Упражнение 1*. Нахождение теплоемкости нижнего калориметра

1. Взвесьте нижний калориметр.

2. Определите комнатную температуру _комн и запишите это значение в лабораторный журнал. Температура нижнего калориметра будет такой же.

3. Отмерьте мерным стаканом примерно 300—350 мл воды из-под крана.

4. Определите температуру воды ₁ (примечание: температура воды должна быть немного ниже комнатной). Измерение температуры производится с помощью датчика температуры, подключенного к входу Т₃ прибора для измерения температуры PHYWE 4-2. Датчик необходимо опустить в калориметр и зафиксировать при помощи зажимов таким образом, чтобы он не касался дна и стенок калориметра.

5. Заполните нижний калориметр этой водой.

6. Определите температуру воды ₂ после помещения ее в калориметр с помощью датчика погружного типа.

7. Рассчитайте теплоемкость калориметра С, используя уравнение теплового баланса:

, (24)

– удельная теплоемкость воды (с_В = 4190 Дж/(кг^.К);

– масса воды; _комн - комнатную температура; ₁ – исходная температура воды; ₂ - температура воды после помещения в калориметр.

8. Вылейте воду из калориметра и насухо вытрите его.

Упражнение 2*. Расчет тепловых потерь, связанных с теплообменом с окружающей средой.

1. Заполните нижний калориметр определенным количеством холодной воды. Запишите объем воды, помещенной в калориметр. Рассчитайте массу воды.

Примечание: температура воды должна быть как можно ниже

2. Определите начальную температуру воды ₀. Измерение температуры производится с помощью датчика погружного типа, подключенного к входу Т₃ прибора для измерения температуры (аналогично упражнению 1). Датчик необходимо опустить в калориметр и зафиксировать при помощи зажимов таким образом, чтобы он не касался дна и стенок калориметра.

3. Фиксируйте значения температуры через каждые 2-3 минуты в течение 20-30 минут. Данные измерений занесите в таблицу.

4. Рассчитайте количество теплоты, полученное водой для каждого момента времени t, по формуле (21).

5. Постройте график зависимости Q_ОКР (t).

6. По полученному графику методом парных точек или методом наименьших квадратов определите тангенс угла наклона Q_ОКР/dt.

Упражнение 3. Определение коэффициента теплопроводности металлического стержня

1. Соберите экспериментальную установку согласно рис. 2. Для этого:

• С помощью штангенциркуля измерьте диаметр стержня d и рассчитайте его площадь поперечного сечения S.

• Измерьте расстояние l между двумя наиболее удаленными углубления на стержне.

• Вставьте изолированный конец металлического стержня в основу верхнего калориметра. Чтобы улучшить теплопередачу, покройте конец металлического стержня теплопроводящей пастой. Закрепите металлический стержень на штативе таким образом, чтобы нижний калориметр можно было при необходимости удалить из-под стержня. Высота расположения нижнего калориметра может быть изменена при помощи подставки. Между подставкой и калориметром находится магнитная мешалка.

Внимание: необходимо чтобы неизолированный конец стержня оставался полностью погруженным в холодную воду в течение всего эксперимента.

• Контактные температурные датчики должны быть расположены как можно ближе к поверхности стержня. Для улучшения контакта между стержнем и контактными датчиками используйте теплопроводящую пасту, смазав ею наиболее удаленные углубления на стержне. Контактные температурные датчики поместите в покрытые пастой углубления стержня и подключите к входам Т₁ и Т₂ прибора для измерения температуры.

• Полностью заполните водой верхний калориметр, чтобы избежать снижения температуры из-за доливания воды.

• Если вы не выполняли Упражнение 1 этой работы, взвесьте нижний калориметр и запишите полученное значение.

• В нижний калориметр налейте холодной воды из-под крана, чтобы неизолированный конец стержня находился полностью под водой. Для достижения лучшего охлаждения воды поместите в него марлевый мешочек, наполненный льдом или снегом.

• Для измерения температуры воды в нижнем калориметре необходимо датчик температуры опустить в калориметр и зафиксировать при помощи зажимов таким образом, чтобы он не касался дна и стенок калориметра. Датчик подключают к входу Т₃ прибора для измерения температуры.

• Установите режимы измерений на приборе для измерения температуры. На верхнем табло прибора должна выводиться информация о температуре воды в нижнем калориметре. На нижнем табло – информация о разности температур Т между верхним и нижним контактными датчиками.

• Кипятильник погрузите в верхний калориметр и включите его в сеть. Доведите воду, находящуюся в верхнем калориметре, до кипения.

2. После того как вода в верхнем калориметре закипит, включите секундомер и с помощью датчиков контактного типа каждые 30 секунд фиксируйте разность температур Т между верхним и нижним углублениями на стержне, что соответствует разности температур между верхним и нижним калориметрами, подключенным к стержню.

Измерения для определения коэффициента теплопроводности можно будет начинать после того, как установится постоянный температурный градиент, то есть Т будет оставаться практически постоянной.

3. Удалите лед из нижнего калориметра, аккуратно вынув из него мешочек со льдом (снегом).

4. Включите магнитную мешалку.

Продолжайте фиксировать разность температур Т между верхним и нижним калориметрами по первому секундомеру.

5. Включите второй секундомер и каждые 30 секунд в течение 5-10 минут фиксируйте температуру воды в нижнем калориметре Т, занося результаты в таблицу.

Таблица измерений температуры воды в нижнем калориметре и расчета количества теплоты Q_воды, полученное водой

mводы = , г; с воды = Дж/(кг ^. К); C = Дж/К
t,сек	Тводы, ^оС	Тi - То, ^оС	,Дж
0	То	0
30	Т1	Т1 - То
60	Т2	Т2 - То
90	Т3	Т3 - То
---
600

Внимание: После окончания измерений выключите кипятильник и мешалку.

6. Аккуратно сняв подставку из-под нижнего калориметра, достаньте его и взвесьте. Найдите массу воды, находившейся в калориметре. (Или определите объем воды в нижнем калориметре, а затем рассчитайте ее массу.)

7. По результатам измерений с помощью формулы (22) рассчитайте количество теплоты Q_воды, полученное водой для каждого момента времени.

8. Постройте график зависимости Q_воды от времени t.

9. Определите тангенс угла наклона Q_воды/dt графика зависимости Q_воды от времени t методом парных точек или методом наименьших квадратов.

10. По данным измерений п.2 и п.4 постройте график зависимости Т от времени t. Определите по графику Т в период измерений температуры воды.

11. Рассчитайте коэффициент теплопроводности исследуемого стержня по формуле (20).

12. Сравните полученный результат с табличным значением и сделайте вывод.

13. *Аккуратно снимите верхний калориметр, снимите стержень и замените его на другой. Повторите измерения для другого стержня, выполнив указания пп. 1 - 12 этого упражнения.

Упражнение 4. Поверка закона Видемана – Франца.

1. Соберите экспериментальную установку в соответствии со схемой приведенной на рис. 6.

а)

б)

Рис. 6. а) Внешний вид установки для определения удельной проводимости; б) Электрическая схема измерений.

2. Установить на источнике напряжение 2 В.

3. Откалибруйте усилитель (установите 0).

Примечание: калибровка усилителя производится без подачи напряжения!

4. Установите следующие параметры усилителя

   • Вход (Input): Low Drift

   • Усиление (Amplification): 10⁴

   • Постоянная времени (Time Constant): 0.

5. На мультиметре, предназначенном для измерения силы тока, установите предел измерений 200 мА. Предел измерений на вольтметре подбирается экпериментально.

6. Установите реостат на максимальное значение сопротивления и запишите показания мультиметров – значения тока и напряжения.

7. Постепенно уменьшайте величину сопротивления реостата и фиксируйте показания мультиметров. Выполните измерения тока I и напряжения U для 5-7 положений движка реостата.

8. По результатам измерений рассчитайте сопротивление стержня R, используя закон Ома для участка цепи. Проведите статистическую обработку результатов измерений сопротивления стержня.

9. Рассчитайте удельную проводимость  материала стержня, используя данные измерений его диаметра d и расстояние между наиболее удаленными углублениями l (см. Упражнение 3). При выполнении расчетов учтите, что

 = 1/,

где  – удельное сопротивление материала.

10. Рассчитайте левую часть выражения (15), используя экспериментальное значение коэффициента теплопроводности.

11. Рассчитайте правую часть выражения (15), (Т – комнатная температура).

12. Сделайте вывод о выполнении закона Видемана-Франца.

13. Повторите измерения для другого стержня в соответствие с указаниями п.п. 1-10 этого упражнения.

Примечание: Для проверки закона Видемана-Франца можно воспользоваться справочными данными об удельном сопротивлении материала стержня.