水の比熱容量を決定する方法。 石油とガスの大百科事典

機器および付属品: 熱量計、温度計、はかり、試験体、ビーカー (グラム単位で校正)、電気ヒーター。

– 熱収支方程式の妥当性を実験的に確認する;

– 固体の比熱容量を計算します。

– 測定結果と計算結果を表形式で整理する。

– この作業における測定と計算の技術を改善するための提案を書き留めてください。

経験の簡単な理論

熱力学の基本的な物理概念の 1 つに熱容量があります。

体の熱容量と呼ばれる 物理量、数値的に 熱に等しい、考慮される熱力学的プロセスで温度を1 K変化させるために体に伝達する必要があります。 一方、物体の熱容量は、考慮中の熱力学的過程における体温の変化 dT に対する物体に与えられた熱 dQ の比率に等しくなります。

物体の熱容量は、その物体に依存します。 化学組成、体の質量とその熱力学的状態、および定義からわかるように、熱dQが入る体の状態を変化させるプロセスのタイプについても説明します。

熱特性均質体は、比熱およびモル（モル）熱容量の値によって特徴付けられます。 物質の比熱容量物理量と呼ばれる と、検討中の熱力学的プロセスで温度を1 K変化させるために1キログラムの物質に与えなければならない熱に数値的に等しい。 均質な物体の熱容量は、物体の質量の積として定義できます メートル比熱容量用 とその物質：

または（2.2）。

したがって、均質体の dQ と dT の関係は次の形式になります。

モル熱容量物理量 C は、検討中の熱力学的プロセスでその温度を 1 K 変化させるために物質の 1 モルに与えなければならない熱に数値的に等しいと呼ばれます。

から = MS = (2.4),

ここで、M は物質のモル質量です。 から同じプロセスでの比熱容量です。

式 (2.4) は次の形式で記述できます。

ここで = n は物質の量です。

物体の熱容量の測定単位は 1 J/K です。 比熱– 1 J/kg。 K、モル - 1 J /モル。 に。

体積が一定のままの条件下で加熱が発生した場合、対応するモル熱容量が呼び出されます 一定体積での熱容量、または等容熱容量であり、C v で表されます。

加熱中に圧力が一定のままである場合、熱容量が呼び出されます 定圧熱容量 C p (等圧熱容量とも呼ばれます):

固体の場合、熱膨張のために物体の体積の一定性を保証することが不可能であるため、一定の体積ではなく、一定の圧力での熱容量のみが直接測定に使用できることに注意してください。 しかし、加熱時の体積変化が小さいため、熱容量C p とC v の差は小さい。

実験的に、物体の熱容量は、熱収支方程式を適用することによって決定されます。 体温よりも高い温度に体を温めましょう 環境. その後、冷却すると、体は一定量の熱を放出します。 閉鎖系におけるエネルギー保存の法則によれば、媒体が受け取る熱量は、体が放出する熱量と正確に等しくなければなりません。 この作業では、冷却して、試験体が熱量計内の水と熱量計自体に熱を放出します。

与えられた試験体に質量を持たせる メートル、ある温度まで加熱 t0、水で熱量計に下げられ、その温度は t1. 熱伝達の結果として 水温そして熱量計は t2、 体温に落ちる t2. 体から放出される熱量は次のとおりです。

Q デップ = cm(t0 - t2) (2.6),

ここで、c は試験体の比熱容量、

t0– 初期体温、

t2– 最終体温,

メートル- 体重。

熱量計と水が受け取る熱量は次のようになります。

ここで と は熱量計の質量と比熱です。

I - 質量と特定 水の熱容量,

t1– 初期水温,

t2水の最終温度です。

閉鎖系におけるエネルギー保存則によると：

Q otd \u003d Qフロア（2.8）。

次に、式 2.6 と 2.7 を式 2.8 に代入し、目標値を表します。 から 、 我々が得る：

(2.9).

さまざまな金属の 3 つの円筒体の比熱容量を決定する

1.体の質量の値を決定します- 私は、熱量計の質量 – 、水の比熱 – 、熱量計の比熱 – 。

2. 測定した量の室温の冷水 (約 150 g) を熱量計に注ぎます。

3. 冷水の初期温度 t 1 を測定します。

4. 容器の水を沸騰させます。

5. 試験体の 1 つを沸騰したお湯にしばらく入れます。 加熱された体の温度を取る t 0 温度に等しい通常の状態で沸騰したお湯 - 100°C

6.加熱された本体を水で熱量計に入れます。 熱伝達の終了を待ち、熱量計で最終温度を測定します - t 2 。

8. 他の 2 つの物体の比熱容量を同様に決定します。

9. 測定と計算の結果を表 3 に記録します。

10.比熱容量の値に基づいて、体が作られている物質を決定します。

12.体の直線寸法を測定したら、それらの密度を決定します。

13. エラーを計算し、GOST に従って結果を記録します。

14.実験室での作業に関する結論を書き留めます。

表 3

No.p/p	M"、kg	M"、kg	メートル、キロ	C」、J / kg。K	C」、J / kg。K	t 0 , 0℃	t 1 , 0℃	t 2 , 0℃	C、J/kg。 に

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Sykes による比熱の決定精度は非常に高いです。 ただし、この方法はスミス法よりも実験が困難であり、冷却曲線を取得するためにも使用できますが、加熱曲線に対してのみ正確な結果が得られます。 スミスの方法は、狭い温度範囲の研究を容易にしますが、おそらく精度は低くなります。

したがって、物質の比熱容量 sg を求めるためには、身体に作用する外力によってなされる仕事 A を測定し、仕事がない場合の体温の変化を測定する必要があります。他の物体との熱交換。

比熱容量を決定するために最も一般的に使用される方法。 いわゆるミキシング。 熱量計 (レグノ) は、別の銅容器の底にある木製の脚の上に置かれた赤銅の容器で構成され、そこから空気の層によって分離されています。単位体積あたりの熱伝導率と熱容量は次のとおりです。無視できる。 最初の容器は水で満たされています。

ここで、ガス混合物の比熱容量を決定する方法を考えてみましょう。

比熱容量 Su の直接 (直接) 決定と、温度と比体積に応じたその変化の過程の研究は、その 1 つです。 有効な手段物質の臨界状態の研究。 したがって、熱容量の実験的決定は、臨界現象の研究において理論的および実践的に非常に興味深いものです。

溶液の比熱容量を決定するための式は何ですか.

混合比熱を求める実験では、試料を正確に一定温度に加熱する必要があります。 このために、加熱されたサンプルを熱量計に迅速に転送するために必要な、熱量計の上に短時間設置されるポータブルヒーターが使用されます。

デバイス図。

比熱を決定するための最も単純な絶対定常法の本質は次のとおりです。厚さh、断面積5の試験材料のサンプルをヒーターとクーラーの間に置きます。 ヒーターは容器にすることができます お湯または、電圧を変更することで電力を必要に応じて調整できるように、電気加熱要素。 クーラーは冷水が通過する中空の金属体です。 サンプルの加熱面と冷却面の温度 (それぞれ tj と /2) は、熱電対によって測定されます。

以下は、砂岩サンプルの比熱容量を決定する際の実験データの処理の例です。 研究対象の岩石サンプルの粉末で満たされた中空シリンダーを 40 ℃ に加熱し、静止空気チャンバー内で 18 ～ 20 ℃ の温度に冷却しました。

図上。 図３～６は、液体の個々の炭化水素および油混合物、ならびにメタノールおよびエタノールの水溶液の比熱容量を決定するためのノモグラムを示す。

たとえば、熱量計を使用して物質の比熱容量を決定する際に使用される熱収支方程式を作成してみましょう。 おおよそ、この場合、3つの物体が熱交換に関与していると考えることができます。熱量計、液体、および物質の比熱が決定される物体です。

6.4. 物体間の熱伝達

6.4.1. 体の熱容量、特定 物質の熱容量、物質のモル熱容量

体温を上げるためには、ある程度の熱を伝える必要があります。

1Kあたり1kgの特定の物質が呼び出されます 比熱物質式によって計算されます

c ビート = Q m Δ T 、

ここで、Q は特定の質量の物質を加熱するのに必要な熱量です。 m は物質の質量です。 ΔT は、加熱されたときの物質の温度変化です。

国際単位系では、物質の比熱容量は、ジュールをキログラムケルビンで割った値 (1 J/(kg ⋅ K)) で測定されます。

加熱するのに必要な熱量 物質の塊、製品によって決定されます

Q = c ビート m ΔT .

ある物体を 1 K 上昇させるのに必要な熱量は、 体の熱容量式によって計算されます

C = QΔT、

ここで、Q は特定の物体を加熱するのに必要な熱量です。 ΔT - 加熱したときの体温の変化。

国際単位系では、物体の熱容量はジュールをケルビンで割った値 (1 J/K) で測定されます。

特定の物体を加熱するために必要な熱量は、製品によって決まります

Q=CΔT、

ここで、C は体の熱容量です。

物体の熱容量と物体を構成する物質の熱容量、 相互接続表現

C \u003d mc ビート、

ここで、C は体の熱容量です。 m - 体重; c ビートは、この体が作られている物質の比熱容量です。

与えられた物質の 1 モルの温度を 1 K 上昇させるのに必要な熱量は、 物質のモル熱容量式によって計算されます

c μ = Q ν Δ T 、

ここで、Q は一定量の物質を加熱するのに必要な熱量です。 ν は物質の量です。 ΔT は、指定された量の物質を加熱したときの温度変化です。

国際単位系では、物質のモル熱容量は、1 モルケルビンあたりのジュール (1 J/(mol ⋅ K)) で測定されます。

加熱するのに必要な熱量 ある程度の物質、製品によって決定されます

Q = c µνΔT .

物質のモルおよび比熱容量 相互接続表現

c µ = ミリ秒の拍動、

ここで、c µ は物質のモル熱容量です。 M は物質のモル質量です。 c sp - 物質の比熱容量。

例 14 鉄球と鉛球は同じ直径です。 鉄球の熱容量は鉛球の何倍? 鉄と鉛の比熱容量はそれぞれ 0.46 と 0.13 kJ/(kg·K) で、密度はそれぞれ 7.80 と 11.5 g/cm 3 です。

解決 。 ボールの熱容量は、次の式で決まります。

• 鉄球 -

C 1 \u003d m 1 c ud1、

ここで、m 1 は鉄球の質量です。 c ud1 - 鉄の比熱容量;

• リードボール -

C 2 \u003d m 2 cビート2、

ここで、m 2 は鉛球の質量です。 c sp2 - 鉛の比熱容量。

望ましい比率は熱容量です。

C 1 C 2 \u003d m 1 c ビート 1 m 2 c ビート 2、

これは、鉄球と鉛球の質量比と、鉄球と鉛球の比熱の比によって決まります。

ボールの質量は、そのサイズと密度によって決まります。

• 鉄球 -

m 1 \u003d ρ 1 V 1、

ここで、ρ 1 は鉄の密度です。 V 1 - 鉄球の体積;

• リードボール -

m 2 \u003d ρ 2 V 2、

どこで ρ 2 - 鉛の密度; V 2 - リードボールの体積。

ボールの直径は同じなので、それらの体積は同じです。

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

ここで、d は鉄球と鉛球の直径です。

後者の状況を考慮すると、質量比は次のようになります。

m 1 m 2 = ρ 1 V 1 ρ 2 V 2 = ρ 1 ρ 2 .

m 1 /m 2 を鉄球と鉛球の熱容量の比の式に代入してみましょう。

C 1 C 2 \u003d ρ 1 c sp 1 ρ 2 c sp 2.

計算をしましょう：

C 1 C 2 = 7.80 · 10 3 · 0.46 · 10 3 11.5 · 10 3 · 0.13 · 10 3 = 2.4.

鉄球の熱容量は鉛球の2.4倍。

例 15. 混合物を準備するとき、特定の質量の砂と質量の 4 倍のセメントをバンカーに注ぎました。 セメントと砂の比熱は、それぞれ 810 と 960 J/(kg ⋅ K) です。 混合物の比熱容量を決定します。

解決 。 混合物の比熱容量は、式によって決定されます

c ビート = Q m Δ T 、

ここで、Q は混合物の温度を ΔT だけ上げるのに必要な熱量です。 m は混合物の質量です。

混合物を加熱するのに必要な熱量 -

Q \u003d Q 1 + Q 2、

どこで Q 1 - 混合物の一部である砂をΔTだけ加熱するのに必要な熱量。 Q 2 - 混合物の一部であるセメントを ΔT だけ加熱するのに必要な熱量。

暖房に必要な熱量：

• 砂 -

Q 1 \u003d c ud1 m 1 ΔT、

どこで c ud1 - 砂の比熱容量; m 1 - 砂の質量;

• セメント -

Q 2 \u003d c ud2 m 2 ΔT、

どこで c ud2 - セメントの比熱容量; m 2 はセメントの質量です。

砂とセメントの混合物を加熱するのに必要な熱量は、式によって決まります。

Q \u003d c ビート 1 m 1 Δ T + c ビート 2 m 2 Δ T \u003d (c ビート 1 m 1 + c ビート 2 m 2) Δ T.

混合物の質量は、砂とセメントの質量の合計です。

m \u003d m 1 + m 2。

得られた混合物の熱量と質量の式を、混合物の比熱容量の式に代入しましょう。

cビート\u003d（cビート1 m 1 + cビート2 m 2）ΔT（m 1 + m 2）ΔT \u003d cビート1 m 1 + cビート2 m 2 m 1 + m 2。

質量比を考慮して、結果の式を変換します。

m 2 = 4m 1 、つまり c ビート \u003d c ビート 1 m 1 + 4 c ビート 2 m 1 m 1 + 4 m 1 \u003d c ビート 1 + 4 c ビート 2 5.

計算により、次の値が得られます。

c ビート = 960 + 4 ⋅ 810 5 = 840 J/(kg ⋅ K)。

したがって、混合物の比熱容量は 840 J/(kg ⋅ K) です。