Slezská univerzita v Opavě – Filosoficko-přírodovědecká fakulta
Fyzikální praktikum I – Mechanika a molekulová fyzika
Jméno: Ročník, obor:
První,
Vyučující: Datum měření:
Akademický rok:
Název úlohy:
Základní kalorimetrická měření
Datum odevzdání:
Číslo úlohy: Hodnocení:
1. Cíl úlohy:
a) Určete výslednou teplotu kapaliny pomocí směšovacího kalorimetru, stanovte
tepelnou kapacitu kalorimetru. Úlohu můžete realizovat smícháním teplé a studené
vody.
b) Určete měrnou tepelnou kapacitu zkoumané látky. Úlohu můžete realizovat např. pro
železo a hliník.
2. Teorie úlohy:
Teplo je formou energie, měří se tedy ve stejných jednotkách, tj. joulech – J. Joule je hlavní
jednotkou soustavy SI (samozřejmě nikoli základní jednotkou, těch je jen 7). Dříve se pro
měření energie provádělo v kaloriích (cal) či kilokaloriích (kcal). Doplňte do teorie úlohy
převodní vztah kcal – J a vysvětlete ho.
Při zahřívání termodynamická soustava těleso přijímá teplo. Přijaté teplo Q přijaté můžeme
vypočítat podle vztahu
Q = c m (t2 – t1), kde
c je měrná tepelná kapacita tělesa. Doplňte do teorie její zavedení existující dohodou, tj.
definicí. Dále je:
m – hmotnost tělesa,
t1 – počáteční teplota tělesa,
t2 – konečná teplota tělesa.
Obdobně můžeme vyjádřit teplo, které těleso odevzdá při jeho ochlazování.
Měrné tepelné kapacity látek (dříve často také měrná tepla) se běžně určují pomocí
kalorimetrů. Kalorimetr je tepelně izolovaná nádoba, často např. Dewarova nádoba čili
termoska (nedochází tedy k výměně tepla s okolím). Nejjednodušším typem kalorimetru je
kalorimetr směšovací, ve kterém je zkoumané látce dodáváno (odebíráno) teplo jinou látkou,
jejíž c známe.
Pak platí, že teplo Q1 , které jedna látka přijme, se rovná teplu Q2 odevzdanému druhou
látkou, to platí, nedochází-li k výměně tepla s okolím, což je u kalorimetru v podstatě splněno,
nepodstatné tepelné ztráty (nebo také zisky) pak můžeme zanedbat.
Platí tedy:
Q1 = Q2
c1 m1 (t – t1) = c2 m2 (t2 – t), což je tzv. kalorimetrická rovnice (1)
kde
m1, m2 – hmotnosti těles,
c1, c2 – měrné tepelné kapacity těles,
t1 – teplota prvního tělesa
t2 – teplota druhého tělesa
t je pak výsledná teplota, která se v kalorimetru ustálí, takže vyjde:
t =
c1m1t1+c2m2t2
c1m1+c2m2
Pokud jsou obě tělesa ze stejné látky je c1 = c2 a výslednou teplotu můžeme vypočítat podle
zjednodušeného vztahu
t =
m1t1+m2t2
m1+m2
Z rovnice (1) můžeme také vyjádřit měrnou tepelnou kapacitu jednoho z těles:
c2 =
c1m1(t−t1)
m2(t2− t)
Známe-li ostatní veličiny, můžeme c2 vypočítat. Při přesnějším měření je třeba počítat i
s vlivem kalorimetru, tj. s jeho tepelnou kapacitou K (doplňte definici K). Pokud je do
kalorimetru nejdříve dána látka 1, pak lze psát
(c1 m1 + K)(t – t1) = c2 m2 (t2 – t), (2)
což je kalorimetrická rovnice se zohledněním vlivu kalorimetru, z ní vyjde:
c2 =
(c1m1 + K)(t − t1)
m2(t2 − t)
3. Vlastní měření
a) Výsledná teplota a tepelná kapacita kalorimetru
Použité měřicí přístroje a pomůcky
dvě kádinky
směšovací kalorimetr
železné závaží 100 g
zdroje teplé a studené vody
teploměr
Postup měření
Určení výsledné teploty vody po smíchání studené a teplé vody
1. Do kádinky dejte studenou vodu.
2. Určete její hmotnost m1 a změřte její teplotu t1. Hmotnost vody můžete případně určit
z měření jejího objemu.
3. Do druhé kádinky nalejeme teplou vodu.
4. Určete její hmotnost m2 a teplotu t2.
5. Teplou a studenou vodu smíchejte v kalorimetru a změřte výslednou teplotu t.
6. Výslednou teplotu t vypočítejte.
7. Porovnejte výsledky a vysvětlete případný rozdíl.
8. Analogicky stanovte K kalorimetru.
b) určení měrné tepelné kapacity zkoumané látky
1. Do směšovacího kalorimetru dejte vodu známé hmotnosti a změřte její teplotu.
2. V kádince zahřejte ve vodě železné závaží 100 g na co nejvyšší teplotu.
3. Ohřáté závaží bez prodlev vložte do kalorimetru.
4. Změřte výslednou teplotu vody v kalorimetru.
5. Z naměřených hodnot vypočítejte měrnou tepelnou kapacitu železa.
6. Zopakujte pro hliníkové těleso.
7. Zjištěné výsledky porovnejte s jejich tabulkovými hodnotami, rozdíly vysvětlete.