كيفية تحديد السعة الحرارية النوعية للماء. موسوعة كبيرة عن النفط والغاز

الأدوات والإكسسوارات: المسعر ، ميزان الحرارة ، الموازين ، أجسام الاختبار ، الدورق (محسوب بالجرام) ، السخان الكهربائي.

- التأكد تجريبياً من صحة معادلة توازن الحرارة ؛

- حساب السعات الحرارية النوعية للمواد الصلبة ؛

- ترتيب نتائج القياسات والحسابات في شكل جدول ؛

- اكتب اقتراحاتك لتحسين تقنية القياسات والحسابات في هذا العمل.

نظرية الخبرة المختصرة

أحد المفاهيم الفيزيائية الأساسية للديناميكا الحرارية هو السعة الحرارية.

السعة الحرارية للجسماتصل الكمية الماديةعدديا يساوي الحرارة، والتي يجب توصيلها للجسم لتغيير درجة حرارته بمقدار 1 كلفن في العملية الديناميكية الحرارية المدروسة. من ناحية أخرى ، فإن السعة الحرارية للجسم تساوي نسبة الحرارة dQ المنقولة إلى الجسم لتغير dT في درجة حرارة الجسم في العملية الديناميكية الحرارية قيد الدراسة:

تعتمد السعة الحرارية للجسم على التركيب الكيميائي، كتلة الجسم وحالته الديناميكية الحرارية ، وأيضًا ، كما يتضح من التعريف ، حول نوع عملية تغيير حالة الجسم ، التي تدخل فيها الحرارة dQ.

الخصائص الحراريةتتميز الأجسام المتجانسة بقيم السعة الحرارية النوعية والمولارية. السعة الحرارية النوعية للمادةتسمى الكمية المادية مع، تساوي عدديًا الحرارة التي يجب نقلها إلى كيلوغرام واحد من المادة لتغيير درجة حرارتها بمقدار 1 كلفن في العملية الديناميكية الحرارية قيد الدراسة. يمكن تعريف السعة الحرارية لجسم متجانس على أنها نتاج كتلة الجسم ملسعة حرارية محددة معمواده:

أو (2.2).

وبالتالي ، فإن العلاقة بين dQ و dT لجسم متجانس لها الشكل:

السعة الحرارية الموليةتسمى الكمية الفيزيائية C ، التي تساوي عدديًا الحرارة التي يجب نقلها إلى مول واحد من مادة ما لتغيير درجة حرارتها بمقدار 1 كلفن في العملية الديناميكية الحرارية قيد الدراسة:

من = السيدة = (2.4),

حيث M هي الكتلة المولية للمادة ؛ منهي سعته الحرارية المحددة في نفس العملية.

يمكن الآن كتابة التعبير (2.4) بالشكل:

حيث = n هي كمية المادة.

وحدة قياس السعة الحرارية للجسم هي 1 J / K ، حرارة نوعية- 1 جول / كغ. ك ، ضرس - 1 جول / مول. إلى.

إذا حدث التسخين في ظل ظروف ظل فيها الحجم ثابتًا ، فسيتم استدعاء السعة الحرارية المولية المقابلة السعة الحرارية في حجم ثابت، أو السعة الحرارية متساوية الصدور ، ويشار إليها C v:

إذا ظل الضغط ثابتًا أثناء التسخين ، فسيتم استدعاء السعة الحرارية السعة الحرارية عند ضغط ثابت C p (يمكن أن يطلق عليه أيضًا السعة الحرارية متساوية الضغط):

لاحظ أنه بالنسبة للمواد الصلبة ، فإن السعة الحرارية فقط عند ضغط ثابت ، وليس بحجم ثابت ، متاحة للقياس المباشر ، نظرًا لأنه من المستحيل ضمان ثبات حجم الجسم بسبب التمدد الحراري. ومع ذلك ، نظرًا لصغر التغيير في الحجم أثناء التسخين ، فإن الفرق بين السعات الحرارية C p و C v صغير.

تجريبيًا ، يتم تحديد السعة الحرارية للجسم من خلال تطبيق معادلة توازن الحرارة. دع الجسم يسخن إلى درجة حرارة أعلى من درجة الحرارة بيئة. ثم يبرد الجسم ، ويطلق قدرًا معينًا من الحرارة. وفقًا لقانون حفظ الطاقة في نظام مغلق ، يجب أن تكون كمية الحرارة التي يتلقاها الوسط مساوية تمامًا لكمية الحرارة المنبعثة من الجسم. في هذا العمل ، التبريد ، يُطلق جسم الاختبار الحرارة إلى الماء في المسعر وإلى المسعر نفسه.

دع جسم الاختبار المعطى مع الكتلة م، يسخن إلى درجة حرارة t0، إلى المسعر بالماء ، درجة حرارته t1. نتيجة انتقال الحرارة درجة حرارة الماءويرتفع المسعر إلى T2، أ درجة حرارة الجسمقطرات ل T2. كمية الحرارة التي يطلقها الجسم هي:

س دس = سم(T0 - T2) (2.6),

حيث c هي السعة الحرارية المحددة لجسم الاختبار ،

t0- درجة حرارة الجسم الأولية ،

T2- درجة حرارة الجسم النهائية ،

م- كتلة الجسم.

كمية الحرارة التي يتلقاها المسعر والماء تساوي:

أين وهى الكتلة والحرارة النوعية للمسعر ،

أنا - كتلة ومحددة السعة الحرارية للماء,

t1- درجة حرارة الماء الأولية ،

T2هي درجة الحرارة النهائية للماء.

وفقًا لقانون حفظ الطاقة في نظام مغلق:

Q otd \ u003d Q floor (2.8).

ثم استبدال الصيغتين 2.6 و 2.7 في المعادلة 2.8 والتعبير عن القيمة المرغوبة من ، نحن نحصل:

(2.9).

تحديد السعات الحرارية المحددة لثلاث أجسام أسطوانية من معادن مختلفة

1. تحديد قيم الجماهير - م أنا، كتلة المسعر - حرارة الماء النوعية - الحرارة النوعية للمسعر -.

2. صب في المسعر كمية محسوبة من الماء البارد في درجة حرارة الغرفة (حوالي 150 جرام).

3. قياس درجة الحرارة الأولية للماء البارد ر 1.

4. تسخين الماء في الوعاء ليغلي.

5. ضع أحد أجسام الاختبار في الماء المغلي لفترة من الوقت. خذ درجة حرارة الجسم المسخن ر 0 يساوي درجة الحرارةالماء المغلي في الظروف العادية - 100 درجة مئوية.

6. ضع الجسم الساخن في المسعر بالماء. انتظر حتى نهاية نقل الحرارة وقياس درجة الحرارة النهائية في المسعر - ر 2.

8. حدد بالمثل السعات الحرارية النوعية للهيئتين الأخريين.

9. سجل نتائج القياسات والحسابات في الجدول 3.

10. بناءً على قيم السعات الحرارية المحددة ، حدد المواد التي تتكون منها الأجسام.

12. بعد قياس الأبعاد الخطية للأجسام ، حدد كثافتها.

13. احسب الأخطاء وسجل النتيجة وفقًا لـ GOST.

14. اكتب الاستنتاجات الخاصة بالعمل المخبري.

الجدول 3

رقم ص / ص	م "، كجم	م "، كجم	م ، كجم	ج "، ي / كغم	ج "، ي / كغم	ر 0 ، 0 ج	ر 1 ، 0 ج	ر 2 ، 0 ج	C ، J / كجم. إلى

الصفحة 2

دقة تحديد الحرارة النوعية حسب سايكس عالية جدًا. ومع ذلك ، ترتبط هذه الطريقة بصعوبات تجريبية أكبر من طريقة سميث ، وتعطي أيضًا نتائج دقيقة فقط لمنحنيات التسخين ، على الرغم من إمكانية استخدامها أيضًا للحصول على منحنيات التبريد. تسهل طريقة سميث دراسة نطاقات درجات الحرارة الضيقة ، ولكنها ربما تكون أقل دقة.

لذلك ، من أجل تحديد السعة الحرارية النوعية لمادة ما ، من الضروري قياس العمل أ الذي تؤديه القوى الخارجية المؤثرة على الجسم ، وقياس التغير في درجة حرارة الجسم الملحوظ نتيجة للعمل في حالة الغياب. من التبادل الحراري مع الهيئات الأخرى.

الطريقة الأكثر استخدامًا لتحديد السعة الحرارية المحددة ؛ يسمى الخلط. يتكون المسعر (Regno) من وعاء من النحاس الأحمر ، يوضع على أرجل خشبية في قاع وعاء نحاسي آخر ، يتم فصله عنها بطبقة من الهواء ، والتوصيل الحراري والقدرة الحرارية ، لكل وحدة حجم ، ضئيلة. الوعاء الأول مملوء بالماء.

دعونا الآن نفكر في طرق لتحديد السعة الحرارية المحددة لخليط الغاز.

يعد التحديد المباشر (المباشر) للسعة الحرارية النوعية Su ودراسة مسار تغيرها اعتمادًا على درجة الحرارة والحجم المحدد أحد أهم وسيلة فعالةدراسة الحالة الحرجة للمواد. لذلك ، فإن التحديدات التجريبية للقدرة الحرارية لها أهمية نظرية وعملية كبيرة في دراسة الظواهر الحرجة.

ما هي صيغة تحديد السعة الحرارية النوعية للحلول.

عند إجراء تجارب لتحديد الحرارة النوعية عن طريق الخلط ، من الضروري تسخين عينة الاختبار - - إلى درجة حرارة ثابتة بدقة. لهذا الغرض ، يتم استخدام السخانات المحمولة ، والتي يتم تثبيتها فوق المسعر لفترة قصيرة ، وهي ضرورية للنقل السريع للعينة الساخنة إلى المسعر.

مخطط الجهاز.

يتمثل جوهر أبسط طريقة ثابتة مطلقة لتحديد الحرارة النوعية كما يلي: يتم وضع عينة من مادة الاختبار بسمك h ومنطقة المقطع العرضي 5 بين السخان والمبرد. يمكن أن يكون السخان وعاء مع ماء ساخنأو عنصر تسخين كهربائي بحيث يمكن ضبط طاقته حسب الرغبة عن طريق تغيير الجهد. المبرد عبارة عن جسم معدني أجوف يمر من خلاله الماء البارد. يتم قياس درجات الحرارة على الأسطح الساخنة والمبردة للعينة (tj و ، على التوالي ، / 2) بواسطة المزدوجات الحرارية.

فيما يلي مثال على معالجة البيانات التجريبية عند تحديد السعة الحرارية المحددة لعينة من الحجر الرملي. تم تسخين أسطوانة مجوفة مملوءة بمسحوق عينة الصخور المدروسة إلى 40 درجة مئوية وتبريدها في غرفة هواء ساكن إلى درجة حرارة 18-20 درجة مئوية.

على التين. يوضح الشكل 3 - 6 الرسوم البيانية لتحديد السعة الحرارية النوعية للهيدروكربونات الفردية السائلة ومخاليط الزيت ، وكذلك المحاليل المائية للميثانول والإيثانول.

على سبيل المثال ، لنقم بعمل معادلة توازن الحرارة ، والتي تُستخدم في تحديد السعة الحرارية النوعية لمادة باستخدام مقياس المسعر. تقريبًا ، يمكن اعتبار أنه في هذه الحالة تشارك ثلاث أجسام في التبادل الحراري: المسعر والسائل والجسم ، ويتم تحديد الحرارة النوعية للمادة.

6.4. انتقال الحرارة بين الجثث

6.4.1. السعة الحرارية للجسم ، محددة السعة الحرارية للمادة ، السعة الحرارية المولية للمادة

من أجل رفع درجة حرارة الجسم ، فإنه يحتاج إلى توصيل كمية معينة من الحرارة.

يسمى 1 كجم من مادة معينة لكل 1 كلفن حرارة نوعيةموادوتحسب بالصيغة

دقات ج = Q م Δ T ،

حيث Q هي كمية الحرارة المطلوبة لتسخين كتلة معينة من المادة ؛ م هي كتلة المادة ؛ ΔT هو التغير في درجة حرارة المادة عند تسخينها.

في النظام الدولي للوحدات ، تُقاس السعة الحرارية النوعية للمادة بالجول مقسومة على كيلوغرام كلفن (1 J / (kg ⋅ K)).

كمية الحرارة المطلوبة للتسخين بعض كتلة المادة، من قبل المنتج

س = ج فوز م ∆T.

كمية الحرارة المطلوبة لرفع جسم معين بمقدار 1 كلفن تسمى السعة الحرارية للجسموتحسب بالصيغة

C = QΔT ،

حيث Q هي كمية الحرارة المطلوبة لتسخين جسم معين ؛ ΔT - تغير في درجة حرارة الجسم عند التسخين.

في النظام الدولي للوحدات ، تُقاس السعة الحرارية للجسم بالجول مقسومة على كلفن (1 J / K).

يتم تحديد كمية الحرارة المطلوبة لتسخين جسم معين بواسطة المنتج

س = CΔT ،

حيث C هي السعة الحرارية للجسم.

السعة الحرارية للجسم والقدرة الحرارية للمادة التي يتكون منها الجسم ، مترابطالتعبير

C \ u003d mc يدق ،

حيث C هي السعة الحرارية للجسم ؛ م - وزن الجسم نبضة c هي السعة الحرارية النوعية للمادة التي يتكون منها هذا الجسم.

كمية الحرارة المطلوبة لرفع درجة حرارة 1 مول من مادة معينة بمقدار 1 كلفن تسمى السعة الحرارية المولية للمادةوتحسب بالصيغة

ج μ = Q ν Δ T ،

حيث Q هي كمية الحرارة المطلوبة لتسخين كمية معينة من مادة ؛ ν هي كمية المادة ؛ ΔT هو التغير في درجة حرارة الكمية المحددة من المادة عند تسخينها.

في النظام الدولي للوحدات ، تُقاس السعة الحرارية المولارية للمادة بالجول لكل مول-كلفن (1 J / (mol ⋅ K)).

كمية الحرارة المطلوبة للتسخين بعض كمية الجوهر، من قبل المنتج

س = ج µ νΔT.

القدرات المولارية والحرارة النوعية للمادة مترابطالتعبير

ج µ = دقات السيدة ،

حيث c µ هي السعة الحرارية المولية للمادة ؛ M هي الكتلة المولية للمادة ؛ ج س - السعة الحرارية النوعية للمادة.

مثال 14 كرات من الحديد والرصاص لها نفس القطر. كم مرة تكون السعة الحرارية للكرة الحديدية أكبر من السعة الحرارية لكرات الرصاص؟ السعة الحرارية النوعية للحديد والرصاص هي 0.46 و 0.13 كيلو جول / (كجم - كلفن) والكثافة 7.80 و 11.5 جم / سم 3 على التوالي.

المحلول . يتم تحديد السعات الحرارية للكرات من خلال الصيغ التالية:

• كرة حديدية -

ج 1 \ u003d م 1 ج ud1 ،

حيث m 1 كتلة الكرة الحديدية ؛ ج ud1 - السعة الحرارية النوعية للحديد ؛

• كرة الرصاص -

ج 2 \ u003d م 2 ج فوز 2 ،

حيث م 2 هي كتلة كرة الرصاص ؛ ج sp2 - السعة الحرارية المحددة للرصاص.

النسبة المطلوبة هي السعات الحرارية:

C 1 C 2 \ u003d m 1 c فاز 1 م 2 ج فاز 2 ،

والتي تحددها نسبة كتل الحديد وكرات الرصاص ونسبة السعات الحرارية النوعية للحديد والرصاص.

يتم تحديد كتل الكرات حسب حجمها وكثافتها:

• كرة حديدية -

م 1 \ u003d ρ 1 فولت 1 ،

حيث ρ 1 هي كثافة الحديد ؛ V 1 - حجم الكرة الحديدية ؛

• كرة الرصاص -

م 2 \ u003d ρ 2 فولت 2 ،

حيث ρ 2 - كثافة الرصاص ؛ الخامس 2 - حجم كرة الرصاص.

الكرات لها نفس القطر ، لذا فإن أحجامها متماثلة:

V 1 \ u003d V 2 \ u003d V \ u003d π d 2 6 ،

حيث د هي أقطار كرات الحديد والرصاص.

مع الأخذ في الاعتبار الظروف الأخيرة ، فإن نسبة الكتلة تساوي:

م 1 م 2 = ρ 1 V 1 ρ 2 V 2 = ρ 1 ρ 2.

دعنا نستبدل م 1 / م 2 في صيغة نسبة السعات الحرارية لكرات الحديد والرصاص:

C 1 C 2 \ u003d ρ 1 c sp 1 ρ 2 c sp 2.

لنقم بالحساب:

ج 1 ج 2 = 7.80 10 3 0.46 10 3 11.5 ⋅ 10 3 ⋅ 0.13 ⋅ 10 3 = 2.4.

تبلغ السعة الحرارية للكرة الحديدية 2.4 ضعف كرة الرصاص.

مثال 15. عند تحضير خليط ، تم سكب كتلة معينة من الرمل وأربعة أضعاف كتلة الأسمنت في القبو. السعة الحرارية النوعية للأسمنت والرمل هي 810 و 960 جول / (كجم - كلفن) على التوالي. حدد السعة الحرارية النوعية للخليط.

المحلول . يتم تحديد السعة الحرارية النوعية للخليط من خلال الصيغة

دقات ج = Q م Δ T ،

حيث Q هي كمية الحرارة المطلوبة لرفع درجة حرارة الخليط بمقدار ΔT ؛ م هي كتلة الخليط.

كمية الحرارة المطلوبة لتسخين الخليط ، -

س \ u003d س 1 + س 2 ،

حيث س 1 - كمية الحرارة المطلوبة لتسخين الرمل ، وهو جزء من الخليط ، بمقدار ΔT ؛ س 2 - كمية الحرارة المطلوبة لتسخين الأسمنت وهو جزء من الخليط بمقدار ΔT.

كمية الحرارة المطلوبة للتدفئة:

• رمل -

س 1 \ u003d ج ​​ud1 م 1 ∆T ،

حيث c ud1 - السعة الحرارية النوعية للرمل ؛ م 1 - كتلة الرمل.

• يبني -

س 2 \ u003d ج ​​ud2 م 2 ∆T ،

حيث c ud2 - السعة الحرارية النوعية للأسمنت ؛ م 2 هي كتلة الاسمنت.

يتم تحديد كمية الحرارة المطلوبة لتسخين خليط من الرمل والأسمنت من خلال التعبير

Q \ u003d c فاز 1 م 1 T + c فاز 2 م 2 Δ T \ u003d (ج فاز 1 م 1 + ج فاز 2 م 2) Δ T.

كتلة الخليط هي مجموع كتل الرمل والأسمنت:

م \ u003d م 1 + م 2.

دعونا نستبدل التعبيرات التي تم الحصول عليها لكمية الحرارة وكتلة الخليط في صيغة السعة الحرارية المحددة للخليط:

ج يدق \ u003d (ج يدق 1 م 1 + ج يدق 2 م 2) Δ T (م 1 + م 2) Δ T \ u003d ج ​​يدق 1 م 1 + ج يدق 2 م 2 م 1 + م 2.

سنقوم بتحويل التعبير الناتج ، مع مراعاة نسبة الكتلة:

م 2 = 4 م 1 ، أي ج يدق \ u003d ج ​​يدق 1 م 1 + 4 ج يدق 2 م 1 م 1 + 4 م 1 \ u003d ج ​​يدق 1 + 4 ج ينبض 2 5.

يعطي الحساب القيمة:

دقات ج = 960 + 4 810 5 = 840 جول / (كجم ⋅ كلفن).

لذلك ، السعة الحرارية النوعية للخليط هي 840 جول / (كجم - كلفن).