Экспериментальная установка. Теплоемкость – количество тепла, необходимое для повышения температуры системы на один градус

Общие положения

Теплоемкость – количество тепла, необходимое для повышения температуры системы на один градус. Различают истинную и среднюю теплоемкости. Истинная теплоемкость

(3)

где – количество тепла, затраченное на повышение температуры системы от Т до Т + .

Средняя теплоемкость определяется для конечного интервала температур:

(4)

где – количество тепла, необходимое для нагревания системы от до .

Теплоемкость обычно относится к определенному количеству вещества и называется удельной теплоемкостью. Теплоемкость, отнесенная к одному молю или одному грамм-атому, называется мольной или атомной теплоемкостью.

Наиболее часто в химической термодинамике используют изохорную C_v или изобарную C_p теплоемкости. При изохорном процессе все сообщенное системе тепло идет на увеличение ее внутренней энергии U. Отсюда следует, что при V = const средняя теплоемкость

(5)

а истинная

(6)

При изобарном процессе средняя и истинная теплоемкости определяются уравнениями

(7)

где H – теплосодержание (энтальпия) системы.

Средняя и истинная теплоемкости связаны уравнением

(8)

Теоретическое определение теплоемкости веществ и ее температурной зависимости возможно лишь методами статистической физики. Найденную же экспериментальным способом зависимость теплоемкости от температуры выражают степенными рядами. Обычно эмпирическую зависимость в определенном интервале температур дают для теплоемкости при постоянном давлении в таком виде:

Чаще всего в термодинамических расчетах используют трехчленные формулы. Следует иметь в виду, что при этом в уравнении постоянная не является теплоемкостью вещества при абсолютном нуле.

Экспериментальная установка

Для выполнения работы используется простейший адиабатический калориметр (рис.1).

Рис. 1. Схема калориметра

Калориметр состоит из калориметрического сосуда и изолирующей системы. Калориметрический сосуд (1) представляет собой стеклянный стакан или сосуд Дьюара. Изолирующей системой служит воздушная оболочка, которая образуется другим сосудом (2) и крышкой из пластмассы или пенопласта (3). Калориметрический сосуд устанавливается на асбестовых или пластмассовых подставках (4). В крышке имеются отверстия для термометра (5), мешалки (6) и воронки для введения исследуемого вещества (7).

Рис.2. Устройство термометра Бекмана

Термометр Бекмана (рис.2) предназначен для измерения малых изменений температуры. Он состоит из основного 1 и дополнительного 2 резервуаров ртути, соединенных капилляром 3. Шкала термометра 4 позволяет определять максимальное изменение температуры на 5 °С с точностью ±0,01 °С. Особенность термометра состоит в том, что при помощи сифонообразного дополнительного резервуара можно менять количество ртути в основном резервуаре и тем самым использовать термометр для измерений в широком интервале температур. Верхний резервуар имеет шкалу, служащую для ориентировочного определения температуры, на которую настроен термометр. Перед настройкой термометра определяют, каков характер изменения температуры ожидается в предстоящем опыте (или опытах). Если известно, что температура должна понижаться, его настраивают так, чтобы ртутный мениск остановился в верхней части шкалы. В случае повышения температуры, настройку ведут на нижнюю часть шкалы. Когда знак изменения температуры неизвестен, настройку производят на середину шкалы. Так же поступают, если на одном этапе работы ожидается понижение, а на другом – повышение температуры. Для настройки термометра его помещают в воду, имеющую температуру опыта. Если по истечении примерно 5 мин. выяснится, что мениск находится значительно ниже требуемого уровня, термометр переворачивают верхней частью вниз. Легким постукиванием по термометру добиваются, чтобы ртуть перетекала из большого резервуара по капилляру в запасной и соединилась с ртутью запасного резервуара..

Осторожно, чтобы резким толчком не разорвать столбик ртути в капилляре, переворачивают 6 термометр в правильное положение и снова погружают его в воду с температурой предстоящего опыта. Ртуть должна перетекать из верхнего резервуара в нижний по принципу сообщающихся сосудов. Шкала верхнего резервуара приблизительно показывает, на какую температуру настроен термометр. После того как мениск ртути в верхнем резервуаре перестанет перемещаться, что наступает обычно через 5 мин., легким ударом термометра об руку разрывают столбик ртути в месте соединения капилляра с верхним резервуаром. Далее незначительно нагревают нижний резервуар, прикасаясь к нему ладонью руки. В результате нагрева в месте соединения капилляра с верхним резервуаром появляется капелька ртути. Легким постукиванием термометра об руку стряхивают эту капельку вниз. Снова помещают термометр в воду, имеющую температуру предстоящего опыта, и наблюдают за установкой мениска ртути. Если мениск ртути окажется значительно выше необходимого уровня, то часть ртути из нижнего резервуара переводят в верхний. Для этого нагревают нижний резервуар ладонью руки и появившуюся в месте соединения верхнего резервуара с капилляром капельку ртути стряхивают вниз. Если ртуть в капилляре остановится ниже нужного уровня, настройку термометра начинают с самого начала.

С термометром Бекмана следует обращаться очень осторожно (не разбить его). Нельзя оставлять термометр в ходе работы без присмотра. Настроенный термометр не должен находиться в горизонтальном положении. В нерабочие промежутки времени термометр помещают в массивный (устойчивый) сосуд с водой, имеющей температуру опыта. В процессе работы следят за тем, чтобы не нарушалась его настройка.

Поиск по сайту: