 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
Термометры и их виды
|
Читайте также: |
Калориметрическое определение
Теплоемкости жидкости
Методические указания к выполнению лабораторной работы
ЕТИ. Ф.ЛР.15.
г. Егорьевск 2014
Составители: _____________ В.Ю. Никифоров, ст. преподаватель ЕНД
В методических указаниях даны основные определения молекулярной физики и термодинамики, рассмотрены: понятия температуры, внутренней энергии, работы, теплоемкости; термометры и их виды, термометр Бекмана и обращение с ним, первый закон термодинамики, калориметрия: калориметры, их виды и применение.
Методические указания предназначены для студентов 1 курса, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 280700 Техносферная безопасность для лабораторных работ по дисциплине "Физика".
Методические указания обсуждены и одобрены на заседании учебно-методической группы (УМГ) кафедры ЕНД
(протокол № ___________ от __________г.)
Председатель УМГ _____________ Г.Г Шабаева
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Московский государственный технологический
университет "СТАНКИН"
Егорьевский технологический институт (филиал)
Калориметрическое определение теплоемкости жидкости
Методические указания
к выполнению лабораторной работы
ЕТИ. Ф. 09а
Егорьевск 2013
Составитель ст. преподаватель Никифоров В.Ю.
Рецензент к.ф.н. Шабаева Г.Г.
В методических указаниях даны основные определения молекулярной физики и термодинамики, рассмотрены: понятия температуры, внутренней энергии, работы, теплоемкости; термометры и их виды, термометр Бекмана и обращение с ним, первый закон термодинамики, калориметрия: калориметры, их виды и применение.
Методические указания предназначены для студентов 1 курса, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 280700 Техносферная безопасность для лабораторных работ по дисциплине "Физика".
Методические указания обсуждены на заседании кафедры естественно-научных дисциплин.
Протокол № от
Заведующий кафедрой А.П. Нилов
Методические указания рассмотрены и одобрены методическим советом института
Протокол № от
Председатель совета А.Д.Семенов
Калориметрическое определение теплоемкости жидкости
1 Цель работы: ознакомиться с принципами калориметрических измерений. Измерить теплоемкость жидкости.
2 Оборудование и материалы: калориметр с изотермической оболочкой, нагреватель, амперметр, вольтметр, электронный термометр, секундомер.
Содержание работы
3.1 Изучить теоретический материал
3.2 Подготовить конспект лабораторной работы.
3.3 Ответить на контрольные вопросы.
3.4 Собрать калориметрическую установку.
3.5 Определить водяное число калориметра.
3.6 Измерить теплоемкость жидкости.
3.7 Оценить погрешность измерений.
3.8 Оформить отчет о работе.
Теоретические сведения к работе
Основные понятия термодинамики.
Молекулярная физика и термодинамика - разделы физики, в которых изучаются макроскопические процессы в телах, связанные с огромным числом содержащихся в телах атомов и молекул. Для исследования этих процессов применяют два качественно различных и взаимно дополняющих друг друга метода: статистический (молекулярно-кинетический) и термодинамический. Первый лежит в основе молекулярной физики, второй — термодинамики.
Молекулярная физика - раздел физики, изучающий строение и свойства вещества исходя из молекулярно-кинетических представлений, основывающихся на том, что все тела состоят из молекул, находящихся и непрерывном движении.
Термодинамика - раздел физики, изучающий общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями. Термодинамика не рассматривает микропроцессы, которые лежат в основе этих превращений. Этим термодинамический метод отличается от статистического. Термодинамика базируется на двух началах — фундаментальных законах, установленных в результате обобщения опытных данных.
Область применения термодинамики значительно шире, чем молекулярно-кинетической теории, ибо нет таких областей физики и химии, в которых нельзя было бы пользоваться термодинамическим методом. Однако, с другой стороны, термодинамический метод несколько ограничен: термодинамика ничего не говорит о микроскопическом строений вещества, о механизме явлений, а лишь устанавливает связи между макроскопическими свойствами вещества.
Термодинамика имеет дело с термодинамической системой — совокупностью макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией как между собой, так и с другими телами (внешней средой). Основа термодинамического метода — определение состояния термодинамической системы. Состояние системы задается термодинамическими параметрами (параметрами состояния) — совокупностью физических величин, характеризующих свойства термодинамической системы. Термодинамические параметры - макроскопические величины, характеризующие состояние термодинамической системы (в качестве образа можно иметь в виду газ, заключенный в замкнутый объем), – это давление p, объем V, число частиц или число молей ν, температура T, внутренняя энергия U и др. Все эти параметры состояния данной термодинамической системы являются величинами, меняющимися в зависимости от ее взаимодействия с окружающей средой.
Рассматриваемая система может быть отделена от окружающей среды или другой системы полностью изолирующей адиабатической перегородкой. В этом случае взаимодействие систем друг с другом полностью отсутствует. Другой предельный случай – диатермическая перегородка, которая совершенно не препятствует тепловому взаимодействию систем.
При тепловом контакте две системы приходят в состояние теплового равновесия.
Две системы находятся в состоянии теплового равновесия, если при контакте через диатермическую перегородку параметры состояния обеих систем не изменяются.
Нулевой закон термодинамики (закон теплового равновесия):
Две системы, находящиеся в тепловом равновесии с третьей системой, находятся в тепловом равновесии друг с другом.
Температура — одно из основных понятий, играющих важную роль не только в термодинамике, но и в физике в целом.
По определению две системы, находящиеся в тепловом равновесии, обладают одинаковой температурой.
Температура тела — физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы.
Если две системы, находящиеся при разных температурах, привести в тепловой контакт, то между ними происходит передача тепловой энергии, пока не установится тепловое равновесие и температуры не станут одинаковыми. Энергия, переносимая от одной системы к другой только за счет разницы в температурах этих систем, называется количеством теплоты.
Принятое обозначение для количества теплоты: Q, [Q] = Дж.
Следует помнить, что неправильно говорить о количестве теплоты, содержащейся в системе. Можно говорить только о количестве теплоты, которая добавляется к системе или извлекается из нее.
Существуют три способа передачи количества теплоты от одного тела к другому: теплопроводность, конвекция и излучение. Направление теплообмена определяется разностью температур между телами. Теплота при теплообмене всегда передается от более горячего тела к более холодному.
В состоянии теплового равновесия температуры двух систем, содержащих некоторые объемы идеальных газов (необязательно одного сорта), по определению одинаковы:
Т1 = Т2.
Но, как следует из основного уравнения молекулярно-кинетической теории идеальных газов, в состоянии теплового равновесия должны быть одинаковы средние кинетические энергии молекул газов: <Е1> = <Е2>.
Действительно, 2<Е>/3 = р/n = pV/N, а в состоянии равновесия давления и плотности газов должны быть одинаковы. Это дает возможность выбрать <Е> за меру температуры идеального газа.
Высказанная гипотеза проверяется экспериментально. Например, если несколько сосудов, снабженных манометрами и заполненных известными количествами разных газов, поместить в термостат (внешнюю среду, поддерживаемую при постоянной температуре: например, термостатом может быть достаточное количество тающего льда), то отношение pV/N = Q для всех газов будет одинаковым, если только газы достаточно разрежены (близки к идеальным). В принципе, величину Q можно назвать температурой. Заметим, что [Q] = Дж, т.е. при таком определении температура измеряется в энергетических единицах.
Абсолютная температура Т вводится определением
Q = kT (1)
Тогда из формулы pV/N = kT следует, что Т≥0, так как все величины в левой части этого равенства существенно положительны.
Предельная температура – абсолютный нуль – соответствует обращению в нуль давления идеального газа при фиксированном объеме.
Коэффициент k в формуле, связывающей температуру в кельвинах Т с температурой в энергетических единицах Q, называется постоянной Больцмана (в честь Л. Больцмана):
k = 1,38·10–23 Дж/К.
Связь кинетической энергии молекул газа с абсолютной температурой:
pV/N = kT = 2<Е>/3, откуда
(2)
Таким образом, температура есть мера средней кинетической энергии молекул газа.
В соответствии с решением XI Генеральной конференции по мерам и весам (1960) в настоящее время можно применять только две температурные шкалы — термодинамическую и Международную практическую,— градуированные соответственно в Кельвинах (К) и в градусах Цельсия (°С).
Рисунок 1 Температурные шкалы Кельвина, Цельсия, Фарингейта и формулы для пересчёта значений температуры из одной шкалы в другую
В Международной практической шкале температура замерзания и кипения воды при давлении 1,013·105 Па принимается равной соответственно 0 и 100 °С (так называемые реперные точки).
Термодинамическая температурная шкала используется в физике с 1954 г. Эта шкала определяется по одной реперной точке, в качестве которой взята тройная точка воды (температура, при которой лед, вода и насыщающий пар при давлении 609 Па находятся в термодинамическом равновесии). Температура но точки по термодинамической шкале равно 273,16 К (точно). Градус Цельсия равен Кельвину. В термодинамической шкале температура замерзания воды равна 273,15 К (при том же давлении, что и Международной практической шкале), по этому, по определению, термодинамическая температура и температура и Международной практической шкале связаны соотношением Т = 273,15 + t. Температура Т = 0 называется нулем кельвина. Анализ различных процессов показывает что нуль кельвин недостижим, хотя приближение к нему сколь угодно близко возможно.
Удельный объем υ — величина, равна отношению объема V тела к его маccе m Когда тело однородно, т. е. его плотности ρρ = соnst, то υ = V/m = 1/ρ. Так как при постоянной массе удельный объем пропорционален общему объему, то макроскопические свойства однородного тела можно характеризовать общим объемом тела.
Параметры состояния системы могут изменяться. Любое изменение в термодинамической системе, связанное с изменением хотя бы одного из ее термодинамических параметров, называется термодинамическим процессом. Макроскопическая система находится в термодинамическом равновесии, если ее состояние течением времени не меняется (предполагается, что внешние условия рассматриваемой системы при этом не изменяются).
Термометры и их виды
Термометр – устройство, используемое для измерения температуры данного тела путем сравнения с опорными значениями, условно выбранными за точки отсчета и позволяющими установить шкалу измерений. При этом в разных термометрах используются разные связи между температурой и каким-то наблюдаемым свойством прибора, которое можно считать линейно зависящим от температуры.
В общеизвестном ртутном термометре значение температуры определяется по высоте подъема столбика ртути в капилляре. Градуировка этого термометра использует тот факт, что увеличение объема ртути прямо пропорционально температуре. Наиболее распространена в быту шкала Цельсия, в которой за начало отсчета температуры (0 °С) принимается температура тающего льда, а второй опорной точкой (100 °С) является температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении.
Интервал между этими опорными точками делится на градусы.
В термопаре используется зависимость тока, проходящего через контакт двух металлов, от температуры контакта. Один из контактов погружается в тело с опорной температурой (например, в тающий лед, температура которого условно принята за нуль), другой – в исследуемое тело. По разности потенциалов между контактами можно судить о температуре исследуемого тела. По существу, аналогично действует термометр на сопротивлении, в котором используется зависимость сопротивления проводника от температуры.
Работа термометра используемого в работе основана на измерении электрического сопротивления чувствительного элемента датчика и последующем преобразовании его в значение температуры в соответствии с уравнением Каллендара - Ван Дусена:
Rt=R0·[1+A·t+B·t2+C·(t-100ºC)·t3] (3)
где Rt и R0 – значения сопротивлений чувствительного элемента датчика при измеряемой температуре и 0 °С соответственно; A, B, C – индивидуальные градуировочные коэффициенты, устанавливаемые предприятием-изготовителем в процессе градуировки термометра, могут модифицироваться поверителем при проведении периодической поверки.
При измерении положительных температур, то есть при Rt>R0, коэффициент С принимается равным нулю и уравнение (3) приводится к виду:
Rt=R0·(1+A·t+B·t2) (4)
В качестве чувствительного элемента датчика используется миниатюрный пленочный платиновый термометр сопротивления, нанесенный на керамическую подложку. Чувствительный элемент отличается хорошей воспроизводимостью температурной характеристики и долговременной стабильностью.
Результаты измерений выводятся на жидкокристаллический индикатор. Для регистрации результатов измерений во времени термометр может быть подключен к компьютеру посредством кабеля связи, входящего в комплект поставки термометра. Программное обеспечение, также входящее в комплект поставки термометра, позволяет фиксировать результаты измерений, как в графическом, так и в текстовом виде. Кроме этого, программное обеспечение позволяет корректировать градуировочные коэффициенты для уравнения (4), что может потребоваться при проведении периодической поверки.
Конструктивно термометр выполнен в виде переносного прибора, общий вид которого представлен на рисунке 2, где:
1 - пластиковый корпус электронного блока термометра;
2 - разъем датчика температуры;
3 - датчик температуры;
4 - жидкокристаллический индикатор;
5 - разъем для подключения кабеля связи с компьютером;
6 - кнопка включения питания термометра.
В пластиковом корпусе 1 находятся: электронные элементы измерительной схемы термометра, индикатор, соединительные разъемы и элементы питания.
Датчик температуры 3 выполнен в виде щупа из нержавеющей стали, подключаемого к электронному блоку через 4-х контактное разъемное соединение 2. Он может подключаться к электронному блоку как непосредственно, так и через кабель-удлинитель из комплекта поставки термометра.
Результаты измерений температуры выводится на жидко-кристаллический индикатор 4. Кроме этого, при разряде питающих элементов ниже допустимого уровня, в левом верхнем углу индикатора 4 появляется символ «LB» - сигнал к замене элементов питания.
Для подключения термометра к компьютеру служит разъем 5, к которому присоединяется соответствующий разъем кабеля связи.
При использовании программного обеспечения из комплекта поставки, термометр может применяться для регистрации температурных зависимостей с целью их последующей обработки сторонними средствами. Кнопка 6 предназначена для включения и выключения питания термометра.
В газовом термометре постоянного объема используется экспериментальный факт, заключающийся в том, что при постоянном объеме давление газа пропорционально температуре.
Сначала термометр, состоящий из герметичной колбы с газом, соединенной с манометром для измерения давления газа в колбе, приводится в тепловой контакт с системой 1. После установления теплового равновесия система 1 и термометр обладают общей температурой Т1. В этот момент измеряется давление р1 газа в колбе. Затем то же самое повторяется с системой 2. Так как температура пропорциональна давлению, то Т2/Т1 = р2/р1. Остается только выбрать шкалу, заключив соглашение, чему равна температура какого-то выделенного состояния конкретной системы, без труда допускающего воспроизведение. По договоренности за опорную точку принимают тройную точку воды. (см. п. 4.1)
Поиск по сайту: