1.    WPROWADZENIE

Energia wewnętrzna układu może być zmieniona poprzez dostarczanie względnie odprowadzanie energii z układu. Odbywać się to może na dwóch drogach: poprzez wykonywanie pracy, bądź też poprzez przepływ energii. Te dwie formy przekazywania energii są sobie równoważne, tak jak to ujmuje I zasada termodynamiki, będąca wyrazem zachowania energii, co można ująć wzorem:

U2 - U1 = L + Q

gdzie:

U – energia wewnętrzna układu

L – praca 

Q – ciepło

Układ może wykonywać pracę ( bez zmiany energii wewnętrznej ) tylko kosztem dostarczonej do układu energii cieplnej lub też może oddać ciepło kosztem wykonanej nad układem pracy mechanicznej. Te dwie postacie energii są sobie równoważne, co stanowi bardzo ważny wniosek z I zasady termodynamiki. Fakt, że pewna ilość jednostek ciepła Q może ulec zmianie na równoważną jej ilość jednostek pracy L zapisywano w następujący sposób:

Q = k · L

Współczynnik proporcjalności k nazywamy cieplnym równoważnikiem pojawił on się dlatego, ponieważ w uprzednio obowiązujących układach jednostek oba rodzaje energii ( cieplna i mechaniczna ) były wyrażone w innych jednostkach ( ilość ciepła mierzono w kaloriach ). W obowiązującym układzie jednostek SI współczynnik ten nie ma miana i liczbowo równa się jedności. Powyższe równanie można zapisać w postaci:

Q = L

Dla eksperymentalnego sprawdzenia tego równania można użyć tzw. kalorymetru elektrycznego, za pomocą którego mierzymy wytworzoną ilość ciepła na skutek wykonania pracy przez prąd elektryczny płynący przez spiralę grzejną kalorymetru. Do kalorymetru przed pomiarami nalewamy wody. Wewnątrz kalorymetru znajduje się spiralka o oporze r, przez którą przepuszczamy prąd doprowadzony do zacisków. Poza tym w kalorymetrze znajduje się termometr, na którym odczytujemy temperaturę. Równoważnik k wyliczmy z równania:

Q = k ·L

podstawiając za L wartość pracy prądu równą:

L = U · I · t

zaś za Q – ilość ciepła otrzymanego w kalorymetrze ze wzoru:

Q = [ m1 · Ck + ( m2 - m1 ) · Cw ] · ( t2 – t1 )

gdzie:

m1 - masa kalorymetru pustego

m2 – masa kalorymetru napełnionego wodą

Ck – ciepło właściwe aluminium

Cw – ciepło właściwe wody [ 4190 J/( kg·K ) ]

t1 – temperatura początkowa wody

t2 – temperatura końcowa wody

Na wartość równoważnika cieplnego pracy otrzymamy następujący wzór:

k = { [ m1 · Ck + ( m2 - m1 ) · Cw ] · ( t2 – t1 ) } ¸ ( U · I · t )

2.    CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest sprawdzenie równoważności pracy i ciepła.

3.    WYKONANIE ĆWICZENIA

·        Ważymy pusty kalorymetr

·        Ważymy kalorymetr napełniony wodą do około 2/3 objętości

·        Zestawiamy obwód według schematu

·        Włączamy na chwilę prąd i opornikiem regulujemy napięcie i natężenie tak, aby amperomierz wykazywał 0,8 ¸ 1,0 A

·        Wyłączmy prąd i mieszając wodę w kalorymetrze odczytujemy ustaloną temperaturę

·        Włączamy prąd, a po upływie 20 – 30 minut wyłączamy i stale mieszając czekamy, aż ustali się najwyższa temperatura t2, którą notujemy

·        Obliczamy średnie wartości napięcia i natężenia

·        Obliczamy równoważnik k , uwzględniając jednostki

4.    TABELA Z POMIARAMI

5.    OBLICZENIA

k = { [ m1 · Ck + ( m2 - m1 ) · Cw ] · ( t2 – t1 ) } ¸ ( U · I · t )

Ck = 896 J/( kg·K )

Cw = 4190 J/( kg·K )

k = { [ 0,0642 · 896 + ( 0,3872 – 0,0642 ) · 4190 ] · ( 301 – 295 ) } ¸ ( 5,5 · 1,4 · 1200 )

k = { [ 57,5232 + 1353,37 ]· 6 } ¸ ( 9240 )

k = 0,9161

6.    ANALIZA BŁĘDU

7.    WNIOSKI

Oszacowanie błędów wielkości podlegających pomiarom, a więc mas, temperatur, napięcia i natężenia przeprowadzamy na podstawie czułości stosowanych przyrządów. Błąd pomiarów temperatury w kalorymetrze nie powinien przekraczać 0,1 K. Ważenie przeprowadzamy z dokładnością do 0,001 kg.

Oprócz błędów przypadkowych w doświadczeniu mamy również do czynienia z błędem systematycznym. Błąd ten można bardzo wydatnie zmniejszyć stosując odpowiednią metodę pomiaru. Zasada tej metody jest następująca. Straty cieplne kalorymetru sprowadzają się do tego, że w czasie pomiaru określony przyrost ciepła DQ przenoszony jest z kalorymetru do otoczenia lub z zewnątrz do kalorymetru. Spowodowane jest to różnica temperatur między otoczeniem ( t0 ) i naczyniem wewnętrznym kalorymetru ( t ). Znak przyrostu DQ jest zależny od tego, która z temperatur jest wyższa. Można przeprowadzić wymianę ciepła w kalorymetrze tak, że od połowy pomiaru temperatura t < t0, a w drugiej połowie t > t0. Wówczas przyrost dodatni DQ jest równy przyrostowi ujemnemu, a wymiana ciepła w kalorymetrze zachodzi tak, jakby strat cieplnych na zewnątrz nie było.

4