Лабораторная работа №66. Эквивалентность теплоты и работы. Механический эквивалент теплоты.

Составитель: О.В. Сергеева, к.ф.-м.н., доцент

Рецензенты: И.А. Малиненко, к.ф.-м.н., доцент;

А.И.Назаров, д.п.н., к.ф.-м.н., профессор

Цель работы:

1. Экспериментально проверить эквивалентность понятий теплоты и работы.

2. Ознакомиться с экспериментальным методом определения удельной теплоемкости твердых тел.

Задачи:

1. Определить механический эквивалент теплоты.

2. Рассчитать удельную теплоемкость исследуемых веществ.

Приборы и оборудование:

1. Металлические цилиндры.

2. Лента.

3. Поддерживающий стержень длиной 250 мм.

4. Подставка-основание.

5. Динамометры на 10 Н, 100 Н.

6. Тиски.

7. Набор гирь.

8. Термометр или полупроводниковый термодатчик

9. Штангенциркуль.

10. Универсальная установка Кобра 3.

11. Программное обеспечение Phywe.

Теоретическое введение Количество теплоты

Существуют два различных способа энергетического воздействия на термодинамическую систему при ее взаимодействии с внешней средой (внешними телами): путём совершения работы и теплообменом. В первом случае обмен энергией между системой и внешними телами осуществляется в форме работы, а во втором – в форме теплоты. Соответственно количество энергии, переданное системе внешними телами в форме работы, называют работой, совершённой над системой, а количество энергии, переданное системе от внешней среды в форме теплоты, называют количеством теплоты, или просто теплотой, сообщённой системе.

Первый способ передачи энергии известен из механики. Он осуществляется при силовом взаимодействии системы с внешними телами. Давно известно, что нагревание тела может происходить без сообщения ему какого-либо количества теплоты, а только за счет совершения работы. Подобное явление наблюдал еще в 18 веке Б. Румфорд: при сверлении пушечного ствола он успевал вскипятить поставленный на ствол котел с водой. Известно также, что без смазки, уменьшающей трение, работа сил трения приводит к такому нагреванию, что плавятся подшипники.

Работу над системой производят внешние силы или поля. В отсутствие внешних силовых полей обмен энергией между системой и внешней средой может осуществляться путём работы только в процессе изменения объёма или формы системы. При этом работу над простой системой (например, газообразной) производят силы, оказывающие давление на неё со стороны внешней среды. Работа А', совершаемая внешними силами над системой, численно равна и противоположна по знаку работе А, совершаемой при этом системой над внешней средой или, как обычно говорят, работой «против внешних сил»:

А' = – А.

Поскольку работа, совершаемая системой, существенно зависит от пути перехода ее из одного состояния в другое, то работа не является функцией состояния системы. Нельзя говорить о работе, которой обладает система. Поэтому элементарную работу обозначают А.

Известно, что воздействовать на систему можно и другим способом, при котором работа на первый взгляд не играет никакой роли. Способ этот заключается в том, что тело приводится в контакт с другим телом, имеющим температуру, отличающуюся от его собственной. Тот же результат может быть достигнут и без непосредственного контакта, когда два тела различной температуры разделены какой-нибудь средой или даже пустотой. В первом случае говорят, что нагрев или охлаждение осуществляется путём теплопроводности, во втором – излучением. Существует еще один способ передачи теплоты – конвекция. Эти способы воздействия ведут к изменению температуры.

Изменение температуры всегда связано с изменением энергии. Механизм передачи энергии в «контактном» способе заключается в том, что частицы соприкасающихся тел при взаимных соприкосновениях обмениваются энергией, так что частицы сильнее нагретого тела теряют энергию, передавая её частицам менее нагретого тела. Значит в этом случае вместо изменения энергии системы за счёт работы внешних сил (механической энергии внешнего источника) тот же результат достигается путём передачи энергии хаотически движущихся частиц одного тела частицам другого.

Исторически сложилось так, что в том случае, когда изменение температуры (нагрев или охлаждение) тела производится «контактным» способом или излучением, говорят, что к телу подводится или от него отводится некоторое количество теплоты (Q или бесконечно малое количество теплоты Q). Теплота – форма обмена внутренней энергией между телами, часть изменения внутренней энергии.

Итак, при теплопередаче энергия передаётся от одного тела к другому при их контакте (непосредственному или через третье тело) или путём излучения. По существу, при передаче теплоты мы тоже имеем дело с работой, но работу в этом случае совершают не макроскопические упорядоченно движущиеся тела, а беспорядочно движущиеся микрочастицы. Количество теплоты – это мера изменения той части внутренней энергии тела (системы), которая обусловлена хаотическим движением микрочастиц, образующих тело. Количество теплоты, получаемое или отдаваемое системой, зависит от способа перехода системы из одного состояния в другое.

В реальных условиях оба способа передачи энергии системе (в форме работы и в форме теплоты) сопутствуют друг другу. Например, при нагревании тела расширяются и совершают работу против сил внешнего давления.

Итак, одинаковое повышение температуры тела может быть вызвано как передачей некоторого количества теплоты Q, так и совершением определенной работы А, но это две качественно различные формы передачи энергии. Работа проявляется в передаче энергии упорядоченного движения, а теплота – в передаче энергии хаотического движения частиц, составляющих систему. Работа и теплота – взаимопревращаемые формы передачи энергии.

Работа в механике равна изменению механической энергии системы. Поэтому количество теплоты, как и работу, надо считать мерой изменения энергии системы.