Калориметрія: змішування гарячого й холодного
1 · Прогноз
Гарячий алюмінієвий брусок кидають у холоднішу воду. Якщо взяти більший брусок (більшу масу) за тієї самої початкової температури, кінцева температура рівноваги підійметься чи опуститься?
- Більший гарячий брусок підіймає кінцеву температуру рівноваги.
- Більший гарячий брусок опускає кінцеву температуру рівноваги.
- Кінцева температура не залежить від маси алюмінієвого бруска.
2 · Установка
- Відкрийте пресет змішування та натисніть «Скинути». 1 кг води при 290 K (тіло 1) змішається з алюмінієвим бруском при 400 K (тіло 2).
- Увімкніть показ температури рівноваги.
- Задайте масу алюмінієвого бруска для кожного заміру та запишіть температуру рівноваги.
3 · Збір даних
| Маса алюмінію m₂ (kg) | Температура рівноваги T_eq (K) |
|---|---|
| 0.30 | |
| 0.50 | |
| 0.80 |
Побудуйте графік температури рівноваги T_eq (вісь y) проти маси алюмінію m₂ (вісь x) для трьох замірів.
4 · Аналіз
- Для одного заміру обчисліть T_eq = (m₁c₁T₁ + m₂c₂T₂) / (m₁c₁ + m₂c₂) з водою m₁ = 1 кг, c₁ = 4186 J/(kg·K), T₁ = 290 K та алюмінієм c₂ = 900 J/(kg·K), T₂ = 400 K. Порівняйте з таблицею.
- Поясніть, чому збільшення маси гарячого бруска тягне температуру рівноваги вище, хоча його питома теплоємність (900 J/(kg·K)) значно нижча за водяну (4186 J/(kg·K)).
5 · Поглиблення
- Вода має незвично високу питому теплоємність порівняно з більшістю матеріалів. Поясніть, чому прибережні клімати схильні до м'якших коливань температури, ніж континентальні, використовуючи ту саму ідею енергетичного балансу, що й цей експеримент.
- Теплота, втрачена алюмінієвим бруском, має точно дорівнювати теплоті, набутій водою (збереження енергії, без втрат у оточення). Для одного заміру перевірте це, використовуючи Q = mcΔT для кожного тіла.
Фізика цього експерименту
Калориметрична температура рівноваги
Коли два тіла обмінюються теплотою без втрат у оточення, вони осідають на середньозваженій температурі — зваженій теплоємністю кожного тіла m·c, а не лише його масою.