Pracownia: bilans cieplny i pomiar ciepła właściwego

Potrzebne wiadomości: Ciepło właściwe, różnica temperatur, masa i zasada zachowania energii.

Przygotowanie

Użyj izolowanego kubka, termometru, wagi i niewielkich ilości chłodnej oraz ciepłej, niegorącej wody. Nauczyciel dobiera temperatury bez ryzyka oparzenia. Nie używaj wrzątku ani otwartego płomienia. Zważ porcje, zmierz ich temperatury bezpośrednio przed zmieszaniem, a następnie delikatnie mieszaj i odczytaj temperaturę po wyrównaniu.

W najprostszym modelu m_1c(T_1-T_f)=m_2c(T_f-T_2). Dla jednakowych mas tej samej substancji daje to średnią temperatur. Dla różnych mas — średnią ważoną. Kubek i termometr także wymieniają energię; ich pominięcie trzeba uzasadnić albo doliczyć pojemność cieplną C.

Jak odczytać temperaturę końcową?

Wodę mieszaj delikatnie i mierz temperaturę w objętości, nie opierając czujnika o gorącą próbkę czy ściankę. Zapisuj T także przed połączeniem oraz po nim. Powolne stygnięcie całego układu do otoczenia różni się od szybkiego wyrównywania temperatur wewnątrz naczynia.

Bezwładny termometr może nie nadążyć za zmianą. Sam pierwszy odczyt po wrzuceniu próbki nie musi oznaczać równowagi. Z kolei zbyt długie czekanie zwiększa wymianę z otoczeniem. Dodatkowa seria czasu i temperatury pozwala zobaczyć ten kompromis, zamiast wybierać najwygodniejszą liczbę.

Nieznana próbka

Do wyznaczenia c stałej próbki znanej masy przygotuj ją pod nadzorem w kąpieli o zmierzonej bezpiecznej temperaturze, osusz powierzchnię i przenieś szybko do kubka z wodą. Zapisz temperatury i czas przenoszenia. Bilans porównuje oddane ciepło próbki z przyjętym przez wodę i naczynie. Próbka nie może reagować z wodą ani rozpuszczać się.

Wykonaj kilka serii, sprawdzając straty przez chłodzenie oraz wpływ temperatury początkowej kubka. Wynik z jednej idealizowanej tabeli nie dowodzi zerowych strat. Niepewność obejmuje masę, temperatury i model bilansu. Przewodzenie nie jest warunkiem równości temperatur w każdej chwili: potrzebny jest czas dojścia do równowagi. W zadaniach używamy jawnie modelowych danych, nie raportu z przeprowadzonego pomiaru.

Najpierw wybierz ogrzewane części

W bilansie liczy się woda, próbka, kubek, mieszadło i to, co znacząco zmienia temperaturę. Dla 0,10 kg wody ogrzanej z 20°C do 25°C potrzeba 2100 J. Jeśli naczynie ma pojemność cieplną 50 J/K i także zaczynało w 20°C, pobierze dodatkowe 250 J. Próbka musi oddać 2350 J, nawet gdy termometr pokazuje tę samą temperaturę końcową.

Dla próbki 0,20 kg stygnącej z 45°C do 25°C iloraz 2350/(0,20·20) daje 587,5 J/(kg·K). Wynik 525 J/(kg·K) pochodziłby z pominięcia naczynia. To przykład kierunku błędu; wartość 50 J/K została tu przyjęta modelowo, a w rzeczywistym zestawie wymaga kalibracji.

Średnia ważona ma warunki

Przy mieszaniu tej samej substancji o stałym c i bez strat c się skraca, więc temperaturę końcową można obliczyć ze średniej ważonej masami. Zwykła średnia obu temperatur działa tylko dla równych mas. Przy różnych substancjach wagami są pojemności mc, a przy zmianie fazy dochodzi energia przemiany. Zapis bilansu przed podstawieniem danych chroni przed użyciem właściwego wzoru w niewłaściwym doświadczeniu.

Zadania do tego tematu

• Nierówne porcje wody w idealnym kubku
• Ciepło właściwe modelowej próbki z bilansu
• Dlaczego nieznany kubek utrudnia pomiar?

Dalsza lektura

Materiał referencyjny