Експериментальна установка

Для визначення теплоємності твердих тіл призначена установка ФПТ 1-8, загальний вигляд якої зображений на рис.4.1, де 1 – блок приладів; 2 – блок робочого елемента; 3 – стойка; 4 – нагрівник; 5 – зразок.

Зразки нагрівають у калориметрі, схему якого показано на рис.4.2,де 1 – зразок; 2 – корпус; 3 – азбест; 4 – кожух; 5 – рукоятка; 6 – скловолокно; 7 – важіль; 8 – датчик температури; 9 – нагрівник; 10 – кришка.

Рис. 4.1

Рис. 4.2

Калориметр (рис.4.2) складається з латунного корпусу з конічним отвором, куди вміщується зразок, що досліджується. На зовнішній поверхні корпусу в спеціальних пазах розміщена спіраль нагрівника. Ззовні корпус калориметра теплоізольований шарами азбесту і скловолокна та закритий алюмінієвим кожухом. Калориметр закривається

теплоізольованою кришкою. Після закінчення експерименту зразок можна виштовхнути з конічної порожнини корпусу калориметра поворотом спеціального важеля. Для видалення нагрітого зразка з калориметра та установки зразка в нагрівник використовується рукоятка, розміщена в спеціальному гнізді поруч із зразками, що досліджуються.

Температуру калориметра вимірюють напівпровідниковим термометром, датчик якого знаходиться в корпусі калориметра, і реєструється на цифровому індикаторі "ТЕМПЕРАТУРА" блоку приладів (1). У блоці приладів розташоване також джерело живлення нагрівника, потужність якого встановлюється регулятором "НАГРЕВ". Напруга і струм у колі нагрівника вимірюються відповідно вольтметром і амперметром, які знаходяться на передній панелі блоку приладів.

Час нагрівання калориметра вимірюється секундоміром, розташованим у блоці приладів, і реєструється на цифровому індикаторі "ВРЕМЯ". Секундомір приводиться в дію при вмиканні живлення блоку приладів. Скидання до нуля значень на індикаторі провадиться натисканням кнопки "ОСТАНОВ", після відпускання якої знову починається відлік часу. Зразки, що досліджуються, розміщені в гніздах першого ряду. На торцевій поверхні цих зразків нанесено маркування маси Атомні маси зразків наведено в табл.4.1.

Після нагрівання для прискорення охолодження калориметра можуть бути використані зразки без маркування маси, розміщені у гніздах другого ряду, які послідовно вміщуються у калориметр.

Таблиця 4.1

№ п/п	Матеріал зразка	Атомна маса, кг/моль
1	Дюраль	26,98·10–3
2	Латунь	63,57·10–3
3	Сталь	55,85·10–3

Порядок виконання роботи

1. Зняти кожух з робочого елемента установки і підвісити його на гвинти задньої панелі. Увімкнути установку тумблером "СЕТЬ".

2. Щільно закрити кришку порожнього калориметра. Ввімкнути тумблером електричний нагрівник і встановити регулятор потужності: в положення "4" або "5".

3. За температури калориметра t₀ = 25°С включити відлік часу. Зробити 7-10 вимірювань часу нагрівання порожнього калориметра через інтервал температури 1°С. Результати занести до табл. 4.2.

4. Вимкнути нагрівник і охолодити калориметр до початкової температури t₀. Для швидкого охолодження калориметра рекомендується при відчиненій кришці вміщувати в нього зразки, призначені для охолодження калориметра, без маркування маси. Для видалення зразка з калориметра важіль повернути в крайнє праве положення, після чого за допомогою рукоятки вийняти нагрітий зразок

5. Повернути важіль у крайнє ліве положення, помістити в калориметр один із зразків, які досліджуються (за вказівкою викладача). Щільно закрити кришку калориметра і зачекати 3 хв. до вирівнювання температур калориметра і зразка. Увімкнути нагрівник калориметра, встановивши те ж саме значення напруги в колі, що і при нагріванні порожнього калориметра.

6. Увімкнути відлік часу за тієї ж самої початкової температури t_0. Зробити 7-10 вимірювань часу  нагрівання калориметра із зразком через інтервал температури 1°С. Результат занести до табл. 4.2.

Таблиця 4.2

№ виміру	U, B	I, A	ΔT, K	0, c	, c	( - 0), c	c, Дж/(кгК)	С, Дж/(мольК)

7. Вимкнути нагрівник, відкрити кришку калориметра і вийняти зразок.

8. Вимкнути установку тумблером "СЕТЬ".

Обробка результатів вимірювань

1. Побудувати графік залежності різниці часу нагрівання калориметра із зразком та порожнього калориметра від температури калориметра  - ₀ = f (Т) та визначити кутовий коефіцієнт K_α.

2. Використовуючи знайдений кутовий коефіцієнт K_α, визначити питому теплоємність зразка за формулою

c =

3. Використовуючи дані таблиці 4.1 визначити молярну теплоємність зразка.

4. Оцінити похибку результатів вимірювань

Контрольні запитання

1. Які величини називаються: теплоємністю речовини, питомою теплоємністю, молярною теплоємністю? У яких одиницях СІ вони вимірюються?

2. Виведіть формулу для повної внутрішньої енергії 1 моля твердого тіла.

3. У чому особливості теплоємностей твердих тіл? Виведіть формулу для молярної теплоємності твердого тіла.

4. Запишіть і поясніть закон Дюлонга і Пті.

5. Розрахуйте, виходячи із закону Дюлонга і Пті, питомі теплоємності алюмінію ₂₃Al²⁷ та заліза ₂₆Fe⁵⁶.

6. Метод електричного нагріву для визначення теплоємності твердих тіл.

7. Виведіть формулу для експериментального визначення теплоємності .

8. Чому під час експерименту нагрівання порожнього калориметра та калориметра із зразком необхідно проводити за однієї й тієї самої потужності, підведеної до нагрівника?

9. Чим обмежена максимально можлива температура нагрівання калориметра?

10. Які основні джерела похибок даного методу вимірювання.