Лабораторная работа №1. Сравнение количеств теплоты при смешивании воды разной температуры
В работе смешивают горячую и холодную воду в калориметре, измеряют массы и температуры, а затем сравнивают количество теплоты, отданное горячей водой, с количеством теплоты, полученным холодной. Измеряют термометром и мензуркой. В итоге проверяют закон сохранения энергии и оценивают, какая часть теплоты ушла на нагрев калориметра и воздуха.
Цель работы. Сравнить количество теплоты, отданное горячей водой, и количество теплоты, полученное холодной водой при их смешивании, и определить факторы, из-за которых эти количества различаются.
Сделать ҚМЖ по этой темеЦели обучения
- 8.3.2.8исследовать закон сохранения и превращения энергии в тепловых процессах
- 8.1.3.2определять факторы, влияющие на проведение эксперимента
- 8.1.3.3знать и соблюдать технику безопасности в кабинете физики
Оборудование
- калориметр
- термометр (0–100 °C)
- мензурка (измерительный цилиндр)
- сосуд с горячей водой (60–70 °C)
- сосуд с холодной водой
- стеклянная палочка или мешалка
- полотенце или салфетка
Ход работы
- 1
Отмерь мензуркой 100 мл холодной воды, налей во внутренний сосуд калориметра и запиши её массу m₂ (1 мл воды имеет массу 1 г).
- 2
Измерь температуру холодной воды t₂, дождавшись, когда столбик термометра перестанет двигаться.
- 3
Отмерь такой же объём горячей воды в отдельный стакан, измерь её температуру t₁ и запиши массу m₁.
- 4
Сразу влей горячую воду в калориметр, закрой крышку и аккуратно перемешай.
- 5
Следи за термометром и запиши установившуюся температуру смеси θ.
- 6
Повтори опыт с другими массами, например 100 мл горячей и 50 мл холодной воды.
- 7
Проведи третий опыт в обычном стакане без калориметра, чтобы увидеть влияние теплоизоляции.
- 8
Для каждого опыта вычисли Q₁ и Q₂ и найди их разность.
Краткая теория
Количество теплоты Q — энергия, которую тело получает или отдаёт при теплообмене. В СИ его измеряют в джоулях (Дж). При нагревании или охлаждении тела без изменения агрегатного состояния Q = c·m·(t₂ − t₁), где c — удельная теплоёмкость вещества, m — масса тела, t₁ и t₂ — начальная и конечная температуры. Для воды c = 4200 Дж/(кг·°C): чтобы нагреть 1 кг воды на 1 °C, нужно 4200 Дж.
Если смешать горячую воду массой m₁ при температуре t₁ и холодную воду массой m₂ при температуре t₂, через некоторое время установится общая температура θ. Горячая вода отдаёт Q₁ = c·m₁·(t₁ − θ), холодная получает Q₂ = c·m₂·(θ − t₂). По закону сохранения энергии в замкнутой системе Q₁ = Q₂ — это уравнение теплового баланса.
На опыте Q₁ обычно немного больше Q₂. Часть энергии идёт на нагревание калориметра, термометра и окружающего воздуха, часть уходит при переливании и испарении. Энергия при этом не исчезает, а переходит к другим телам. Чем лучше теплоизоляция и чем быстрее проведён опыт, тем ближе Q₁ и Q₂.
Виртуальный опыт
В симуляции «Тепловая лаборатория» выбери режим «Калориметр». Задай массы и температуры воды, проведи смешивание и запиши установившуюся температуру θ. Проведи опыт дважды — с включённой и с выключенной теплоизоляцией калориметра — и сравни, насколько различаются Q₁ и Q₂ в каждом случае.
Ещё одна симуляция по теме: Нагревание: количество теплоты и удельная теплоёмкость
Таблица измерений
Лабораторная работа №1 · Физика, 8 класс. Сравнение количеств теплоты при смешивании воды разной температуры
Фамилия, имя, класс: ____________________ Дата: __________
| № опыта | m₁, кг | t₁, °C | m₂, кг | t₂, °C | θ, °C | Q₁, Дж | Q₂, Дж |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | |||||||
| 2 | |||||||
| 3 |
Расчёт и вывод
Количество теплоты, отданное горячей водой: Q₁ = c·m₁·(t₁ − θ); полученное холодной водой: Q₂ = c·m₂·(θ − t₂), где c = 4200 Дж/(кг·°C).
Например, m₁ = m₂ = 0,1 кг, t₁ = 70 °C, t₂ = 20 °C, θ = 44 °C. Тогда Q₁ = 4200 · 0,1 · 26 = 10 920 Дж, Q₂ = 4200 · 0,1 · 24 = 10 080 Дж.
Разность Q₁ − Q₂ = 840 Дж показывает потери теплоты. В процентах: (Q₁ − Q₂) / Q₁ · 100 % ≈ 8 %.
Погрешность термометра — половина цены деления (при цене деления 1 °C это ±0,5 °C). Если разность Q₁ и Q₂ составляет лишь несколько процентов, её можно объяснить и неточностью измерений.
Шаблон вывода: В ходе работы я сравнил(а) количество теплоты, отданное горячей водой, Q₁ = … Дж, и количество теплоты, полученное холодной водой, Q₂ = … Дж. Q₁ оказалось … Q₂ на … %. Это объясняется тем, что … . Закон сохранения энергии в тепловых процессах …, потому что … .
Контрольные вопросы
Почему количество теплоты, отданное горячей водой, обычно больше полученного холодной?
Показать ответ
Часть энергии горячая вода передаёт калориметру, термометру и воздуху, часть уносит испарение. Эта энергия не входит в Q₂.
Для чего нужен калориметр?
Показать ответ
Калориметр — сосуд с теплоизоляцией (воздушная прослойка, крышка). Он уменьшает теплообмен с окружающей средой, поэтому результат ближе к уравнению теплового баланса.
Какие факторы влияют на точность опыта?
Показать ответ
Теплоизоляция сосуда, скорость переливания и перемешивания, время ожидания перед отсчётом температуры, цена деления термометра и точность отмеривания воды.
Какой будет температура смеси, если без потерь смешать равные массы воды при 80 °C и 20 °C?
Показать ответ
θ = (80 + 20) / 2 = 50 °C: при равных массах горячая вода остывает на столько же градусов, на сколько нагревается холодная.
Что показывает удельная теплоёмкость воды?
Показать ответ
Сколько теплоты нужно, чтобы нагреть 1 кг воды на 1 °C. Для воды это 4200 Дж/(кг·°C).
Техника безопасности
- Не используй кипяток, достаточно воды 60–70 °C; горячий сосуд держи за ручку или через салфетку.
- Не мешай воду термометром и не клади его на край стола. Если термометр разбился, не трогай осколки и сообщи учителю.
- Переливай воду медленно, над столом; пролитую воду сразу вытри.
- Не пробуй воду на вкус и не проверяй её температуру рукой.
Учителю
ҚМЖ и СОР по теме этой работы ИИ собирает в кабинете Bilim Plus Ұстаз по кодам целей обучения. Симуляцию можно выдать классу или вывести на доску.
Вопросы
- Можно ли выполнить работу без калориметра и термометра?
- Да, можно провести виртуальную лабораторную работу в симуляции «Тепловая лаборатория» в режиме «Калориметр». Результаты в журнал записывай так, как требует учитель.
- Как записать вывод?
- Назови оба значения количества теплоты, сравни их (больше, меньше, на сколько процентов) и объясни причину различия. Последним предложением ответь на цель работы: выполняется ли закон сохранения энергии.
- Почему для опыта не берут кипяток?
- Кипяток опасен: его легко пролить и обжечься. Кроме того, он быстро остывает и сильно испаряется, поэтому потери теплоты растут и результат получается хуже.