Прибор тиндаля по теплоемкости кратко

Обновлено: 28.06.2024

Этот простой метод определения средней теплоемкости, редко применяемый в настоящее время, состоит в том, что испытуемый образец, нагретый предварительно до некоторой точно определенной температуры, за очень короткий промежуток времени, в течение которого его температура предполагается неизменной, переносится в теплоизолированный калориметр. В калориметре находится вещество (чаще жидкость или газ) при более низкой температуре. Охлаждаясь, образец отдает тепло калориметрическому веществу и через него — всей калориметрической системе, которая при этом нагревается.

Известно, что при смачивании дисперсных материалов выделяется некоторое количество тепла (теплота смачивания). Для устранения связанной с этим погрешности в определении теплоемкости испытуемый материал помещается в непроницаемый для жидкости контейнер. Так, В. Фритц и Г. Мозер [41] помещали нагретый уголь в стеклянную ампулу. Аналогичным образом устраняется непосредственный контакт между образцом и калориметрическим веществом (тающий лед) в ледяном калориметре Бунзена. Такое решение приводит, впрочем, к увеличению и без того значительной продолжительности опыта.

Для расширения температурного интервала определения теплоемкости и устранения теплового эффекта смачивания в так называемых массивных калориметрах смешения в качестве калориметрического вещества используются металлические блоки из хорошо проводящих материалов — алюминия, меди и т. п. Массивные калориметры позволяют определять среднюю теплоемкость вплоть до весьма высоких температур.

Теоретической основой метода является вытекающее из закона сохранения энергии равенство изменения энтальпии образца и калориметрической системы с учетом потерь тепла в окружающую среду. Расчетная формула метода для средней удельной теплоемкости в интервале от Т1 до Т2 обычно имеет вид

Г ___ А (Т1 — Т0) + В ПЛ/

Где А и В — постоянные калориметра, причем А имеет физический смысл средней теплоемкости калориметрической системы в интервале от То до Ть а В характеризует тепловые потери (обе постоянные определяются, как правило, калибровкой по веществу с известной теплоемкостью); т — масса образца; Т0 — начальная температура калориметрической системы; Т — конечная температура калориметра с образцом; Т2— начальная температура образца (Т2>Т<>Т0).

Точность метода в значительной степени зависит от соотношения теплосодержаний образца и калориметрической системы, возрастая с увеличением этого отношения. Поэтому для получения результатов с достаточной точностью следует стремиться к относительному увеличению массы образца или его начальной температуры. Последнее обстоятельство является причиной того, что методом смешения невозможно определить истинную теплоемкость.

Метод адиабатического калориметра

Сущность метода состоит в следующем. К образцу, на всех поверхностях которого поддерживаются адиабатные условия (исключающие теплообмен с окружающей средой), периодически или непрерывно подводится точно определенное количество тепла и регистрируется вызванное этим изменение температуры. Расчетная формула метода

С* - ■ где А(2 — подведенное тепло; АТ — изменение температуры образца; т — его масса; А — тепловое значение калориметра, представляющее, по сути, теплоемкость контейнера, нагревателя, датчика температуры и определяемое расчетом или экспериментальным путем.

Для создания адиабатных условий образец с нагревателем окружается специальными экранами, температура которых автоматически поддерживается равной температуре поверхности образца или контейнера с образцом. Часто пространство между образцом и экранами вакуумируется. Например, для определения теплоемкости углей и коксов в интервале 30— 350° С применяли адиабатический калориметр, где шаровой контейнер с образцом и внутренним нагревателем окружен несколькими сферическими экранами, два из которых снабжены автономными нагревателями [42]. Вся система вакуумирована и помещена в термостат.

Как отмечалось выше, особый интерес с точки зрения структурных исследований и развития термодинамического, подхода к процессам переработки твердых горючих ископаемых представляет низкотемпературная зависимость теплоемкости.

На рис. 10 [43] изображена установка для определения теплоемкости твердых тел в интервале температур 1,5—300 К - 58

Рнс. 10. Установка для определения теплоемкости при низких температурах:

/ — калориметр; 2 — гелиевый сосуд Дьюара; 3— азотный сосуд Дьюара; 4, 5 — капка; 6~ стойка; 7 — линия откачки паров гелия; 8 — гелиевый наливной сифон; 9 — вентильная коробка; 10— патрубок для впуска теплообменного газа; // — уплотнение для ввода проводов; /2 — адсорбционный насос; 13— вакуумная камера;

14— фланец; /5—откачная

Она представляет собой вакуумный адиабатический калориметр и криостат. Последний состоит из двух сосудов Дьюара. В наружный сосуд заливается жидкий азот, а во внутренний — жидкий гелий или жидкий азот в зависимости от требуемого охлаждения. Жидкий азот в наружном сосуде находится при атмосферном давлении, а во внутреннем создается вакуум для понижения температуры кипения сжиженного газа.

Вакуумная камера связана с помощью вентильной коробки с системой вакуум-насосов и устройством, дозирующим теплообменный газ —гелий, способствующий ускорению выравнивания температурного поля. После достижения заданной температуры гелий откачивается из камеры.

Конструкция собственно калориметра зависит от вида испытуемого материала. При испытании монолитных образцов он представляет собой полый цилиндр, изготовленный из испы-

Метод диатермической оболочки

Туемого материала, во внутреннюю полость которого введенж капсула с образцовым платиновым термометром сопротивле^ ния. На наружной поверхности этой капсулы намотан нагревав тель из константановой проволоки. I

В случае испытания дисперсных материалов калориметя представляет собой контейн'ер из тонкого медного листа е крышкой, в которую впаян медный стакан для термометра со| противления. На наружной поверхности стакана смонтировав нагреватель. В донышко стакана впаивается медный капилляр! через который после вакуумирования вводится теплообменный! газ — гелий.

Калориметр подвешивается к верхней крышке вакуумной) камеры на тонких капроновых нитях. а

Адиабатные условия при измерении во всех областях тем-; ператур, в том числе гелиевых, обеспечиваются двумя экрана-* ми, снабженными константановыми нагревателями. Поддер! жание адиабатного режима осуществляется по схеме: датчи^

Разности температур (дифференциальная термопара) —фото - компенсационный усилитель — усилитель мощности — нагрева.-« тель экрана. |

Описанная установка в сочетании с прецизионной измеряй тельной аппаратурой обеспечивает получение температурной! зависимости теплоемкости с малой погрешностью в интервале

Где АТ — перепад температур на оболочке; Ь — скорость нагрева; К и А—постоянные калориметра, зависящие от температуры, причем К имеет смысл константы теплопередачи, а А — теплового значения калориметра. Обе постоянные определяются путем калибровки.

Поскольку наиболее трудоемкой частью обработки результатов является определение скорости нагрева, целесообразно применение так называемых скоростемеров — элементов конструкции, генерирующих термо-э. д. с., пропорциональную скорости нагрева. В дифференциальном калориметре таким элементом может служить вторая оболочка, окружающая реторту с эталонным материалом, перепад температур на которой

Применение данного метода для определения теплоемкости твердых горючих ископаемых в процессе пиролиза требует учета ряда специфических обстоятельств:

Возможности химического взаимодействия нагретого угля с - металлической ретортой, вызывающего науглероживание и изменение свойств материала реторты. Во избежание этого исследуемый материал помещается в кварцевую реторту, плотнопритертую к стенкам стального цилиндра;

Вспучивания углей в пластическом состоянии, которое может вызвать нарушение герметичности реторты. Сильно вспучивающиеся угли следует разбавлять инертным материалом (например, кварцевым песком), вводя соответствующие поправки при обработке результатов;

Возможности побочных тепловых эффектов, вызываемых окислением нагретого топлива атмосферным кислородом. Это - вынуждает специальным образом герметизировать реторту с образцом и непрерывно продувать через нее в небольших количествах инертный газ, тщательно очищенный от примеси кислорода.

На рис. 11 показана установка для определения теплоемкости углей и коксов методом диатермической оболочки в интервале температур 20—1000° С.

Диатермический калориметр, входящий в установку, представляет собой разъемный массивный блок, изготовленный из жаропрочного сплава № 437 и имеющий два сверления, в которые помещаются тонкостенные гильзы из того же материала.

Расчет констант К и А во всем рабочем интервале температур производится по формулам «4

Где Сэ — теплоемкость эталона при даннной температуре; АТ и Ь — соответственно разность температурных перепадов на оболочках и скорость нагрева в опытах с эталоном в рабочей реторте; АТ2 и Ь2— то же, для опытов с пустой рабочей ретортой!

Теплоемкость химически чистых А1203 и М^О, используемых в качестве эталонных веществ при калибровке

наглухо, а вставлен в Отверстие, благодаря чему стержень может перемещаться в продольном направлении.

К прибору приложены: жестяной сосуд А для нагревания цилиндров и корытце В для отливания парафиновой пластинки.

Рис. 282. Прибор Тиндаля для сравнения теплоемкостей различных металлов.

1) Опустив цилиндры в сосуд с кипящей водой, нагревать их там в течение, примерно, 10 минут (рис. 282; II). Затем поместить парафиновую пластинку С в раму прибора Тиндаля (рис. 282, I).

2) Перенести цилиндры из воды на раму и опустить их на парафиновую пластинку. Судя по количеству расплавленного парафина, сравнить теплоёмкости веществ.

3) Проверить видимость опыта; для её улучшения принять меры.

б. Опыт II. Плавление под давлением.

Приборы и материалы: 1) Кусок льда (3—5 кг). 2) Гиря или груз весом не менее 10 кГ. 3) Стальная проволока толщиной около 1 мм. 4) Кювета.

Опыт показывает, что при повышенном давлении температура плавления понижается и лёд тает.

1) Положить кусок льда так, чтобы он опирался своими концами на две прочные подставки (рис. 283). Через лёд перекинуть петлёй тонкую проволоку, лучше стальную, и к ней подвесить гирю или какой-либо иной груз (кирпичи, утюги) весом не менее 10 кГ л Лёд под давлением проволоки станет таять, благодаря

Прибор для демонстрации различной теплоёмкости металлов показан на рисунке 282. Основными его частями являются несколько цилиндров одинаковой массы из металлов: алюминия, меди, свинца и железа, укреплённых посредством металлических стержней в планке. Каждый из стержней закреплён в планке не наглухо, а вставлен в Отверстие, благодаря чему стержень может перемещаться в продольном направлении.

Рис. 282. Прибор Тиндаля для сравнения теплоемкостей различных металлов.

Обучающая цель: Ввести понятия количества теплоты и удельной теплоемкости.

Развивающая цель: Воспитывать внимательность; учить думать, делать выводы.

1. Актуализация темы

2. Объяснение нового материала. 50 мин.

Вам уже известно, что внутренняя энергия тела может изменяться как путем совершения работы, так и путем теплопередачи (без совершения работы).

Энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче, называют количеством теплоты. (запись в тетрадь)

Значит и единицы измерения количества теплоты тоже Джоули (Дж).

Проводим опыт: два стакана в одном 300 г. воды, а в другом 150 г. и железный цилиндр массой 150 г. Оба стакана ставятся на одну и ту же плитку. Через некоторое время термометры покажут, что вода в сосуде, в котором находится тело, нагревается быстрее.

Это означает, что для нагревания 150 г. железо требуется меньше количество теплоты, чем для нагревания 150 г. воды.

Количество теплоты, переданное телу, зависит от рода вещества, из которого изготовлено тело. (запись в тетрадь)

Предлагаем вопрос: одинаковое ли количество теплоты требуется для нагревания до одной и той же температуры тел равной массы, но состоящих из разных веществ?

Проводим опыт с прибором Тиндаля по определению удельной теплоемкости.

Делаем вывод: тела из разных веществ, но одинаковой массы, отдают при охлаждении и требуют при нагревании на одно и то же число градусов разное количество теплоты.

1. Для нагревания до одной и той же температуры тел равной массы, состоящих из разных веществ, требуется различное количество теплоты.

2.Тела равной массы, состоящие из разных веществ и нагретые до одинаковой температуры. При охлаждении на одно и тоже число градусов отдают различное количество теплоты.

Делаем заключение, что количество теплоты, необходимое для нагревания на один градус единицы масс разных веществ, будет различным.

Даем определение удельной теплоемкости.

Физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать телу массой 1 кг для того, чтобы его температура изменилась на 1 градус, называется удельной теплоемкостью вещества.

Вводим единицу измерения удельной теплоемкости: 1Дж/кг*градус.

Физический смысл термина: удельная теплоемкость показывает, на какую величину изменяется внутренняя энергия 1г (кг.) вещества при нагревании или охлаждении его на 1 градус.

Рассматриваем таблицу удельных теплоемкостей некоторых веществ.

Решаем задачу аналитическим путем

Какое количество теплоты требуется, чтобы нагреть стакан воды (200 г.) от 20 0 до 70 0 С.

Для нагревания 1 г. на 1 г. Требуется - 4,2 Дж.

А для нагревания 200 г. на 1 г. потребуется в 200 больше - 200*4,2 Дж.

А для нагревания 200 г. на (70 0 -20 0 ) потребуется еще в (70-20) больше - 200 * (70-20) *4,2 Дж

Подставляя данные, получим Q = 200 * 50*4,2 Дж = 42000 Дж.

Запишем полученную формулу через соответствующие величины

4. От чего зависит количество теплоты, полученное телом при нагревании?

Обращаем внимании, что количество теплоты, необходимое для нагревания какого либо тела, пропорционально массе тела и изменению его температуры.,

Имеются два цилиндра одинаковой массы: железный и латунный. Одинаковое ли количество теплоты необходимо, чтобы нагреть их на одно и то же число градусов? Почему?

Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть 250 г. воды от 20 о до 60 0 С.

Какая связь между калорией и джоулем?

Калория – это количество теплоты, которое необходимо для нагревания 1 г воды на 1 градус.

1 кал = 4.19=4.2 Дж

3. Решение задач. 28 мин.

Если прогретые в кипящей воде цилиндры из свинца, олова и стали массой 1 кг поставить на лед, то они охладятся, и часть льда под ними растает. Как изменится внутренняя энергия цилиндров? Под каким из цилиндров растает больше льда, под каким – меньше?

Нагретый камень массой 5 кг. Охлаждаясь в воде на 1 градус, передает ей 2,1 кДж энергии. Чему равна удельная теплоемкость камня

При закалке зубила его сначала нагрели до 650 0 , потом опустили в масло, где оно стыло до 50 0 С. Какое при этом выделилось количество теплоты, если его масса 500 гр.

Какое количество теплоты пошло на нагревание от 20 0 до 1220 0 С. стальной заготовки для коленчатого вала компрессора массой 35 кг.

Какой вид теплопередачи?

Воздух в комнате нагревается через стены.
Через открытое окно, в которое входит теплый воздух.
Через стекло, которое пропускает лучи солнца.
Земля нагревается лучами солнца.
Жидкость нагревается на плите.
Стальная ложка нагревается от чая.
Воздух нагревается от свечи.
Газ двигается около тепловыделяющих деталей машины.
Нагревание ствола пулемета.
Кипение молока.

Читайте также: