Лабораторная работа №2. Определение удельной теплоты плавления льда
В работе в калориметр с тёплой водой опускают кусочки тающего льда и ждут, пока лёд полностью растает. Измеряют массы воды и льда, начальную и конечную температуры, а затем по уравнению теплового баланса вычисляют удельную теплоту плавления льда λ и сравнивают её с табличным значением.
Цель работы. Экспериментально определить удельную теплоту плавления льда и сравнить полученное значение с табличным.
Сделать ҚМЖ по этой темеЦели обучения
- 8.3.2.12экспериментально определить удельную теплоту плавления льда
- 8.1.3.3знать и соблюдать технику безопасности в кабинете физики
Оборудование
- калориметр
- термометр (0–100 °C)
- мензурка (измерительный цилиндр)
- весы (при наличии)
- кусочки тающего льда (0 °C)
- тёплая вода (35–45 °C)
- салфетка или фильтровальная бумага
- пинцет или ложка для льда
Ход работы
- 1
Налей в калориметр 150–200 мл тёплой воды и запиши её массу m₁ (1 мл воды имеет массу 1 г).
- 2
Измерь начальную температуру воды t₁.
- 3
Возьми несколько кусочков тающего льда, промокни их салфеткой и сразу опусти в калориметр.
- 4
Закрой калориметр крышкой и осторожно перемешивай воду, следя за термометром.
- 5
Когда лёд полностью растает, запиши установившуюся температуру смеси θ.
- 6
Измерь объём (или массу) воды в калориметре и найди массу льда: m₂ = m₃ − m₁, где m₃ — масса воды в конце опыта.
- 7
Повтори опыт с другой массой льда.
- 8
Вычисли λ для каждого опыта, найди среднее значение и сравни его с табличным.
Краткая теория
Плавление — переход вещества из твёрдого состояния в жидкое. Лёд при нормальном атмосферном давлении плавится при 0 °C, и пока весь лёд не растает, температура смеси льда и воды не меняется: подводимая энергия идёт на разрушение кристаллической решётки. Количество теплоты, нужное для плавления тела массой m, взятого при температуре плавления, равно Q = λ·m. Удельная теплота плавления λ показывает, сколько теплоты нужно, чтобы расплавить 1 кг вещества при температуре плавления; единица — Дж/кг. Для льда табличное значение λ = 3,4·10⁵ Дж/кг (точнее 3,34·10⁵ Дж/кг).
В калориметр наливают тёплую воду массой m₁ при температуре t₁ и опускают лёд массой m₂ при 0 °C. Вода остывает до температуры θ и отдаёт Q₁ = c·m₁·(t₁ − θ). Эта теплота идёт на плавление льда (λ·m₂) и на нагревание получившейся из льда воды от 0 °C до θ (c·m₂·θ). Уравнение теплового баланса: c·m₁·(t₁ − θ) = λ·m₂ + c·m₂·θ.
Массу льда удобно найти по разности: измерить массу или объём воды в калориметре в конце опыта и вычесть начальную массу воды. Лёд перед опусканием промокают салфеткой, чтобы не внести лишнюю воду.
Виртуальный опыт
В симуляции «Тепловая лаборатория» выбери режим «Лёд и пар». Задай массу и температуру воды и массу льда, запусти плавление и запиши температуру θ после того, как весь лёд растает. Подставь значения в формулу для λ, затем повтори опыт с другой массой льда и сравни результаты.
Ещё одна симуляция по теме: Плавление и кипение: кривая нагревания воды
Таблица измерений
Лабораторная работа №2 · Физика, 8 класс. Определение удельной теплоты плавления льда
Фамилия, имя, класс: ____________________ Дата: __________
| № опыта | m₁, кг | t₁, °C | m₂, кг | θ, °C | λ, Дж/кг |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | |||||
| 2 | |||||
| 3 |
Расчёт и вывод
Из уравнения теплового баланса: λ = [c·m₁·(t₁ − θ) − c·m₂·θ] / m₂, где c = 4200 Дж/(кг·°C) — удельная теплоёмкость воды.
Например, m₁ = 0,2 кг, t₁ = 40 °C, m₂ = 0,04 кг, θ = 20 °C. Тогда c·m₁·(t₁ − θ) = 4200 · 0,2 · 20 = 16 800 Дж, c·m₂·θ = 4200 · 0,04 · 20 = 3360 Дж, λ = (16 800 − 3360) / 0,04 = 336 000 Дж/кг ≈ 3,4·10⁵ Дж/кг.
Относительная погрешность: ε = |λ − λ₀| / λ₀ · 100 %, где λ₀ — табличное значение. В примере ε = |3,36 − 3,4| / 3,4 · 100 % ≈ 1,2 %.
Основные причины расхождения — вода на поверхности льда, теплообмен с калориметром и воздухом, погрешность термометра (половина цены деления) и мензурки.
Шаблон вывода: В ходе работы я определил(а) удельную теплоту плавления льда: λ = … Дж/кг. Табличное значение — 3,4·10⁵ Дж/кг, относительная погрешность ε = … %. Расхождение объясняется тем, что … .
Контрольные вопросы
Почему температура смеси не меняется, пока лёд тает?
Показать ответ
Подводимая энергия идёт на разрушение кристаллической решётки льда, а не на увеличение кинетической энергии молекул, поэтому температура остаётся 0 °C.
Зачем лёд промокают салфеткой перед опусканием в калориметр?
Показать ответ
Вода на поверхности льда не требует теплоты на плавление. Если её не убрать, масса льда окажется завышенной, а λ — заниженной.
Почему берут тающий лёд, а не лёд прямо из морозильной камеры?
Показать ответ
Лёд из морозильной камеры холоднее 0 °C, и часть теплоты уйдёт на его нагревание до 0 °C. Формула для λ этого не учитывает.
Что означает λ = 3,4·10⁵ Дж/кг?
Показать ответ
Чтобы расплавить 1 кг льда, взятого при 0 °C, нужно 3,4·10⁵ Дж теплоты. Столько же теплоты выделяется при отвердевании 1 кг воды.
Почему воды в калориметре должно быть заметно больше, чем льда?
Показать ответ
Чтобы весь лёд растаял и конечная температура была выше 0 °C. Если часть льда останется, уравнение теплового баланса в таком виде применять нельзя.
Техника безопасности
- Не используй кипяток; тёплую воду наливай осторожно.
- Не мешай воду термометром и не бросай лёд на термометр: стекло может треснуть.
- Бери лёд пинцетом, ложкой или через салфетку и не держи его долго в руке.
- Сразу вытирай пролитую воду: на мокром полу легко поскользнуться.
- Электронные весы держи подальше от воды.
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 льда?
- Да, можно провести виртуальную лабораторную работу в симуляции «Тепловая лаборатория» в режиме «Лёд и пар». Результаты в журнал записывай так, как требует учитель.
- Как записать вывод?
- Укажи полученное значение λ с единицей, сравни его с табличным, приведи относительную погрешность и назови одну-две причины расхождения.
- Почему λ получилось не таким, как в таблице?
- Обычно мешают вода на кусочках льда, теплообмен с калориметром и воздухом, неточный отсчёт температуры и объёма. Расхождение в несколько процентов для школьного опыта — нормальный результат.