Экспериментальная установка

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾

Кафедра «Физика – I»

Ю.Н.Харитонов, Р.М. Лагидзе

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ ПО ФИЗИКЕ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 145

Москва – 2005

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾

Кафедра «Физика – I»

Ю.Н.Харитонов, Р.М. Лагидзе

Утверждено

редакционно-издательским

советом университета

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ ПО ФИЗИКЕ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 145

для студентов 1 и 2 курсов энергетических, строительных и

механических специальностей

Москва – 2005

УДК 539.19

Х20

Харитонов Ю.Н., Лагидзе Р.М.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ Методические указания к лабораторной работе №145 по дисциплине Физика под ред. проф. Курушина А.Д. – М.: МИИТ, 2005. - 11 с.

Методические указания к лабораторной работе №145 «ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ» предназначены для студентов 1 и 2 курсов энергетических, строительных и механических специальностей и соответствуют программе и учебным планам по физике (раздел «Молекулярная физика»).

Ил. 2 , табл.2.

Ó Московский государственный

Университет путей сообщения

(МИИТ), 2005

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ИЗДАНИЕ

Харитонов Юрий Николаевич, Лагидзе Раули Михайлович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Методические указания к лабораторной работе

по физике № 145

___________________________________________________

Подписано к печати Заказ № Формат 60х84х21/16

Усл.печ.л. Изд. № Тираж 300 экз.

Цена

127994, Москва, ул. Образцова 15. Типография МИИТ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Цель работы – определение теплоемкости образцов металлов калориметрическим методом с использованием электрического нагрева.

Введение

Из теории идеального газа известно, что средняя кинетическая энергия одноатомных молекул (изолированных частиц)

где К – постоянная Больцмана

Тогда среднее значение полной энергии частицы при колебательном движении в кристаллической решетке

Полную внутреннюю энергию одного моля твердого тела получим, умножив среднюю энергию одной частицы на число независимо колеблющихся частиц, содержащихся в одном моле, т.е. на постоянную Авогадро N_A:

(1)

где R – универсальная газовая постоянная, R=8,31 Дж/(моль К).

Для твердых тел вследствие малого коэффициента теплового расширения теплоемкости при постоянном давлении и постоянном объеме практически не различаются. Поэтому, учитывая (1), молярная теплоемкость твердого тела

(2)

Подставляя численное значение молярной газовой постоянной, получим:

μС = 25 Дж(моль К)

Это равенство, называемое законом Дюлонга и Пти, выполняется с довольно хорошим приближением для многих веществ при комнатной температуре. Со снижением температуры теплоемкости всех твердых тел уменьшаются, приближаясь с нулю при Т→ 0. Вблизи абсолютного нуля молярная теплоемкость всех тел пропорциональна Т³, и только при достаточно высокой, характерной для каждого вещества температуре начинает выполняться равенство (2). Эти особенности теплоемкостей твердых тел при низких температурах можно объяснить с помощью квантовой теории теплоемкости, созданной Эйнштейном и Дебаем.

Для экспериментального определения теплоемкости исследуемое тело помещается в калориметр, который нагревается электрическим током. Если температуру калориметра с исследуемым образцом очень медленно увеличивать от начальной T_о на ΔT, то энергия электрического тока пойдет на нагревание образца и калориметра:

(3)

где I и U- ток и напряжение нагревателя; τ – время нагревания; m_о и m – массы калориметра и исследуемого образца; с_о и с – удельные теплоемкости калориметра и исследуемого образца; ΔQ – потери тепла в теплоизоляцию калориметра и в окружающее пространство.

Для исключения из уравнения (3) количества теплоты, расходованной на нагрев калориметра и потери теплоты в окружающее пространство, необходимо при той же мощности нагревателя нагреть пустой калориметр (без образца) от начальной температуры T_о на ту же разность температур ΔT. Потери тепла в обоих случаях будут практически одинаковыми и очень малыми, если температура защитного кожуха калориметра в обоих случаях постоянная и равная комнатной:

(4)

Из уравнений (3) и (4) вытекает

(5)

Уравнение (5) может быть использовано для экспериментального определения удельной теплоемкости материала исследуемого образца. Изменяя температуру калориметра, необходимо построить график зависимости разности времени нагрева от изменения температуры исследуемого образца: (τ-τ_о)=f(ΔT), по угловому коэффициенту которого можно определить удельную теплоемкость образца.

Экспериментальная установка.

Для определения теплоемкости твердых тел предназначена экспериментальная установка ФПТ1-8, общий вид которой показан на рисунке №1.

Образцы нагреваются в калориметре, схема которого приведена на рисунке №2.

Калориметр представляет собой латунный корпус с коническим отверстием, куда вставляется исследуемый образец. На наружной поверхности корпуса в специальных пазах размещается нагревательная спираль. Снаружи корпус калориметра теплоизолирован слоями асбеста и

Рисунок №1 Общий вид экспериментальной установки ФПТ1-8

1 - блок приборов; 2 – блок рабочего элемента; 3 – стойка; 4 – нагреватель; 5 – исследуемые образцы

стекловолокна и закрыт алюминиевым кожухом. Калориметр закрывается теплоизолирующей крышкой. Исследуемые образцы расположены в гнездах блока рабочего элемента 2. после окончания эксперимента образец можно вытолкнуть из конического отверстия корпуса калориметра с помощью винта. Для удаления нагретого образца в нагреватель используется рукоятка, расположенная в специальном гнезде рядом с исследуемыми образцами.

Рисунок 2 – Схема калориметра: 1 – образец; 2 – корпус; 3 – асбест; 4 – кожух; 5 – рукоять; 6 – стекловолокно; 7 – винт; 8 – датчик температуры; 9 – нагреватель; 10 – крышка.

Температура калориметра измеряется цифровым термометром, датчик которого находится в корпусе калориметра. В блоке приборов 1 расположен источник питания нагревателя, мощность которого устанавливается регулятором “Нагрев”. Напряжение и ток в цепи нагревателя измеряется вольтметром и амперметром, расположенными на передней панели блока приборов. Время нагрева калориметра измеряется секундомером, расположенным в блоке приборов. Секундомер приводится в действие при включении питания блока приборов.

Атомные массы образцов приведены в таблице №1.

Таблица №1

№ п/п	Материал образца	Атомная масса, кг/моль
	Дюраль	26,98 10-3
	Латунь	63,57 10-3
	Сталь	55,85 10-3

Порядок выполнения работы

1. Снять кожух блока рабочего элемента установки и подвесить его на винтах задней панели. Включить установку тумблером “Сеть”.

2. Пустой калориметр плотно закрыть крышкой. Включить тумблер “Нагрев”. С помощью регулятора “Нагрев” установить необходимое напряжение в цепи.

3. При температуре калориметра t_о=25^оC включить отсчет времени. Сделать 7-10 измерений времени нагрева пустого калориметра через интервал 1 ^оС. Результаты занести в таблицу №2.

Таблица №2

Номер измер.

U, B

I, A

ΔT K

τo, c

τ, c

τ-τo, c

c, Дж/(кг*К)

μc, Дж/(мольК)

4. Выключить тумблер “Нагрев”, открыть крышку и охладить калориметр до начальной температуры t_о.

5. Вращая винт влево, поместить в калориметр один из исследуемых образцов, взятый по указанию преподавателя. Плотно закрыть крышку калориметра и подождать три мин. для того, чтобы температуры калориметра и образца сравнялись.

6. Включить нагреватель калориметра, установив такое же напряжение в цепи как и при нагревании пустого калориметра.

7. Включить отсчет времени при той же температуре t. Сделать 7-10 измерений времени нагревания калориметра с образцом τ через интервал температуры 1° С. Результаты занести в таблицу №2.

8. Регулятор “Нагрев” установить в крайнее левое положение, выключить тумблер “Нагрев”, открыть крышку калориметра. Для удаления образца из калориметра винт вращать вправо, после чего с помощью рукоятки вынуть нагретый образец.

9. Выключить установку тумблером “Сеть”