł pbrane przez teretr. Dśiadczenie t Ŝna ptórzyć łączając bód eletryczny spirale róŝnych prach. Przyrząd pd nazą Spirala Jule a, prduany przez państy przeysł szlny, a spirale prach i Ω, płączne szereg. Wynii piaró uzysane przy pcy alryetru będą przybliŝnyi artściai ielści pdaanych tablicach fizycznych, pnieaŝ tablicach są pdane średnie artści szeregu piaró ynanych labratriach nauych. BIOFIZ ZJEDNOCZENIE PRZEMYSŁU POMOCY NAUKOWYCH I ZAOPATRZENIA SZKÓŁ WARSZAWA Kalryetr raz z instrucją zstał zatierdzny przez Ministerst Ośiaty pise nr PO4-168/57 z dnia ru d uŝytu szlneg. Nr atalgy: F 8 V 4-4 Prduan: Fabrya Pcy Nauych Pznaniu Źródł: ze zbiró Pracni Dydatyi Fizyi i Astrnii Uniersytetu Szczecińsieg - 9 -