آزمایش تعیین گرمای ویژه مایعات به روش سردکردن
هدف آزمایش: تعیین گرمای ویژه یك مایع به روش سرد كردن با استفاده از قانون نیوتن و با مقایسه با مایعی كه گرمای ویژه آن معلوم است.
وسایل آزمایش: لوله آزمایش پيركس20*200 (2عدد)، دماسنج جيوهاي دقیق (2عدد)، قلاب s شکل (2عدد)، استند لوله آزمايش، بست10 به 10، ستون با قطر 10 و طول 500 میلیمتر، سه پایه رومیزی کوچک قابل تنظیم، کرنومتر.
تئوری آزمایش
طبق قانون نیوتن، میزان اتلاف حرارت در یك جسم مستقیماً متناسب است با تفاوت دمای جسم و محیط و همچنین این اتلاف حرارت به سطح جسم بستگی دارد. قانون نیوتن را با فرمول زیر میتوان نشان داد:
كه در آن اختلاف دمای جسم و محیط است.
رابطه مزبور را میتوان بصورت زیر نوشت:
با انتگرالگیری از طرفین داریم:
اگر در لحظه اختلاف دما را فرض كنیم، مقدار ثابت رابطه فوق مساوی میشود و داریم:
ملاحظه میشود كه تغییرات دمای جسم یا به عبارت دیگر اتلاف حرارت در یك جسم نسبت به زمان، تابعی لگاریتمی است. میتوان بوسیله آزمایش، منحنی فوق را برای یك جسم پیدا كرد. برای تعیین گرمای ویژه یك مایع به روش سرد كردن به دو طریق میتوان عمل نمود.
الف) هرگاه جرم دو مایع و گرمای ویژه آنها و باشد برای اینكه گرمای دو ظرف از درجه حرارت به برسد هر یك به ترتیب و گرما از دست میدهند و اگر و زمانی باشد كه در طول آن به ترتیب مایع اولی و دومی هر دو از دمای به برسد، رابطه زیر برقرار است:
(1)
ب) هرگاه منحنی سرد شدن دو مایع را بوسیله آزمایش رسم كنیم و در یك درجه حرارت معین خطی به موازات محور زمان رسم نماییم تا منحنیها را در نقاط P و Q قطع كند، گرمای ویژه از رابطه زیر بدست میآید:
(2)
كه و به ترتیب ضریب زاویههای خطوط مماس بر منحنی در نقاط P و Q هستند.
اگر یكی از دو مایع آب باشد، بوده و به سادگی میتوان را محاسبه كرد.
حال اگر از نقاط P و Q دو خط به موازات محور دما رسم كنیم تا محور زمان را درزمانهای و قطع نماید. با معلوم بودن به كمك رابطه میتوان را به سادگی بدست آورد. عدد بدست آمده را با نتیجهای كه به طریق قبل گفته شده مقایسه كنید.
روش آزمایش
لولههای آزمایش را خشك كرده هر یك را جداگانه وزن كنید. برای خشك كردن كردن لولهها بهتر است آنها را با مقدار كمی الكل شسته و در مسیر جریان هوا قرار دهید.
دریكی از لولهها آب و در دیگری مایع مورد آزمایش (الكل) را به ارتفاعهای مساوی بریزید و دوباره آنها را وزن كنید (نظر به اینكه وزن کردن لوله آزمایش محتوی مایع مشکل است بهتر است هریك از لولههای آزمایش را در یك بشر قرار داده با هم وزن كنید) تا وزن آب و مایع بدست آید. سپس این دو لوله را مطابق شكل داخل آكواریوم سیركولاتور قرار دهید و آن را توسط گیره به پایه محكم كنید. سپس در هر لوله یك دماسنج قرار دهید بطوریكه با بدنه لوله آزمایش تماس نداشته باشد. آنگاه آنها را در آكواریوم سیركولاتور قرار دهید بطوریكه هردو مایع كاملاً در آب داخل سیركولاتور قرار گرفته سپس سیركولاتور را روشن كنید تا دمای آن به (حداكثر 46) برسد. دقت كنید كه دماسنجها باید هر دو یك دما را نشان دهند.
در این موقع پایه نگهدارنده لولههای آزمایش را از آكواریوم خارج كنید و درهمین لحظه كرنومتر را به كار انداخته و دقیقه به دقیقه دمای دو مایع را یادداشت كنید. پس از گذشت 10 دقیقه كه تغییرات دما كم میشود میتوانید فاصله زمانی خواندن دماسنجها را زیاد كنید و نتایج اندازهگیری را در جدول زیر درج نمایید.
0
1
2
-
-
در یك دستگاه مختصات منحنی سرد شدن دو مایع را رسم كنید (با ذكر مقیاس و واحد). با توجه به آنچه گفته شد گرمای ویژه الكل را هم از طریق رسم نمودار (رابطه 2) و هم با استفاده از رابطه (1) بدست آورده و نتایج را با هم مقایسه كنید.