Реферат Блок лабораторных работ, представленных ниже, рекомендуется для проведения в специализированных классах школ инженерной (авиационной) направленности с углубленным изучением физики, математики по разделу «Термодинамика и молекулярная физика»

Лабораторная работа №1 Определение удельной теплоёмкости твёрдого тела 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Измерение теплоемкости твердого тела, закрепление ряда понятий термодинамики, связанных со способами теплопередачи. Приборы и принадлежности: 2 калориметра, 2 термометра, твердое тело массой 100 г из стандартного набора, горячая и холодная вода, сосуд объемом не менее 300 мл, лопатка для перемешивания воды. 2. КРАТКОЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ 2.1. Основные понятия Термодинамика (или общая теория теплоты) изучает системы из большого числа частиц на основе анализа возможных в этой системе превращений энергии без учета ее микроскопического строения. Для описания состояния системы используются физические величины, относящиеся к системе в целом – термодинамические параметры (например, давление, объем, температура). Если эти параметры имеют определенные и постоянные значения в любой части макросистемы, то состояние системы называют равновесным. Изменение состояния происходит при совершении системой (или над ней) работы, а также при передаче ей (или отведении) теплоты. Внутренняя энергия U складывается из энергии беспорядочного теплового движения атомов или молекул и энергии межмолекулярных и межатомных взаимодействий и движений. Количество теплоты Q – физическая величина, показывающая энергию, полученную телом при теплообмене. Согласно первому началу термодинамики это количество теплоты идет на приращение ее внутренней энергии и на совершение системой работы(ΔА=p ΔV) над внешними телами : Q=ΔU+ΔA. Теплообмен – переход внутренней энергии одного тела во внутреннюю энергию другого тела без совершения механической работы. Существуют три способа теплообмена: теплопроводность, конвекция, излучение. Теплообмен - самопроизвольный необратимый перенос теплоты (точнее, энергии в форме теплоты) между телами или участками внутри тела с различной температурой. В соответствии со вторым началом термодинамики теплота переносится в направлении меньшего значения температуры. Теплообмен всегда ведет к выравниваю температур тел. Теплопроводность осуществляется в результате теплового движения и взаимодействия микрочастиц (атомов, молекул, ионов и др.). Более подвижные (т. е. более нагретые) частицы тела (молекулы, атомы) при непосредственном соприкосновении передают часть своей энергии менее подвижным, т. е. более холодным частицам. Процесс теплообмена теплопроводностью имеет место главным образом в твердых телах, частицы которых более сближены друг с другом. Так, при нагревании металлического листа водном месте, например при его сварке, спустя некоторое время можно обнаружить, что повысилась температура и других участков листа, которые непосредственно не нагревались: тепло распространилось теплопроводностью. В чистом виде теплопроводность может встречаться в твердых телах, не имеющих внутренних пор и в неподвижных слоях жидкостей, газов или паров. В тепловых процессах капельных жидкостей, а тем более газов, теплопроводность играет малую роль (теплопроводность жидкостей и газов невелика). Конвекция (К) (от лат. convectio — принесение, доставка), перенос теплоты в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками вещества. Различают естественную, или свободную, и вынужденную К. Естественная К. возникает при неравномерном нагреве (нагреве снизу) текучих или сыпучих веществ, находящихся в поле силы тяжести (или в системе, движущейся с ускорением). Вещество, нагретое сильнее, имеет меньшую плотность и под действием архимедовой силы FA перемещается относительно менее нагретого вещества. Сила FA = Δρ·Vg (Δρ — разность плотностей нагретого вещества и окружающей среды, V — объём нагретого вещества, g – ускорение свободного падения). Направление силы FA, а следовательно, и К. для нагретых объёмов вещества противоположно направлению силы тяжести. К. приводит к выравниванию температуры вещества. При стационарном подводе теплоты к веществу в нём возникают стационарные конвекционные потоки, переносящие теплоту от более нагретых слоев к менее нагретым. С уменьшением разности температур между слоями интенсивность К. падает. При высоких значениях теплопроводности и вязкости среды К. также оказывается ослабленной. В условиях невесомости естественная К. невозможна. При вынужденной К. перемещение вещества происходит главным образом под воздействием какого-либо устройства (насоса, мешалки и т.п.). Интенсивность переноса теплоты здесь зависит не только от перечисленных выше факторов, но и от скорости вынужденного движения вещества. К. широко распространена в природе: в нижнем слое земной атмосферы, морях и океанах, в недрах Земли, на Солнце (в слое до глубины ~20—30% радиуса Солнца от его поверхности) и т.д. С помощью К. осуществляют охлаждение или нагревание жидкостей и газов в различных технических устройствах. Лучистый теплообмен, радиационный теплообмен, осуществляется в результате процессов превращения внутренней энергии вещества в энергию излучения, переноса энергии излучения и её поглощения веществом. Протекание процессов Лучистый теплообмен определяется взаимным расположением в пространстве тел, обменивающихся теплом, свойствами среды, разделяющей эти тела. Существенное отличие лучистого теплообмена от других видов теплообмена заключается в том, что он может протекать и при отсутствии материальной среды, разделяющей поверхности теплообмена, так как осуществляется в результате распространения электромагнитного излучения. Удельная теплоемкость вещества C – физическая величина, показывающая количество теплоты, необходимое для изменения температуры 1 кг этого вещества на 1 градус. Единица – 1 Дж/(кг°С). Количество теплоты, полученное/отданное телом при теплообмене, пропорционально массе тела m и изменению его температуры ΔT. Коэффициент пропорциональности – удельная теплоемкость вещества: Q=C∙m∙ΔT. (1) Для того, чтобы рассчитать температуру, которую будет иметь тело при теплопередаче, необходимо составить уравнение теплового баланса: Количество тепла, отданного одними телами, равно количеству тепла, принятому другими телами системы. Оно выражает собой всеобщий закон сохранения энергии в термодинамике. (Отметим, что работы в рассматриваемой задаче над системой не совершалось). (2) 2.2. Методика измерения теплоемкости Для сравнения теплоемкостей разных тел пользуются калориметром. Калориметр представляет собой металлический сосуд с крышкой, имеющий форму стакана. Сосуд ставят на пробки, помещенные в другой, больший сосуд так, что между обоими сосудами остается слой воздуха (рис.). Все эти предосторожности уменьшают отдачу теплоты окружающим телам. Сосуд наполняют известным количеством воды массой mв, температура которой до опыта измеряется (пусть она равна t1). Теплоемкость воды при комнатных температурах берем из таблиц: св=4,19 Дж/(кг∙К). Затем берут тело массы m, теплоемкость которого хотят измерить, и нагревают до известной температуры t2 (например, помещают в пары кипящей воды, так что температура t2=100°С). Нагретое тело опускают в воду калориметра, закрывают крышку и, помешивая мешалкой, ждут, пока температура в калориметре установится (это произойдет, когда вода и тело примут одинаковую температуру). Тогда отмечают эту температуру t. Из результатов опытов можно найти удельную теплоемкость тела с2, пользуясь тем, что уменьшение энергии охлаждающегося тела равно увеличению энергии нагревающейся при этом воды и калориметра, т. е. применяя закон сохранения энергии: , (3) Где Ск – полная (не удельная, а для всей массы) теплоемкость калориметра и мешалки (при ее использовании). Эта величина неизвестна, и определить ее можно в ходе следующего простого эксперимента. Нальем в калориметр некоторое количество воды (массы m) при комнатной температуре t1, а затем такое же количество воды при температуре t2. Через некоторое время измерим установившуюся температуру t. Запишем уравнение теплового баланса: (4) Выразим из него неизвестную Ск: . (5) Замечание: Погрешность расчетов такого метода довольно велика – до 30%. Рекомендуем для ее уменьшения измерить теплоемкость калориметра несколько раз в ходе отдельной лабораторной работы или в качестве индивидуального задания для группы учащихся. Это значение можно указать при выполнении данной работы как известное, а работу по нахождению выполнять во фронтальном варианте. Теперь выразим из (3) искомую теплоемкость с2: (6) 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 1. Налить в калориметр 100 г воды комнатной температуры t1. 2. Тело массой 100 г, теплоемкость которого хотят измерить, помещают в пары кипящей воды, так что температура t2=100°С. 3. Осторожно погружают нагретое тело в калориметр (этот этап осуществляется лаборантом). Помешивая воду лопаткой, дождаться установления равновесной температуры t, записать ее значение в таблицу. 4. Рассчитать значение теплоемкости тела. № t1, 0C t2, 0C t, 0C c2, кДж/(кг К) Средн <с2> 5. Рассчитать среднеквадратическое отклонение среднего по формуле: , где n – число опытов. 6. Рассчитать оценку относительной погрешности расчета δс2=Sс2 /<с2>. и записать результат в стандартном виде: с2=( <с2> + Sс2) кДж/(кг К) , δс2= . 7. Сравнить полученное значение с табличным. Сформулируйте и запишите вывод. 4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что такое теплота? 2. Сформулируйте 1 и 2 начала термодинамики. 3. Какие виды теплопередачи вы знаете? Какие из них осуществлялись в рассматриваемой работе? Выделите из них основные. 4. Опишите устройство калориметра. Какова роль воздушной прослойки между наружным и внутренним стаканами прибора? 5. Что изменилось бы в ходе эксперимента, если бы мы не перемешивали ложечкой воду в калориметре? Как это сказалось бы на результатах? 6. Что нужно было бы сделать, чтоб уменьшить потери тепла на излучение? 7. Если к твердым телам с одинаковой массой и начальной температурой подвести одинаковое количество теплоты (все материалы остаются твердыми), то температура вещества с большей теплоемкостью будет больше, меньше или равна температуре тела с меньшей теплоемкостью? 8. Из наблюдений известно, что в летний день суша нагревается и остывает быстрее, чем вода в озере. Что можно сказать про удельные теплоемкости суши и воды (какая из величин больше)? ПРИЛОЖЕНИЕ Тепловые свойства различных материалов № вещество Температура плавления, 0С Удельная теплота плавления, кДж/кг Удельная теплоемкость, кДж/(кг К) 1 Алюминий 660 380 0,89 2 Лед 0 334 2,1 3 Медь 0,38 1083 0,38 4 Олово 0,23 232 0,23 5 Свинец 0,13 327 0,13 6 Сталь 0,46 1400 0,46 Вода 4,19 Лабораторная работа №2 ИЗМЕРЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ ПЛАВЛЕНИЯ ЛЬДА Цель работы: Добавляя лед в калориметр с теплой водой, определить удельную теплоту плавления льда, закрепление ряда понятий термодинамики (фазовые переходы, уравнение теплового баланса). Оборудование: калориметр, термометр, измерительный цилиндр. КРАТКОЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ 2.1. Основные понятия Как известно, одно и то же вещество может при определенных условиях находиться в твердом (кристаллическом), жидком и газообразном состояниях или фазах. Переход из одной фазы в другую (фазовый переход) происходит скачком при изменении температуры, давления или под действием каких-либо других внешних факторов (например, магнитных или электрических полей). Эти превращения сопровождаются скачкообразным изменением плотности, теплоемкости, электропроводности и других физических свойств тела и называются фазовыми переходами 1-го рода. К ним относятся пары взаимообратных процессов: 1) плавление и кристаллизация, 2) испарение и конденсация. При плавлении и испарении происходит поглощение, а кристаллизации и конденсации – выделение того же, соответственно, количества тепла. Теплота плавления - это количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу в равновесном изобарно-изотермическом процессе, чтобы перевести его из твёрдого (кристаллического) состояния в жидкое. То же количество теплоты выделяется при кристаллизации вещества. Этот фазовый переход (из твердого состояния в жидкое и обратно) происходит для каждого вещества при строго определенной температуре, называемой температурой плавления (кристаллизации). Для расчёта теплоты плавления (кристаллизации) используют формулу: Qпл = λm, (1) где λ – удельная теплота плавления льда, равная количеству тепла, которое необходимо для превращения в воду 1 кг льда. Такая же энергия в виде теплоты выделяется при замерзании 1 кг воды (λ=334 кДж/кг). Теплота испарения ( конденсации) рассчитывается аналогично: Qисп = rm. Где r – удельная теплота парообразования. Обледенение в авиации – одно из сложных метеорологических явлений, от которого в значительной степени зависит безопасность полетов. Обледенением называется отложение льда на обтекаемых частях самолетов и вертолетов, а также на силовых установках при полете в облаках, тумане и мокром снеге. В результате отложения льда изменяются аэродинамические условия обтекания самолета воздушным потоком. Увеличивается вес самолета, нарушается равновесие аэродинамических сил. Отложение льда на внешних частях воздухозаборников снижает необходимое поступление воздуха в двигатели. Лед, отлагающийся на остеклении кабины экипажа, может исключить возможность визуального наблюдения. Неравномерный срыв кусков льда с обледеневшей части самолета может привести к смещению центра масс отдельных систем, изменению момента инерции механизмов (например, лопастей винта) и их поломке. Поэтому сильное обледенение и сейчас является одним из опасных для полетов метеорологических явлений. Активные способы борьбы с обледенением по техническим средствам реализации делят на термические, химические и механические. Противообледенительные системы, основанные на термическом способе удаления льда наиболее распространены. Это способ обеспечивает повышение температуры поверхностей выше 0 С. Широко применяются воздушно-тепловые устройства, обеспечивающие нагрев передних кромок крыльев. Все большее применение находят электротепловые противообледенительные системы, в которых рабочей частью является токопроводящий слой, располагающийся межу двумя изоляционными слоями. Для уменьшения расхода электроэнергии электротепловая система работает импульсами. Химический способ основан на уменьшении силы сцепления льда с поверхностью самолета (защитные покрытия в виде веществ, не смачивающихся водой) или понижении температуры замерзания воды (спирты, смесь спирта с глицерином). Главный недостаток – ограниченность действия по времени, сложность конструкции самой системы и необходимость иметь значительный запас жидкости на борту. Механические способы состоят в механическом удалении льда с помощью периодической подачи сжатого воздуха в смонтированные на носке крыла камеры протекторов. Камеры раздуваются и ломают лед. Недостаток этой системы состоит в нарушении аэродинамических характеристик крыла при вздутии протекторов и слабой эффективности. Пассивные формы борьбы с обледенением предусматривают обход зон возможного обледенения. Для этого до полета экипаж обязан изучить метеорологическую обстановку. Обход облаков, опасных обледенением, осуществляется сверху в зимний, и снизу – в летний период. 2.2. Методика эксперимента Удельную теплоту плавления льда можно определить следующим способом. Если налить в стакан калориметра теплую воду массой m1 и температурой t1 и опустить в нее лед массой m2 при температуре t2 = 0°С, то при расплавлении всего льда температура t3 , установившаяся в калориметре, определится следующим уравнением: m2λ + m2c(t3 – t2) = m1c(t1- t3) + Ck(t4 – t3) (2) где λ - удельная теплота плавления льда, С – теплоёмкость воды, mk - масса калориметра, Сk - теплоемкость калориметра, t4 - начальная температура калориметра (комнатная). Выполнение эксперимента и расчета можно упростить, если провести эксперимент таким образом, чтобы начальное t4 и конечное t3 значение температуры калориметра были одинаковыми. В этом случае уравнение теплового баланса принимает вид: m2λ + m2c(t3 – t2) = m1c(t1 – t3). (3) Из последнего уравнения удельная теплота плавления льда равна: (4) 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Упражнение 1 1. Приготовьте некоторое количество льда. Подержите лёд некоторое время при комнатной температуре, чтобы его температура стала 0°С. При этом часть льда должна растаять. 2. Налейте 100 мл (и, следовательно, m1=100 г) теплой воды в измерительный цилиндр. Измерьте температуру  t1, теплой воды в измерительном цилиндре. Температура теплой воды должна превышать комнатную температуру примерно на 40°С. Вылейте теплую воду во внутренний стакан калориметра. 3. Возьмите небольшой кусок льда, осушите его фильтровальной бумагой и опустите в теплую воду в калориметре. Воду постоянно перемешивайте и следите за показаниями термометра. После полного расплавления первого куска льда положите в воду второй и так далее до тех пор, пока температура воды в калориметре не достигнет значения t3, равного температуре воздуха в комнате. 4. Перелейте воду из стакана калориметра в измерительный цилиндр. По увеличению объема воды ΔV найдите массу m2 растаявшего льда. 5. Вычислите удельную теплоту плавления льда. Результаты вычислений занесите в тетрадь. 6. Пренебрегая погрешностью определения массы льда m2 и воды m2, оцените относительную погрешность измерений: , Где Δt – максимальная абсолютная погрешность, равная 1,5 градуса. Далее исходя из определения относительной погрешности , получите оценку абсолютной погрешности величины λ : Δλ=δλ∙λ. 6. Запишите результат в стандартном виде, сравните его с табличным значением λ=334 кДж/кг и сформулируйте вывод. Упражнение 2*. Проделайте упражнение 1, используя вместо воды в калориметре раствор поваренной соли концентрацией 10%, или смесь спирта с глицерином. Прокомментируйте полученные результаты. 4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что такое фазовые переходы 1 рода? 2. Дайте определение понятиям теплоемкости тела и удельной теплоемкости вещества. 3. На основании какого закона составляют уравнения теплового баланса? 4. Какими процессами пренебрегли в формуле (2)? 5. Какова роль помешивания воды в калориметре при выполнении работы? 6. Почему при выполнении расчетов в данной работе не учитывалась теплоемкость калориметра? 7. В каком случае погрешность измерений в данной работе будет меньше, при быстром выполнении всех операций или при медленном? Почему? 8. На рисунке представлен график зависимости абсолютной температуры Т воды массой m от времени t при осуществлении теплоотвода с постоянной мощностью Р. В момент времени t = 0 вода находилась в газообразном состоянии. Как по данным графика определить удельную теплоту плавления льда? 9. Что такое обледенение воздушных судов? В Чем его опасность для полетов воздушных судов? 10. Какие способы борьбы с обледенением вы знаете? 11. Обход облаков, при полете в которых велика вероятность обледенения, осуществляется сверху в зимний, и снизу – в летний период. Как вы думаете, почему?

Похожие:

	Реферат Представляемые лабораторные работы рекомендуются для проведения... Разработка ном по школьному лабораторному практикуму по физике (раздел «Электричество») в соответствии с рабочей программой профильного...		75 2 Этап Апробирование разработанных научно-образовательных материалов... Этап Апробирование разработанных научно-образовательных материалов путем проведения тестовых занятий
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Ы программы традиционны: механика, молекулярная физика и термодинамика, электродинамика, квантовая физика (атомная физика и физика...		Урок для учителей города по теме: Обобщение материала темы «Молекулярная физика и термодинамика» Урок обобщающего повторения из элективного курса с, 2 часа в неделю, 10 класс. Всего в 10 классе 4 урока физики – 2 часа в неделю...
	А. В. Пёрышкина учитель физики мбоу сош №2 с углублённым изучением... Оформить выполненные (1-4) и составить отчет по запланированной (5) лабораторным работам в соответствие с планом в тетрадях для лабораторных...		4 Химикус (Обучение с приключением) 2 Открытая физика. Часть (механика, механические колебания и волны, термодинамика и молекулярная физика)
	Учебно-воспитательной работе мбоу сош №159 с углубленным изучением... Мы рады приветствовать всех собравшихся в этом зале. Приветствуем всех, кто любит математику, кто учит математике, кто занимается...		Молекулярная физика. Тепловые явления Оформить выполненные (1-4) и составить отчет по запланированной (5) лабораторным работам в соответствие с планом в тетрадях для лабораторных...
	Учебник по физике. Представлены разделы физики в теории, примерах... Открытого колледжа" "Физика". Включает прекрасно иллюстрированный учебник "Открытая физика 5" (все разделы, от Механики до Физики...		Пояснительная записка Программа научно-технической направленности... Программа научно-технической направленности «Общая биология» рассчитана на учеников 9 – 11 классов школ с общим и углубленным изучением...
	Опорный конспект лекций. Молекулярная физика и термодинамика Методы оказания первой помощи лицам, пострадавшим в дорожно-транспортных происшествиях		Программа составлена для преподавания географии в моу «сош №26 г.... Сыктывкара с углубленным изучением отдельных предметов в 10 классах. Преподавание географии осуществляется на основе переработанной...
	Молекулярная физика и термодинамика лабораторная работа №5 энтропия Учитель. Дорогие ребята ! Я рада вас при­ветствовать на игре «Счастливый случай»!		Наименование издательство Министерства образования Российской Федерации программы по математике для школ (классов) с углубленным изучением математики (Программы...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... И. Н. Верещагиной для 7-го класса школ с углубленным изучением английского языка, лицеев, гимназий при учебной нагрузке 4 часа в...		Пояснительная записка Программа научно-технической направленности... Программа научно-технической направленности «Анатомия и физиология человека» рассчитана на учеников 9 – 11 классов школ с общим и...