Měrná tepelná kapacita vody

1         Úkol

1.1       Změřte měrnou tepelnou kapacitu vody.

2         Časová dotace

2-4 vyučovací hodiny

3         Pomůcky a materiál

Pro jednu skupinu:

směšovací kalorimetr s elektrickou topnou spirálou, zdroj napětí, potenciometr, ampérmetr, voltmetr, spojovací vodiče, teploměr, stopky, odměrný válec, popř. laboratorní váhy, sada závaží, starší závaží

4         Hlavní a dílčí cíle

4.1       Základní cíle

4.1.1        Schopnost sestavovat elektrické obvody s využitím schématu zapojení.

4.1.2        Schopnost zpracovávat experimentálně získaná data, práce s kalkulátorem.

4.2       Vedlejší cíle

4.2.1        Pro cvičení schopností určit požadovanou veličinu na základě experimentu, nácvik experimentálních dovedností

5         Mezipředmětové vztahy

Biologie, zeměpis

6         Obecný úvod k tématu

Tepelná kapacita tělesa je skalární fyzikální veličina určující množství tepla potřebného ke změně teploty tělesa o 1 K (nebo o 1 .

Jednotkou tepelné kapacity tělesa je J·K^–1. Tepelná kapacita tělesa je značně ovlivněna hmotností tělesa, proto se používá více měrná tepelná kapacita látky.

Jednotkou měrné tepelné kapacity látky je J·kg^–1·K^–1. Měrná tepelná kapacita látky závisí na druhu látky, na jejím skupenství nebo fázi, na teplotě a (zejména u plynů) na způsobu dodávání tepla.

Hodnoty měrné tepelné kapacity látek pro 20 °C nalezneme v tabulkách.

Technicky méně náročná je metoda využívající ohřívání vody elektrickým proudem.  Vodu o známé hmotnosti m budeme ohřívat v kalorimetru s elektrickou topnou spirálou. Jouleovo teplo pak je teplo, které získá voda. Měříme napětí U, proud I, čas t, počáteční teplotu vody t₁ a výslednou teplotu t₂. Teplotní rozdíl

7         Pracovní postup

• Připravíme pomůcky dle seznamu.

Pozn. Před měřením prostudujeme návod k použití kalorimetru, zejména zjistíme dovolené proudové zatížení topné spirály. K ohřívání vody můžeme použít stejnosměrný i střídavý proud.

• Zakreslíme schéma zapojení obvodu.

Pozn. Použijeme-li zdroj střídavého napětí, upravíme značku zdroje ve schématu.

• Odměříme vhodné množství vody a přelijeme do kalorimetru.

Pozn. Je vhodné naplnit kalorimetr zhruba do 3/4, během ohřívání kalorimetr zakryjeme víčkem, abychom omezili ztráty tepla.

• Změříme teplotu t₁ vody v kalorimetru.
• Spojíme obvod (spínačem nebo připojením zdroje) a potenciometrem udržujeme stálý proud.
• Měříme čas a teplotu, hodnoty průběžně zapisujeme do tabulky.

Obr. 1 Elektrický kalorimetr – schéma zapojení obvodu.

Tab. 1 Tabulka pro zápis hodnot měření.

Doprovodné úkoly

1)      1. Kolik tepla je zapotřebí k tomu, aby se voda v rybníku o rozloze 5 arů s průměrnou hloubkou 1,5 m ohřála ze 17 °C na 20 °C? Měrná tepelná kapacita vody je asi 4200  .

2)      2. O kolik °C by se stejným množstvím tepla ohřála zemina stejného objemu jako má voda v rybníku?  Hustota uvažované zeminy je 1 500  a měrná tepelná kapacita 650  .

Řešení:

1. S = 5 ar = 500 m², h = 1,5m, Δt = (20 –17) °C = 3 °C, c = 4200 J·kg^-1·K^-1, ρ = 1000 kg·m^-3;  Q = ?

Q = cmΔt = cρShΔt = 4200·1000·500·1,5·3 J = 9 450 000 000 J  9,5 GJ

2. Q = 9 450 000 000 J, V = Sh = 500·1,5 m³, ρ = 1 500, c = 650 ; Δt = ?

m = ρV = 1500·500·1,5 kg = 1 125 000 kg

8         Metodické poznámky

• Žáky rozdělíme do skupin podle množství souprav.
• Vodu v kalorimetru ohříváme pomalu, abychom dosáhli rovnoměrného ohřevu.
• Neohříváme na příliš vysokou teplotu (max. 30 až 40 °C), aby nebyly příliš vysoké ztráty.
• Upozorníme žáky na správné odečítání objemu vody v odměrném válci, vždy platí dolní „ryska“.
• Při použití ručkových měřicích přístrojů je třeba zkontrolovat správnou polaritu zapojení.
• Vhodné nastavení potenciometru připravíme s „cvičnou“ náplní, abychom během vlastního měření už velikost napětí proudu nemuseli měnit.

První pracovní list pro laboratorní cvičení vybereme podle toho, zda máme k dispozici zdroj stejnosměrného, nebo střídavého napětí, druhý list je v obou případech stejný.