Проект "Теплоемкость вещества"

Государственное бюджетное образовательное учреждение

города Севастополя

«Средняя общеобразовательная школа № 14 имени И.С.Пьянзина»

Индивидуальны проект

Тема: Теплоемкость вещества

Подготовил:

Лещев Даниил Артёмович

Руководитель:
Никифорова Валерия Владимировна

Севастополь, 2024 г.

1. Тема проекта

Об опытном определении удельной теплоемкости веществ

2. Актуальность темы (проблема) — Во всех сферах жизнедеятельности человека мы сталкиваемся с проявлениями физики в той или иной форме. Везде и всегда. Казалось бы, ну какое отношение имеет физика к походам или путешествиям. Иногда случаются критические ситуации, когда человек может остаться без своего снаряжения, пригодного для кипячения воды. Можно ли вскипятить воду в «бумажном стакане»

3. Цель —

- Изучение теплоемкости веществ;

- Проведение эксперимента для подтверждения или опровержения гипотезы.

4. Задачи

- Изучить теоретический материал (удельную теплоемкость веществ; теплоемкость воды);

- Собрать экспериментальную установку;

- Провести эксперимент;

- Предоставить результаты;

Основная часть

Удельная теплоёмкость.

Для того чтобы нагреть на определённую величину тела, взятые при одинаковой температуре, изготовленные из различных веществ и имеющие одинаковую массу, требуется разное количество теплоты. К примеру, для нагревания серебра массой 1 кг на 1 ⁰С необходимо количество теплоты, равное 250 Дж, а если нагревать 1 кг цинка - потребуется всего 400 Дж.

Удельная теплоёмкость (с) — это физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать массе 1 кг данного вещества для того, чтобы его температура изменилась на единицу. Удельная теплоемкость показывает, на какую величину изменяется внутренняя энергия 1кг вещества при нагревании или охлаждении его на 1 градус Цельсия.

В Международной системе единиц (СИ) удельная теплоёмкость измеряется в джоулях деленный на килограмм на кельвин, Дж/(кг·К). Иногда используются и внесистемные единицы: калория/(кг·°C) и т. д.

Формула расчёта удельной теплоёмкости:

с =Q / mΔT

где c — удельная теплоёмкость,

Q — количество теплоты, полученное веществом при нагреве (или выделившееся при охлаждении),

m — масса нагреваемого (охлаждающегося) вещества,

ΔT — разность конечной и начальной температур вещества.

Следует помнить, что удельная теплоемкость вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях, разная.

Удельная теплоемкость воды

При температуре 20⁰C и нормальном атмосферном давлении удельная теплоемкость воды в жидком состоянии равна 4183 Дж/(кг·⁰C). Количество тепла, необходимого для нагревания 1 г воды на 1 ⁰C, достаточно для нагревания на 1 градус 9,25 г железа, 10,3 г меди. Аномально высокая теплоемкость воды превращает моря и океаны в гигантский термостат, сглаживающий суточные колебания температуры воздуха. Причем не только большие массы воды, как моря, способы сглаживать эти колебания, но и обычный водяной пар атмосферы. Резкие суточные колебания температуры в районах великих пустынь связаны с отсутствием водяного пара в воздухе. Сухой воздух пустыни почти лишен водяного пара, который мог бы сдержать быстрое ночное охлаждение накалившегося за день песка, поэтому температура воздуха может оказаться не больше 5 °C.

Теплоёмкостью воды объясняется явление различного нагревания воды и суши: так как теплоёмкость твёрдых пород, составляющих поверхность суши, и теплоёмкость воды резко отличаются, то для нагревания до одной и той же температуры воды и песка потребуется различное количество тепла, поэтому днём температура песка выше, чем воды. Вода охлаждается медленнее, чем твёрдые породы, поэтому ночью песок холоднее, чем вода. Как известно, нагревание воздуха происходит не непосредственно лучами солнца, а путём отдачи тепла от нагреваемой поверхности суши и воды. В летнее время создаётся значительная разница температур между поверхностью суши и воды, в силу чего происходит перемещение воздуха в направлении, определяемом разницей температур воды морей и океанов и прилегающей к ним суши.

Как уже было сказано, что удельная теплоемкость - это количество тепла, которое надо сообщить одному килограмму вещества, чтобы увеличить его температуру на один градус. Следовательно, вода требует для своего нагревания очень большое количество тепла. Так как возрастание температуры означает увеличение средней скорости движения молекул, то на молекулярном языке большая теплоемкость воды означает, что ее молекулы очень инертны. Чтобы увеличить среднюю скорость молекул H₂O, им нужно сообщить довольно много энергии, хотя сами молекулы по молекулярным масштабам сравнительно невелики. Все объясняется существованием водородных связей. Так как большая часть молекул связана в довольно большие комплексы, то отдельная "среднестатистическая" молекула H₂O может увеличить свою кинетическую энергию одним из двух способов. Она может, во-первых, освободившись от всех своих водородных связей, начать двигаться самостоятельно. Во-вторых, ускорение всего комплекса молекул приведет, разумеется, к увеличению скорости каждой молекулы H₂O, входящей в этот комплекс. Очевидно, что оба эти способа требуют значительных энергетических затрат, что и приводит к большому значению удельной теплоемкости воды.

Но самое интересное, что теплоёмкость воды снижается при температуре от 0 °С до 37 °С и снова растёт при дальнейшем нагревании.

В связи с этим вода в морях и океанах, нагреваясь летом, поглощает из окружающей среды огромное количество теплоты. А зимой вода остывает и отдаёт в окружающую среду большое количество теплоты. Поэтому в районах, расположенных вблизи водоёмов, летом не бывает очень жарко, а зимой очень холодно.

Из-за высокой удельной теплоёмкости воду широко используют в технике и быту. Например, в системе водяного отопления домов, при охлаждении деталей во время их обработки на станках, в медицине (в грелках) и др.

Именно благодаря высокой удельной теплоёмкости вода является одним из лучших средств для борьбы с огнём. Соприкасаясь с пламенем, она моментально превращается в пар, отнимая большое количество теплоты у горящего предмета.

Опыт, тестирование

Оборудование: бумажный стаканчик, яйцо куриное, сосуд с водой.

В качестве «бумажной кастрюли» используется бумажный стаканчик объемом 0,2 л и средним диаметром 8 см. Расстояние между фитилем и дном стакана должно составлять примерно 2 см.

Порядок выполнения

Подготовили материал и оборудование для проведения опыта.

Нагревали пустой бумажный стаканчик на открытом огне.

Налили в бумажный стаканчик 100 мл воды комнатной температуры.

Положили в воду сырое куриное яйцо и начали нагревать.

Наблюдали за изменением температуры воды (над водой образовался пар, что свидетельствует о повышении ее температуры). Через несколько минут вода закипела.

Варили яйцо в течении 5 минут.

Достали яйцо и убедились в том, что оно сварилось.

Сделали вывод.

Вывод. Температура, при которой закипает вода, меньше температуры при которой загорается бумага. И вода, обладая большой теплоемкостью, «забирает на себя» все тепло от огня и не дает бумажному стаканчику загореться. Следовательно, вода закипела в бумажном стакане и яйцо сварилось.

Заключение

Гипотеза подтвердилась – вода закипела в «бумажной кастрюле». Причина в том, что вода может быть нагрета в открытом сосуде только до температуры ее кипения, т.е. до 100°С.

Вода обладает хорошей теплопроводностью и большой теплоемкостью, поэтому все тепло, которое получает бумага от пламени, вода забирает себе.

Таким образом, вода поглощает избыток теплоты бумаги, не дает ей нагреться заметно выше 100°, т. е. настолько, чтобы она могла воспламениться. Бумага воспламеняется только при достижении температуры приблизительно 450 °С. А у воздуха теплопроводность очень низкая, поэтому он не забирает тепло от бумаги. В результате чего бумага нагревается от огня до высокой температуры и воспламеняется. К тому же роду явлений относится и печальный опыт, который невольно проделывают рассеянные люди, ставящие чайник или кастрюлю без воды: дно прогорает. Причина понятна: температура пламени огромна (около 1000 °С), и только тесное соседство воды спасает его от опасного повышения температуры.