ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 5
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
4. Қатты денелердің меншікті жылусыйымдылығын анықтау
Бағдарлама "қатты заттардың меншікті жылусыйымдылығын анықтау" зертханалық жұмысын модельдейді.
Жұмыстың мақсаты: қатты дененің меншікті жылусыйымдылығын анықтау.
Қысқаша мәлімет
Термодинамика (немесе жалпы жылу теориясы) денелер мен табиғат құбылыстарының макроскопиялық қасиеттерін олардың микроскопиялық құрылымына қызығушылық танытпай зерттейді. Жүйенің күйін сипаттау үшін жалпы жүйеге қатысты физикалық шамалар қолданылады, ол термодинамикалық параметрлер (мысалы, қысым, көлем, температура). Егер жүйенің осы параметрлері белгілі бір мәндерге ие болса, өзгермейтін сыртқы жағдайларда тұрақты болып қалуы тепе-теңдік күйі деп аталады. Күйдің өзгеруі жұмыс жасалу кезінде сондай-ақ оған жылу беру (немесе бұру) кезінде болуы мүмкін.
Ішкі энергия U атомдардың немесе молекулалардың жылулық хаостық қозғалысынан және молекулааралық, атомаралық өзара әрекеттесулер мен қозғалыстардың энергиясынан тұрады.
Жылу мөлшері Q - дененің жылу беру кезінде жоғалтатын немесе алатын энергиясы. Термодинамиканың алғашқы басталуына сүйене отырып, жүйеге берілген жылу мөлшері оның ішкі энергиясын көбейтуге және жүйенің сыртқы денелерде жұмыс жасауына (
) кетеді:
.
Жылу алмасу - бұл денеде немесе дененің өзінде жұмыс жасалмай, ішкі энергияны өзгертетін физикалық процесс. Жылу алмасудың үш әдісі бар: жылуөткізгіштік, конвекция, сәулелену.
Жылу алмасу - бұл температура градиентіне байланысты денелер немесе дене ішіндегі аймақтар арасында энергия берудің өздігінен қайтымсыз процесі. Термодинамиканың екінші басына сәйкес жылу аз қыздырылған денеден қыздырылған денеге ауысады. Жылу алмасу әрқашан денелердің температурасын теңестіруге әкеледі.
Жылуөткізгіштік жылу қозғалысы мен микробөлшектердің (атомдар, молекулалар, иондар және т.б.) өзара әрекеттесуі арқылы энергияның дененің неғұрлым қыздырылған бөліктерінен аз қыздырылғанға ауысуы нәтижесінде орындалады. Ең қозғалмалы (яғни жоғары температураға ие) дене бөлшектері бір-біріне тікелей жақындаған кезде өз энергиясының бір бөлігін ең аз қозғалатын дене бөлшектеріне береді. Жылу алмасу процесінде бөлшектер бір-бірімен ең көп байланыста болатын қатты денелердегі жылу өткізгіштік маңызды орынға ие. Мысалы, металл парақты белгілі бір жерде дәнекерлеу кезінде, белгілі бір уақыт өткеннен кейін, температураның жоғарылағанын және парақтың басқа бөліктерінде, олар өз кезегінде қызбағанын көруге болады: жылу жылуөткізгіштік арқылы таралды. Жылу өткізгіштікті тек қатты денелерде және сұйықтықтардың, газдардың немесе булардың қозғалмайтын қабаттарында көруге болады. Жылуөткізгіштіктің сұйықтықтар мен газдарда маңызы аз.
Конвекция (К) (лат. convectio-жеткізу), сұйықтықтардағы, газдардағы немесе сусымалы ортадағы жылуды заттың ағындары арқылы тасымалдайтын жылу алмасу түрі. Табиғи немесе еркін және мәжбүрлі конвекция бар.
Табиғи конвекция ауырлық күшінің өрісінде (немесе үдеуі бар жүйеде) сұйық, сондай-ақ сусымалы заттарды біркелкі емес қыздыру (төменнен қыздыру) арқылы жүзеге асырылады. Температурасы үлкен заттың тығыздығы төмен және FA Архимед күшінің әсерінен температурасы төмен затқа қатысты қозғалады. Күш 
(Δρ-температурасы жоғары және қоршаған ортаның тығыздығының айырмашылығы, V - температурасы жоғары заттың көлемі, g-ауырлық күшінің үдеуі). Сәйкесінше FA күшінің бағыты және жоғары температурадағы зат көлемінің конвекциясы ауырлық күшінің бағытына қарама-қарсы. Конвекция зат температурасының тепе-теңдігіне әкеледі. Белгілі бір затқа тұрақты жылу беру кезінде онда жылуды ең қыздырылған қабаттардан ең аз қыздырылғанға дейін тасымалдайтын тұрақты конвекциялық ағындар пайда болады. Қабаттар арасындағы температура айырмашылығының төмендеуімен қарқындылығы конвекция төмендейді. Жылу өткізгіштік пен ортаның тұтқырлығының үлкен мәндерінде конвекция да әлсірейді. Нөлдік ауырлық жағдайында табиғи конвекция ерекше.
Мәжбүрлі конвекция кезінде заттыңмещысуы негізінен қандай да бір құрылғының (сорғы, араластырғыш және т.б.) әсерінен жүреді. Бұл жағдайда жылудың берілу қарқындылығы жоғарыда аталған факторларға ғана емес, сонымен қатар заттың мәжбүрлі қозғалысының жылдамдығына да байланысты.
Конвекция табиғатта кең таралған, мысалы, жер атмосферасының төменгі қабатында, теңіздер мен мұхиттарда, жер қойнауында, күнде (қабатта оның бетінен Күн радиусының
(20-30)% тереңдігіне дейін) және т.б. конвекция негізінде әртүрлі техникалық құрылғыларда сұйықтықтар мен газдардың салқындауы немесе қызуы жүреді.
Сәулелік жылу алмасу, радиациялық жылу алмасу қандай да бір заттың ішкі энергиясын сәулелену энергиясына айналдыру, сәулелену энергиясын беру және оны затпен сіңіру әсерінен жүзеге асырылады. Іс-әрекеттің барысы сәулелі жылу алмасу осы денелерді бөлетін ортаның қасиеттерімен, жылумен алмасатын денелердің кеңістігінде өзара орналасуымен жүзеге асырылады. Жылу алмасудың басқа түрлерімен салыстырғанда сәулелік жылу алмасудың негізгі айырмашылығы-бұл жылу алмасу бетін бөлетін материалдық орта болмаған кезде де жүруге мүмкіндігі бар, өйткені ол электромагниттік сәулеленудің таралуы нәтижесінде жүзеге асырылады.
Заттың меншікті жылу сыйымдылығы c-бұл заттың 1 кг температурасын 1 градусқа өзгерту үшін денеге қажетті жылу мөлшерін көрсететін скалярлық физикалық шама. Бірлік - 1 Дж / (кг,°с).
Дене жылу алмасу кезінде алған немесе берген жылу мөлшері m дене массасына және оның температурасының өзгеруіне ΔT тура пропорционал. Пропорционалдылық коэффициенті - заттың меншікті жылу сыйымдылығы:
. (4.1)Дененің жылу беру кезінде болатын температурасын есептеу үшін жылу тепе-теңдігінің теңдеуін шығару керек: бір дене берген жылу мөлшері жүйенің басқа денесі қабылдаған жылу мөлшеріне тең. Бұл термодинамикадағы энергияның сақталуының жалпы заңын білдіреді. (Қарастырылып отырған тапсырмада жүйеде жұмыс жасалмағанын ескеріңіз).
(4.2)Әр түрлі денелердің жылусыйымдылығын салыстыру үшін сізге 2 калориметр, жылу мөлшерін анықтауға арналған құрылғы қажет. Калориметр қақпағы бар металл ыдыстан тұрады, ол өз кезегінде шыны тәрізді. Ыдыс басқа, үлкен ыдыста орналасқан тығындарға орнатылады, осылайша бұл ыдыстардың арасында ауа қабаты қалады (сурет. 4.1).
сурет. 4.1
Мұның бәрі осы сақтық шаралары қоршаған кеңістікке жылу қайтаруды азайту үшін қажет. Ыдыс судың белгілі көлемімен толтырылады Vв , оның температурасы тәжірибеге дейін өлшенеді( tсс тең болсын ). Бөлме температурасындағы судың жылу сыйымдылығы: ссу = 4.19 кДж/(кг-ға). Содан кейін массасы mт металл цилиндрін алыңыз, оның жылусыйымдылығын анықтау керек және белгілі бір
tт температураға дейін қыздырыңыз (мысалы, температура t = 100°C болатындай етіп қайнаған судың буына салыңыз). Қыздырылған цилиндр калориметрдің суына батырылады, қақпағы жабылады және калориметрдегі температура орнатылғанша күтеді (бұл су мен дене бірдей температураны қабылдаған кезде болады). Содан кейін бұл температура tк белгіленеді.
Калориметрдегі өлшенген тұрақты соңғы температура және қалған деректер бізге цилиндр жасалған металдың меншікті жылуын есептеуге мүмкіндік береді. Біз қалаған мәнді салқындату арқылы цилиндр қыздырылған кезде су алатын жылудың дәл мөлшерін беретіндігіне сүйене отырып анықтай аламыз, бұл процесс жылу алмасу деп аталады.
Тиісінше, біз келесі теңдеулерді аламыз. Суды жылыту
үшін жылу мөлшері:
,мұндағы cсу ‑ судың меншікті жылу сыйымдылығы (кестелік шама), mсу ‑ таразы арқылы анықтауға болатын судың массасы, tк ‑ термометрмен өлшенген су мен цилиндрдің тұрақты соңғы температурасы, tсс ‑термометрмен өлшенген суық судың бастапқы температурасы.
Металл цилиндрді салқындату үшін жылу мөлшері:
.мұндағы cт ‑ цилиндр жасалған металдың меншікті жылусыйымдылығы (қажетті мән), mт ‑ цилиндрдің массасы, оны өзіңізге орнатуға болады, tт ‑ ыстық судың температурасы және сәйкесінше термометрмен өлшенген цилиндрдің бастапқы температурасы, tк ‑ термометрмен өлшенген су мен цилиндрдің тұрақты соңғы температурасы.
Екі формулада да жылу мөлшері оң мәнге ие болу үшін үлкен температурадан төмен температураны алып тастаймыз.
Жоғарыда айтылғандай, суық су мен металл цилиндр арасындағы жылу алмасу процесіне байланысты олардың жылу мөлшері тең:
→
.Демек, цилиндр материалының меншікті жылусыйымдылығы:
 . | (4.3) |
Жұмыс барысы
-
Виртуалды стендті іске қосыңыз.
Сурет 4.2. Зертханалық қондырғы
2. Зерттелетін үлгінің материалын таңдаңыз: қорғасын, қалайы, мырыш, темір, алюминий.
3. Төменгі оң жақ бұрышта орналасқан mт цилиндрінің массасын кестеде орнатыңыз.
4. mк, ск калориметрінің параметрлерін орнатыңыз.
5. Судың Vсу көлемін орнатыңыз . Судың ссу жылусыйымдылығы белгілі.
6. tсс (t0) судың бастапқы температурасын орнатамыз.
7. Көлемді біле отырып, mсу судың массасын есептеңіз.
8. "Бастау" батырмасын басу арқылы отты қосыңыз және суы бар калориметрді қыздырыңыз.
9. Цилиндрді қыздырылған суға салыңыз, "тоқтату" түймесін басыңыз, цилиндрдің tт температурасын жазыңыз . Ол калориметрдегі судың температурасына тең болады.
10. Цилиндрді суық суы бар калориметрге салыңыз, "Бастау" түймесін басыңыз, жылу тепе-теңдігі орнатылғанша күтіңіз. Жылу тепе-теңдігі кезінде tк температураны өлшеңіз .
11. Есептеу нәтижелері кестеге енгізіледі.
12. Абсолютті және салыстырмалы өлшеу қателігінің бағасын анықтаңыз.
| Кало риметрдегі судың массасы | Кало рриметрдің массасы | Цилиндрдің массасы | Калоримет трдің меншікті жылусыйым дылығы | Судың Б бастапқы те мпературасы | Судың меншікті жылус ыйымдылығы | Цилиндрдің бастапқы температурасы | Соңғы температура |
| Mс, кг | mк, кг | mт,кг | ск, Дж /кг∙℃ | tс, oC | св, Дж/ ℃ | ????т, oC | ????к, oC |
| | | | | | | | |
| Салқын судың темпера турасы | Цилин дрдің меншікті жы ылусыйымдылығы | Меншікті жылусыйым дылықтың кестедегі мәні | Абсолютті қателік | Салыстырмал ы қателік |
| ????сс, oC | ст, Дж /кг∙℃ | Скес, Дж/(кгК) | с, Дж /кг∙℃ | с, % |
| | | | | |
13. Қорытындыларды тұжырымдау.
Бақылау сұрақтары
1. Жылу дегеніміз не?
2. Термодинамиканың 1 және 2 бастауларын тұжырымдаңыз.
3. Сіз жылу берудің қандай түрлерін білесіз? Олардың қайсысы қарастырылып отырған жұмыста жүзеге асырылды? Олардың негізгілерін атаңыз.
4. Калориметр құрылғысын сипаттаңыз. Құрылғының сыртқы және ішкі көзілдірігі арасындағы ауа қабатының рөлі қандай?
5. Егер біз калориметрдегі суды қасықпен араластырмасақ, эксперимент барысында не өзгерер еді? Бұл нәтижелерге қалай әсер етеді?
6. Радиацияның жылу шығынын азайту үшін не істеу керек?
7. Егер бірдей массасы мен бастапқы температурасы бар қатты денелерге бірдей мөлшерде жылу берілсе (барлық материалдар қатты күйінде қалады), онда үлкен жылу сыйымдылығы бар заттың температурасы үлкен, аз жылу сыйымдылығы бар дене температурасынан аз немесе тең болады?
8. Бақылаулардан белгілі болғандай, жаздың күнінде құрлық көлдегі суға қарағанда тезірек қызады және салқындайды. Жер мен судың меншікті жылу сыйымдылығы туралы не айтуға болады (қайсысы үлкен)?
9. Осы жұмысты орындау үшін қажетті негізгі құрылғылар мен жабдықтарды жазыңыз.
Әдебиеттер тізімі
1. Курс физики. Т. 1: Механика. Молекулярная физика / И.В. Савельев. – М.: Наука, 1989.
2. Молекулярная физика / А.К. Кикоин, И.К. Кикоин. – М.: Наука, 1976.
3. Лабораторный практикум по физике / Под ред. А.С. Ахматова – М.: «Высшая школа», 1980.
4. Техническое описание экспериментальной установки ФПТ1-8.
5. Практические рекомендации по обработке результатов измерений: Методические указания / Сост.: Л.П. Муркин, Н.В. Мышкина. – Куйбышев: КуАИ, 1992. .
