11

«Изучение калориметра»

Цель работы: изучить устройство калориметрического сосуда.

Оборудование: стеклянный калориметр, копель-хромелевая термопара, резистор, соединительные провода, добавочный резистор, универсальный комплект лабораторного оборудования по молекулярной физике ЛАБЭКС.

Вопросы к допуску:

1. Устройство и принцип действия экспериментальной установки.

2. Методика проведения эксперимента.

Контрольные вопросы:

1. Для чего нужен калориметр.

2. Устройство калориметра.

3. Возможные утечки из калориметра тепловой энергии.

4. Уравнение теплового баланса для калориметра.

5. Характеристики качества калориметра.

6. Физический смысл коэффициента теплоотдачи калориметра.

7. Методика экспериментального определения коэффициента теплоотдачи.

Теоретические сведения.

Пусть требуется определить количество теплоты, передаваемое более нагретым телом менее нагретому. Назовем первое из них нагревателем, а второе – термометрическим телом. Для этого необходимо привести оба тела в тепловой контакт друг с другом и тогда, зная массы тел, их удельные теплоемкости а так же начальную и конечную температуры, можно рассчитать величину переданного (или полученного) телами тепла. Однако, здесь возникает проблема, связанная с тем, что излучаемое нагревателем тепло поглощается не только термометрическим телом, но и любыми другими телами, имеющими температуру, ниже температуры нагревателя. Это приводит к потере некоторой доли тепла, расходуемого на нагрев посторонних тел и результат измерений оказывается заниженным. Чтобы этого не происходило, оба исследуемых тела должны составлять замкнутую систему, т.е. иметь возможность обмениваться теплом только друг с другом, а не с внешними телами. Очевидно, что для этого необходимо как-то оградить исследуемые тела от окружающего пространства, например, поместив их в специальный сосуд, который называется калориметром, т.к. позволяет измерять количество передаваемого или принимаемого телами тепла в результате их теплообмена («калория» – внесистемная единица измерения тепловой энергии, «метрио» – измерять) при минимальных потерях тепловой энергии.

Простейший калориметр представляет собой два сосуда (рис.1), расположенных один внутри второго. Обычно внутренний сосуд изготовляют тонкостенным и из металла известной теплоемкости (как правило, латунь). Внешний сосуд должен быть изготовлен из материала, обладающего минимальной теплоемкостью. С целью обеспечения наименьшей площади контакта обоих сосудов внутренний сосуд располагают на призматических подставках таким образом, чтобы между стенками сосудов оставалась воздушная прослойка. Тем самым внешний сосуд ограждает внутренний от случайных потоков воздуха, что в значительной мере уменьшает потери тепловой энергии. В объеме внутреннего сосуда располагается мешалка, резервуар термометра (или спай термопары), а также электрический нагреватель (если это необходимо).

Калориметр лучшего качества (рис.2) представляет собой стеклянный сосуд с двойными стенками, между которыми откачан воздух. Внутренние поверхности обоих стенок обычно серебрят или алюминируют. Отсутствие между стенками калориметра воздуха предотвращает перенос тепловой энергии путем теплоотдачи, а светлое и блестящее покрытие, хорошо отражая электромагнитные волны инфракрасной части спектра, предотвращает перенос тепла путем излучения. Естественно, эти меры не способны обеспечить полной теплоизоляции находящихся внутри калориметра тел, но сводят потери тепловой энергии к минимуму. Наибольший отток тепла из калориметра происходит через пробку, закрывающую отверстие калориметра, а также через «шейку» – стеклянную перемычку, связывающую внутреннюю и внешнюю поверхности калориметра.

Вообще говоря, существует и третий механизм переноса тепла – явление конвекции. Однако, от этого фактора можно легко освободиться, плотно закрыв калориметр пробкой изготовленной из материала, обладающего низкой теплопроводностью. Тогда конвективные потоки окажутся замкнутыми внутри калориметра и не будут иметь возможности уносить тепло в окружающее пространство.

В тех случаях, когда при помощи калориметра измеряется количество тепла, переданное одним телом другому, в калориметр наливают некоторое количество так называемой термометрической жидкости, что улучшает тепловой контакт между исследуемыми телами. Обычно в качестве такой жидкости применяют дистиллированную воду или машинное масло с хорошо известной удельной теплоемкостью.

Упомянутая выше мешалка используется для перемешивания калориметрической жидкости с целью устранения градиента температуры, который приводит к неравномерному распределению тепла между всеми телами внутри калориметра и, как следствие, сильно снижает точность измерений.

Изображенный на рис.1 электрический нагреватель внутри калориметра, используется не всегда. Например, он необходим, при измерении удельной теплоемкости жидкости, роль которой выполняет сама термометрическая жидкость. При измерении же удельной теплоемкости твердых тел вместо электрического нагревателя используется исследуемое тело, предварительно нагретое до известной температуры вне нагревателя.

Процесс теплообмена между телами внутри калориметра описывается уравнением теплового баланса, согласно которому внутренний сосуд калориметра и все находящиеся в нем тела в единицу времени приобретают такое же количество теплоты какое () за тот же промежуток времени теряет нагреватель:

, (1)

где знак «-» указывает на противоположные направления перетока тепла.

Качество любого калориметра описывается двумя его характеристиками – водяным эквивалентом и коэффициентом теплоотдачи поверхности. Водяным эквивалентом W калориметра называется то количество теплоты, которое расходуется нагревателем на нагрев всех присутствующих в калориметре тел и внутренней оболочки самого калориметра на один градус. Так, если помимо термометрической жидкости и исследуемых тел в калориметре имеются мешалка, термометр и нагреватель, то водяной эквивалент данного калориметра окажется равным:

(2)

где ,,,– массы перечисленных выше тел, а,,,– их удельные теплоемкости. Очевидно, что единицей измерения водяного эквивалента являетсяДж/К. Эта величина, как правило, определяется экспериментально и является характеристикой только данного калориметра. Поэтому следует помнить, что смена мешалки или термометра в калориметре требует нового измерения величины водяного эквивалента.

Коэффициентом теплоотдачи α калориметра называется то количество теплоты, которое излучается оболочкой калориметра в единицу времени при разности температур оболочки и окружающей среды равной 1 градус. Эта величина также является характеристикой данного калориметра и может быть определена только экспериментально по формуле:

, (3)

где dQ – количество теплоты, излучаемое в окружающее пространство (теряемое) калориметром за время при данной разности температур оболочки и окружающей среды. Знак «-» указывает на отдачу оболочкой калориметра тепла в окружающее пространство.