[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Opis doświadczenia
W trakcie doświadczenia wyznaczano ciepło właściwe trzech różnych ciał stałych. W tym celu zważono każde z badanych ciał, kalorymetr z mieszadełkiem, i kalorymetr z wodą. Następnie ogrzewano badane ciało w ogrzewaczu parowym, po czym umieszczano w kalorymetrze z wodą. Co 30 sekund mierzono temperaturę wody w kalorymetrze, przez 5 minut przed i 10 minut po umieszczeniu ciała w wodzie. W celu wyznaczenia temperatury wrzenia wody (a więc i pary wodnej ogrzewającej ciało) odczytano z barometru bieżące ciśnienie atmosferyczne, które wynosiło 750 [mmHg]. Z tablic fizycznych odczytano temperaturę wrzenia wody przy ciśnieniu atmosferycznym, które w pomieszczeniu wynosiło 750 [mmHg]
Obliczenia
Dla wszystkich trzech ciał sporządzono wykresy T=f(t). Metodą interpolacji opisaną wcześniej wyznaczono początkową i końcową temperaturę wody w kalorymetrze, Tp i Tk, które wynoszą:
Tab.4. Porównanie temperatur: początkowej i końcowej wszystkich trzech ciał; Tpoczątkowa – temperatura początkowa danego ciała, Tkońcowa – temperatura końcowa danego ciała
Ciało
Tpoczątkowa
[oC]
Tkońcowa
[oC]
Ciało 1
26,1
24,2
Ciało 2
29,5
28,0
Ciało 3
33,4
30,8
Następnie korzystamy z faktu, że badane ciało traci ciepło ccmc(Tc-Tp), gdzie Tc jest początkową temperaturą ciała (w naszym przypadku 100 [°C]). Ciepło to jest pobierane przez wodę cwmw(Tk-Tp) oraz kalorymetr ckmk(Tk-Tp). Stąd otrzymujemy wzór na ciepło właściwe badanego ciała:
Sprawdzając w tablicach ciepło właściwe wody i mosiądzu, dostajemy odpowiednio 4180 J/kg K i 388 J/kg K. Podstawiając wszystko do wzoru wyznaczamy następujące wartości ciepła właściwego:
c1=4180∙0,0649-388∙0,12760,0168∙26,1-24,299,75-26,1=798 Jkg∙K
cż=4180∙0,0649-388∙0,12760,0731∙29,5-28,099,75-29,5=389 Jkg∙K
cp=4180∙0,0649-388∙0,12760,0709∙33,4-30,899,75-30,8=359 Jkg∙K
Ocena błędu
Błąd zostanie oceniony metodą różniczki zupełnej. Ponieważ korzystano ze wzoru:
błąd wynosi:
∆c1=77,56Jkg∙K, co daje błąd względy rzędu 10%
∆c2=19,11Jkg∙K, co daje błąd względny rzędu 6%
∆c3=12,54Jkg∙K, co daje błąd względny rzędy 4%
Wnioski
Zakładając, że badane ciała rzeczywiście były wykonane kolejno z aluminium, miedzi i mosiądzu, zauważamy, że wyliczone wartości ciepła właściwego są niższe od tablicowych:
Ciało
Wartość otrzymana
Cw Jkg∙K
Wartość tablicowa
Cw Jkg∙K
C1: aluminium
798
897
C2: miedź
379
388
C3: mosiądz
359
385
We wszystkich przypadkach wartości uzyskane doświadczalnie są niższe od spodziewanych o kilkanaście procent, a więc więcej od wyliczonego błędu pomiaru. Głównym tego powodem była oczywiście niedoskonała izolacja termiczna kalorymetru; ruchome wieczko ze szparami i zbyt dużymi otworami na termometry itd. z pewnością nie spełniało swojego zadania. Poza tym z pewnością pewna ilość ciepła została stracona podczas przenoszenia ciała z termopary do kalorymetru, i nie wiadomo czy podgrzewane ciała rzeczywiście całkowicie osiągały temperaturę 99,75°C przez kilka minut ich podgrzewania. Te czynniki z pewnością wpłynęły na zaniżone wartości ciepła właściwego dla badanych ciał. Do pomniejszych, lecz w dalszym ciągu istotnych błędów należały pewne fluktuacje w pomiarach termometru cyfrowego, i oczywiście niemożliwy do oceny błąd czynnika ludzkiego przy wykreślaniu ciągłej zmian temperatury w kalorymetrze na podstawie kilkunastu pomiarów. Należy tutaj oczywiście uwzględnić fakt, że graficzna metoda interpolacji temperatur jest właściwie metodą “na oko”, obarczoną błędem zależącym głównie od poziomu umiejętności wizualizacji przestrzennej badacza.
Ogólnie jednak, gdyby do wszystkich przyszłych wyników uzyskanych w tym doświadczeniu dodawać te kilkanaście procent na rzecz utraty ciepła w otoczenie, można się by było spodziewać wyników dość zbliżonych do rzeczywistych.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]