Экспериментальная часть

 

В работе производится измерение теплоемкости медного или алюминиевого образцов, имеющих цилиндрическую форму. На их боковую поверхность для обеспечения теплового контакта плотно намотан константановый провод, являющийся нагревателем, и медный провод, который выполняет функцию термометра на основе зависимости его сопротивления от температуры. Образец устанавливается на трех тонких стойках внутри теплоизолирующей оболочки, изготовленной из пенопласта. Стойки сделаны из нержавеющей стали, имеющей низкий коэффициент теплопроводности.

Теплоизолирующая оболочка вместе с образцом представляют собой измерительную ячейку. Она с помощью разъема подключается к измерительному блоку, содержащему источники стабильного тока питания нагревателя и термометра, сопротивления в цепи нагревателя и термометра , измерительные приборы – электронные вольтметр, милливольтметр, а также секундомер. Электрическая схема установки для измерения теплоемкости показана на рис.2.

Рис.2 Электрическая схема установки для измерения теплоемкости

 

При выполнении эксперимента необходимо определить количество тепла , подведенного к образцу за время t, и возникающую при этом разность температур D Т. Величина находится на основе закона Джоуля-Ленца

. (2)

Напряжение измеряется вольтметром, - милливольтметром при подключении его к сопротивлению (положение 1 переключателя), время t определяется по разности показаний секундомера при включении и выключении нагрева.

Температура рассчитывается исходя из температурной зависимости сопротивления медного провода термометра. В диапазоне исследуемых температур для меди с погрешностью не хуже 0,1% можно воспользоваться линейной зависимостью

,

где R ₀ - сопротивление термометра при t = 0 ^оC, а температурный коэффициент сопротивления меди a = 0,0043 К^-1.

Величина R _т рассчитывается по закону Ома

.

Напряжение U _тт определяется по показаниям милливольтметра в положении 2 переключателя, U _т- в положении 3 этого переключателя.

Используя выражение для , температуру образца можно вычислить по формуле

. (3)

Для определения возникающей при нагреве разности температур D Т используется метод термограмм (или температурных ходов). Суть его состоит в том, что на протяжении отрезка времени через определенные временные интервалы измеряется температура образца. Это делается до нагрева, в течение нагрева и после него. При этом возникает зависимость, схематически представленная на рис.3.

Рис.3 Изменение температуры образца в процессе измерений

 

Участок 0 - 1 по времени соответствует температурному ходу до нагрева. Он или горизонтальный, если образец перед измерениями находился при комнатной температуре, или наклонный (падающий), если образец был нагрет, например, при проведении предыдущего эксперимента. Участок 1 - 2 соответствует нагреву при постоянной подводимой мощности, участок 2 - 3 – охлаждению образца после выключения нагрева. Вследствие малого теплообмена и практически постоянной теплоемкости образца в диапазоне исследуемых температур эти ходы с хорошей точностью являются линейными. Как показывают расчеты, основанные на решении уравнений теплопроводности и теплообмена, экстраполяция ходов 0 - 1 и 2 - 3 к середине промежутка времени нагрева позволяет определить величину Δ Т изменения температуры образца при его нагреве.

После определения количества подведенного тепла и возникающей при нагреве разности температур молярная теплоемкость находится как

(4)

Масса образца вычисляется по формуле

,

где r - плотность материала образца, а его размеры равны: диаметр D = 5,0 см, высота H = 5,0 см.