Определение теплоемкости неизвестного материала

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ.

Цель работы:

1. Изучение различных видов теплообмена.

2. Определение удельной теплоемкости различных материалов сравнительным методом.

3. применение метода наименьших квадратов для обработки экспериментальных данных.

Приборы и принадлежности: экспериментальная установка, электропечь, набор образцов с встроенной термопарой.

.

Теория

Теплоемкость относится к одной из основных теплофизических характеристик материалов. В общем случае под теплоемкостью понимают отношение количества теплоты DQ необходимого для нагревания тела на DT

Чаще теплоемкость C относят к единице массы тела m, тогда она носит название удельной теплоемкости c. Удельная теплоемкость постоянна только в некотором ограниченном интервале температур.

В физиотерапии важную роль играет теплоемкость тех сред, с помощью которых проводят теплолечение: воды, парафина, грязевых смесей и т.д. Важно знать также теплоемкость различных тканей ор­ганизма. Это позволит правильно понять механизмы терморегуляции организма. В стоматологической практике необходимо учитывать теплоем­кость различных материалов. В основном это относится к различным металлическим конструкциям протезов и пломбам на основе амальгам, т.к. в этом случае различие теплоемкостей тканей зуба и металла довольно существенны. Наличие в ротовой полости материалов с различной теплоемкостью сопровождается неприятными ощущениями, и в ряде случаев может приводить к возникновению различных побочных эффектов (выкрашивание пломб, воспалительные процессы и т.д.).

Теплоемкость твердых тел (металлов) наиболее просто определя­ется методом охлаждения. Суть этого метода заключается в следующем. Если некоторый образец нагреть до температуры T и поместить в окружающую среду, имеющую более низкую температуру T_{0 ,} то образец начнет охлаждаться. При этом количество теплоты DQ, теряемой образцом в единицу времени Δt может быть представлено в виде:

где, с - удельная теплоемкость материала, r - его плотность, v - объем

(DT/Dt) -скорость изменения температуры. Знак " - " указывает на то, что тело теряет теплоту.

Это количество теплоты уходит в окружающую среду со всей по­верхности S тела, причем уход этой теплоты в единицу времени бу­дет, очевидно, пропорционален разности температур тела Т

и окру­жающей среды То т.е. можно записать:

где a - коэффициент пропорциональности (коэффициент теплоотдачи).

Приравнивая выражения и переходя к бесконечно малым, получим:

Это есть дифференциальное уравнение первого порядка. Разделив пе­ременные, перепишем его:

Интегрируя уравнение в пределах от T_max до T, получим:

Представив эту зависимость графически в полулогарифмических координатах

Ln(T-T₀); ( t) получим прямую линию, тангенс угла наклона которой равен - (aS)/(crV); (выражение Ln(T_max - T₀) есть величина постоянная, т.к. T_max и T₀ в процессе измерений не меняются).

Определение абсолютного значения с из полученных выражений затруднительно, так как для этого надо знать коэффициент теплоотдачи a. Очевидно, если провести аналогичные измерения с другим телом известной теплоемкостью с₀ и таких же размеров, то для этого тела тангенс угла наклона прямой будет так же равен - (aS)/(c₀r₀V).

Определение теплоемкости неизвестного материала.

Установка (рис.1) представляет собой электропечь (1), в которую могут помещаться различные образцы (2), закрепленные на штативе (3). В образцы вставлены термопары, подключаемые к милливольтметру. С помощью штатива образцы могут опускаться в электропечь и выниматься из неё.

Рис.1

Порядок выполнения:

1. Взять образец известного материала. Записатьего с₀ и r₀

2. Подключить термопару к милливольтметру и, закрепив образец на штативе, опустить его в

электропечь.

3. Включить печь и нагреть образец до140 ⁰С, что соответствует 8 милливольтам по

показаниям милливольтметра.

4. Выключить печь и быстро поднять (вынуть) образец из печки

5. Через каждые 3 минуты измерять термоЭДС

6. Провести аналогичные измерения с образцом исследуемого материала

Полученные данные для каждого образца занести в таблицы

Для эталонного материала

№ измерения
								---

Для исследуемого материала.

№ измерения
								----

8. Для упрощения вычисления теплоемкости исследуемого образца можно учесть следующее.

В данной работе холодный спай термопары не термостатируется, а находится при комнатной

температуре T₀. Поэтому в любой момент времени для любого образца возникающая

термо ЭДС будет, пропорциональна разности температур (T-T₀)