Cum se determină capacitatea termică specifică a apei. Marea enciclopedie a petrolului și gazelor

INSTRUMENTE SI ACCESORII: calorimetru, termometru, cantar, corpuri de testare, pahar (calibrat in grame), incalzitor electric.

– confirmarea experimentală a validității ecuației bilanţului termic;

– calcularea capacităților termice specifice ale solidelor;

– aranjați rezultatele măsurătorilor și calculelor sub formă de tabel;

– notează-ți sugestiile pentru îmbunătățirea tehnicii de măsurători și calcule în această lucrare.

SCURT TEORIA EXPERIENȚEI

Unul dintre conceptele fizice de bază ale termodinamicii este capacitatea de căldură.

Capacitatea termică a corpului numit cantitate fizica, numeric egal cu căldura, care trebuie comunicată organismului pentru a-și modifica temperatura cu 1 K în procesul termodinamic considerat. Pe de altă parte, capacitatea termică a unui corp este egală cu raportul dintre căldura dQ transmisă corpului și modificarea dT a temperaturii corpului în procesul termodinamic luat în considerare:

Capacitatea termică a unui corp depinde de el compoziție chimică, masa corpului și starea sa termodinamică, precum și, după cum se poate observa din definiție, asupra tipului de proces de modificare a stării corpului, în care intră căldura dQ.

Proprietati termice corpurile omogene se caracterizează prin valorile capacității termice specifice și molare (molare). Capacitatea termică specifică a unei substanțe numită mărime fizică Cu, numeric egal cu căldura care trebuie transmisă unui kilogram dintr-o substanță pentru a-și schimba temperatura cu 1 K în procesul termodinamic luat în considerare. Capacitatea termică a unui corp omogen poate fi definită ca produsul masei corpului m pentru capacitatea termică specifică Cu substanțele sale:

sau (2.2).

Astfel, relația dintre dQ și dT pentru un corp omogen are forma:

capacitatea de căldură molară mărimea fizică C se numește, numeric egală cu căldura care trebuie transmisă unui mol dintr-o substanță pentru a-și schimba temperatura cu 1 K în procesul termodinamic luat în considerare:

DIN = DOMNIȘOARĂ = (2.4),

unde M este masa molară a substanței; DIN este capacitatea sa de căldură specifică în același proces.

Expresia (2.4) poate fi acum scrisă sub forma:

unde = n este cantitatea de substanță.

Unitatea de măsură pentru capacitatea termică a unui corp este 1 J/K, căldura specifică– 1 J/kg. K, molar - 1 J / mol. LA.

Dacă încălzirea are loc în condiții în care volumul rămâne constant, atunci se numește capacitatea de căldură molară corespunzătoare capacitatea termică la volum constant, sau capacitatea termică izocoră și se notează C v:

Dacă presiunea rămâne constantă în timpul încălzirii, atunci se numește capacitatea termică capacitatea termică la presiune constantă C p (poate fi numită și capacitate termică izobară):

Rețineți că pentru solide, numai capacitatea termică la presiune constantă, și nu la volum constant, este disponibilă pentru măsurare directă, deoarece din cauza expansiunii termice este imposibil să se asigure constanța volumului corpului. Cu toate acestea, din cauza micii modificări de volum în timpul încălzirii, diferența dintre capacitățile termice C p și C v este mică.

Experimental, capacitatea termică a unui corp este determinată prin aplicarea ecuației de echilibru termic. Lăsați corpul să fie încălzit la o temperatură care este mai mare decât temperatura mediu inconjurator. Apoi, răcindu-se, corpul degajă o anumită cantitate de căldură. Conform legii conservării energiei într-un sistem închis, cantitatea de căldură primită de mediu trebuie să fie exact egală cu cantitatea de căldură degajată de organism. În această lucrare, răcind, corpul de testare eliberează căldură apei din calorimetru și calorimetrului însuși.

Fie corpul de test dat cu masa m, încălzit la o temperatură t0, se coboară în calorimetru cu apă, a cărei temperatură t1. Ca urmare a transferului de căldură temperatura apei iar calorimetrul se ridică la t2, A Temperatura corpului scade la t2. Cantitatea de căldură degajată de organism este:

Q dep = cm(t0 - t2) (2.6),

unde c este capacitatea termică specifică a corpului de testare,

t0- temperatura initiala a corpului,

t2- temperatura corpului final,

m- masa corpului.

Cantitatea de căldură primită de calorimetru și apă este egală cu:

unde și sunt masa și căldura specifică a calorimetrului,

I - masă și specific capacitatea termică a apei,

t1- temperatura initiala a apei,

t2 este temperatura finală a apei.

Conform legii conservării energiei într-un sistem închis:

Q otd \u003d Q etaj (2.8).

Apoi, înlocuind formulele 2.6 și 2.7 în ecuația 2.8 și exprimând valoarea dorită DIN , primim:

(2.9).

DETERMINAȚI CAPACITĂȚILE TERMICE SPECIFICE ALE TREI CORPURI CILINDRICE DIN DIVERSE METALE

1. Determinați valorile maselor corpurilor - m i, masa calorimetrului – , căldura specifică a apei – , căldura specifică a calorimetrului – .

2. Se toarnă în calorimetru o cantitate măsurată de apă rece la temperatura camerei (aproximativ 150 g).

3. Măsurați temperatura inițială a apei rece t 1 .

4. Se încălzește apa din vas până la fierbere.

5. Puneți unul dintre corpurile de testare în apă clocotită pentru o vreme. Luați temperatura corpului încălzit t 0 egal cu temperatura apă clocotită în condiții normale - 100 ° C.

6. Așezați corpul încălzit în calorimetrul cu apă. Așteptați sfârșitul transferului de căldură și măsurați temperatura finală în calorimetru - t 2 .

8. Determinați în mod similar capacitățile termice specifice ale celorlalte două corpuri.

9. Înregistrați rezultatele măsurătorilor și calculelor în tabelul 3.

10. Pe baza valorilor capacităților termice specifice, determinați substanțele din care sunt făcute corpurile.

12. După măsurarea dimensiunilor liniare ale corpurilor, determinați densitatea acestora.

13. Calculați erorile și înregistrați rezultatul în conformitate cu GOST.

14. Notează concluziile despre munca de laborator.

Tabelul 3

Nu. p / p	M", kg	M", kg	m, kg	C", J/kg. K	C", J/kg. K	t 0 , 0 C	t1, 0 ​​C	t2, 0 C	C, J/kg. La

Pagina 2

Precizia determinării căldurii specifice conform Sykes este foarte mare. Cu toate acestea, această metodă este asociată cu dificultăți experimentale mai mari decât metoda Smith și, de asemenea, oferă rezultate precise doar pentru curbele de încălzire, deși poate fi folosită și pentru obținerea curbelor de răcire. Metoda lui Smith facilitează studiul intervalelor înguste de temperatură, dar este probabil mai puțin precisă.

Prin urmare, pentru a determina capacitatea termică specifică sg a unei substanțe, este necesar să se măsoare munca A efectuată de forțele externe care acționează asupra corpului și să se măsoare modificarea temperaturii corpului observată ca urmare a lucrului în absență. de schimb de căldură cu alte corpuri.

Metoda cea mai utilizată pentru determinarea capacității termice specifice; numit amestecare. Calorimetrul (Regno) este format dintr-un vas de cupru roșu, așezat pe picioare de lemn pe fundul altui vas de cupru, de care este separat printr-un strat de aer, a cărui conductivitate termică și capacitate termică, pe unitatea de volum, sunt nesemnificativ. Primul vas este umplut cu apă.

Să luăm acum în considerare metodele de determinare a capacității termice specifice a unui amestec de gaze.

Determinarea directă (directă) a capacității termice specifice Su și studiul cursului modificării acesteia în funcție de temperatură și volumul specific este unul dintre mijloace eficiente studiul stării critice a substanțelor. Prin urmare, determinările experimentale ale capacității termice prezintă un mare interes teoretic și practic în studiul fenomenelor critice.

Care este formula pentru determinarea capacității termice specifice a soluțiilor.

Când se efectuează experimente pentru a determina căldura specifică prin amestecare, este necesar să se încălzească proba de testat - - la o temperatură fixă ​​cu precizie. Pentru aceasta se folosesc încălzitoare portabile, care sunt instalate deasupra calorimetrului pentru o perioadă scurtă de timp, necesare pentru transferul rapid al probei încălzite la calorimetru.

Diagrama dispozitivului.

Esența celei mai simple metode staționare absolute pentru determinarea căldurii specifice este următoarea: o probă din materialul de testat cu grosimea h și aria secțiunii transversale 5 este plasată între încălzitor și răcitor. Încălzitorul poate fi un vas cu apa fierbinte sau un element de încălzire electric, astfel încât puterea acestuia să poată fi reglată după dorință prin schimbarea tensiunii. Răcitorul este un corp metalic gol prin care trece apa rece. Temperaturile de pe suprafețele încălzite și răcite ale probei (tj și, respectiv, / 2) sunt măsurate prin termocupluri.

Mai jos este un exemplu de prelucrare a datelor experimentale atunci când se determină capacitatea termică specifică a unei probe de gresie. Un cilindru gol umplut cu pulbere din proba de rocă studiată a fost încălzit la 40 C și răcit într-o cameră de aer nemișcat la o temperatură de 18-20 C.

Pe fig. 3 - 6 prezintă nomograme pentru determinarea capacității termice specifice a hidrocarburilor individuale lichide și a amestecurilor de uleiuri, precum și a soluțiilor apoase de metanol și etanol.

De exemplu, să compunem ecuația de echilibru termic, care este utilizată pentru a determina capacitatea termică specifică a unei substanțe folosind un calorimetru. Aproximativ, se poate considera că la schimbul de căldură participă în acest caz trei corpuri: un calorimetru, un lichid și un corp a cărui capacitate termică specifică este determinată.

6.4. Transferul de căldură între corpuri

6.4.1. Capacitatea termică a corpului, specifică capacitatea termică a unei substanțe, capacitatea termică molară a unei substanțe

Pentru a crește temperatura corpului, acesta trebuie să comunice o anumită cantitate de căldură.

Se numește 1 kg dintr-o substanță dată la 1 K căldura specifică substanteși se calculează prin formula

c bătăi = Q m Δ T ,

unde Q este cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi o anumită masă de materie; m este masa substanței; ΔT este modificarea temperaturii substanței atunci când este încălzită.

În Sistemul Internațional de Unități, capacitatea termică specifică a unei substanțe se măsoară în jouli împărțit la kilogram-kelvin (1 J/(kg ⋅ K)).

Cantitatea de căldură necesară pentru încălzire o anumită masă de materie, este determinat de produs

Q = c bate m ∆T .

Se numește cantitatea de căldură necesară pentru a ridica un corp dat cu 1 K capacitatea termică a corpuluiși se calculează prin formula

C = QΔT,

unde Q este cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea unui corp dat; ΔT - modificarea temperaturii corpului la încălzire.

În Sistemul Internațional de Unități, capacitatea de căldură a unui corp este măsurată în jouli împărțit la kelvin (1 J/K).

Cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea unui anumit corp este determinată de produs

Q=CΔT,

unde C este capacitatea termică a corpului.

Capacitatea termică a unui corp și capacitatea termică a substanței din care este compus corpul, interconectate expresie

C \u003d mc beats,

unde C este capacitatea termică a corpului; m - greutatea corporală; c bataia este capacitatea termica specifica a substantei din care este facut acest corp.

Se numește cantitatea de căldură necesară pentru a crește temperatura a 1 mol dintr-o substanță dată cu 1 K capacitatea de căldură molară a unei substanțeși se calculează prin formula

c μ = Q ν Δ T ,

unde Q este cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi o anumită cantitate dintr-o substanță; ν este cantitatea de substanță; ΔT este modificarea temperaturii cantității specificate de substanță atunci când este încălzită.

În Sistemul Internațional de Unități, capacitatea de căldură molară a unei substanțe este măsurată în jouli pe mol-kelvin (1 J/(mol ⋅ K)).

Cantitatea de căldură necesară pentru încălzire o anumită cantitate de substanță, este determinat de produs

Q = c u νΔT .

Capacitatea termică molară și specifică a unei substanțe interconectate expresie

c µ = Ms bătăi,

unde c µ este capacitatea de căldură molară a substanței; M este masa molară a substanței; c sp - capacitatea termică specifică a substanței.

Exemplul 14 Bilele de fier și plumb au același diametru. De câte ori este mai mare capacitatea de căldură a unei mingi de fier decât cea a unei mingi de plumb? Capacitățile termice specifice ale fierului și plumbului sunt de 0,46 și 0,13 kJ / (kg ⋅ K), iar densitățile sunt de 7,80 și, respectiv, 11,5 g / cm 3.

Soluție. Capacitatea termică a bilelor este determinată de următoarele formule:

• bila de fier -

C 1 \u003d m 1 c ud1,

unde m 1 este masa bilei de fier; c ud1 - capacitatea termică specifică a fierului;

• minge de plumb -

C 2 \u003d m 2 c beat2,

unde m 2 este masa mingii de plumb; c sp2 - capacitatea termică specifică a plumbului.

Raportul dorit este capacitatea termică:

C 1 C 2 \u003d m 1 c ritm 1 m 2 c ritm 2,

care este determinat de raportul dintre masele bilelor de fier si plumb si raportul capacitatilor termice specifice ale fierului si plumbului.

Masele bilelor sunt determinate de mărimea și densitatea lor:

• bila de fier -

m 1 \u003d ρ 1 V 1,

unde ρ 1 este densitatea fierului; V 1 - volumul mingii de fier;

• minge de plumb -

m 2 \u003d ρ 2 V 2,

unde ρ 2 - densitatea plumbului; V 2 - volumul mingii de plumb.

Bilele au același diametru, deci volumele lor sunt aceleași:

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

unde d sunt diametrele bilelor de fier si plumb.

Luând în considerare această din urmă circumstanță, raportul de masă este egal cu:

m 1 m 2 = ρ 1 V 1 ρ 2 V 2 = ρ 1 ρ 2 .

Să înlocuim m 1 /m 2 în formula pentru raportul capacităților termice ale bilelor de fier și plumb:

C 1 C 2 \u003d ρ 1 c sp 1 ρ 2 c sp 2.

Hai sa facem calculul:

C 1 C 2 = 7,80 ⋅ 10 3 ⋅ 0,46 ⋅ 10 3 11,5 ⋅ 10 3 ⋅ 0,13 ⋅ 10 3 = 2,4.

Capacitatea termică a unei mingi de fier este de 2,4 ori mai mare decât a unei mingi de plumb.

Exemplul 15. La prepararea unui amestec, în buncăr au fost turnate o anumită masă de nisip și de patru ori masa de ciment. Capacitatile termice specifice ale cimentului si nisipului sunt de 810 si respectiv 960 J/(kg ⋅ K). Determinați capacitatea termică specifică a amestecului.

Soluție. Capacitatea termică specifică a amestecului este determinată de formulă

c bătăi = Q m Δ T ,

unde Q este cantitatea de căldură necesară pentru a crește temperatura amestecului cu ΔT; m este masa amestecului.

Cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi amestecul, -

Q \u003d Q 1 + Q 2,

unde Q 1 - cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea nisipului, care face parte din amestec, prin ΔT; Q 2 - cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea cimentului, care face parte din amestec, prin ΔT.

Cantitatea de căldură necesară pentru încălzire:

• nisip -

Q 1 \u003d c ud1 m 1 ∆T,

unde c ud1 - capacitatea termică specifică a nisipului; m 1 - masa de nisip;

• ciment -

Q 2 \u003d c ud2 m 2 ∆T,

unde c ud2 - capacitatea termică specifică a cimentului; m 2 este masa cimentului.

Cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi un amestec de nisip și ciment este determinată de expresie

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

Masa amestecului este suma maselor de nisip și ciment:

m \u003d m 1 + m 2.

Să înlocuim expresiile obținute pentru cantitatea de căldură și masa amestecului în formula pentru capacitatea termică specifică a amestecului:

c bate \u003d (c bate 1 m 1 + c bate 2 m 2) Δ T (m 1 + m 2) Δ T \u003d c bate 1 m 1 + c bate 2 m 2 m 1 + m 2.

Vom transforma expresia rezultată, ținând cont de raportul de masă:

m2 = 4m1, adică. c bate \u003d c bate 1 m 1 + 4 c bate 2 m 1 m 1 + 4 m 1 \u003d c bate 1 + 4 c bate 2 5.

Calculul dă valoarea:

c bătăi = 960 + 4 ⋅ 810 5 = 840 J/(kg ⋅ K).

Prin urmare, capacitatea termică specifică a amestecului este de 840 J/(kg ⋅ K).