D7 - WYZNACZANIE CIEPLNEGO RÓWNOWAŻNIKA PRACY PRĄDU ELEKTRYCZNEGO.

Cieplny równoważnik pracy 1

D7 - WYZNACZANIE CIEPLNEGO RÓWNOWAŻNIKA PRACY PRĄDU ELEKTRYCZNEGO.

Cele ćwiczenia

Wyznaczenie wartości cieplnego równoważnika pracy prądu elektrycznego.

Utrwalenie pojęć związanych z przepływem prądu elektrycznego. Utrwalenie umiejętności układania bilansu cieplnego.

Spis przyrządów

Zestaw do wyznaczania cieplnego równoważnika pracy prądu elektrycznego:

zasilacz (z woltomierzem i amperomierzem), naczynie Dewara, termometr cyfrowy. Czajnik elektryczny, cylinder miarowy, stoper.

Zagadnienia

1. Natężenie prądu elektrycznego i jego jednostka.

2. Praca i moc prądu elektrycznego.

3. Bilans cieplny. Cieplny równoważnik pracy prądu elektrycznego.

4. Wyznaczanie pojemności cieplnej kalorymetru.

Literatura

1. A. Zawadzki, H. Hofmokl, Laboratorium fizyczne, PWN, Warszawa, 1964 2. S. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna cz. 2 i 3, PWN, Warszawa, 1964

Cieplny równoważnik pracy 2

Tok postępowania

1. Przygotować zestaw jak na rysunku poniżej.

Rys. Zestaw do wyznaczania cieplnego równoważnika pracy prądu elektrycznego:

Z – zasilacz regulowany ( A – amperomierz, V – woltomierz), G – grzałka, T – termometr, ND – naczynie Dewara

2. Wyznaczanie pojemności cieplnej kalorymetru:

a) podgrzać w czajniku 300-500 ml wody destylowanej do temperatury ok. 50^oC;

b) odmierzyć menzurką 200 ml (mw = 200 g);

c) odczytać temperaturę wody T1, przed samym wlaniem jej do kalorymetru;

d) wlać wodę do kalorymetru, zamknąć go, włożyć termometr, mieszać nim wodę i odczytywać temperaturę co ok. 0,5 min. Zanotować końcową temperaturę T2 (utrzymuje się przez kilkanaście sekund a potem jej wartość obniża się);

e) obliczyć pojemność cieplną kalorymetru k[cal/^oC] (z bilansu cieplnego)

mwcw(T1–T2) = k (T2 –Tpok) .

Cieplny równoważnik pracy 3

3. Wyznaczanie cieplnego równoważnika pracy prądu elektrycznego:

a) odczytać ponownie temperaturę układu - T₃;

b) podłączyć do grzałki o oporze 3zasilacz stabilizowany;

c) włączyć stoper równocześnie z zasilaczem (ok.10V, 4A). (Uwaga: jeśli wartości napięcia i natężenia prądu elektrycznego znacznie różnią się od zadanych, ustawić właściwe wartości, wyłączyć zasilacz, po upływie kilku minut cofnąć się do punktu 3a;)

d) po upływie ok. t = 5 min (mieszać wodę termometrem), odczytać temperaturę końcową t₄.

4. Obliczyć:

a) ciepło Q [cal] dostarczone do układu - z bilansu cieplnego : Q = (mwcw + k) (t4 – t3)

b) pracę W [J] wykonaną przez prąd przepływający przez uzwojenie kalorymetru:

W= U I t

c) cieplny równoważnik pracy prądu elektrycznego  [J/cal]:

Q

W



5. Obliczyć niepewności pomiarowe, porównać uzyskany wynik z wartością tablicową i przeprowadzić dyskusję otrzymanych wyników.

Cieplny równoważnik pracy 4

Wstęp teoretyczny

Praca W potrzebna do przeniesienia ładunku q między punktami o potencjałach V_A i VB wynosi:

W = q (VB – VA) = q U.

gdzie: U  napięcie między punktami A i B

Przy przepływie prądu elektrycznego o stałym natężeniu I w czasie t przeniesiony ładunek q ma wartość:

q = I t . Stąd praca prądu elektrycznego W wyniesie:

W = I U t.

Jeśli opornik w postaci grzałki umieścimy w kalorymetrze z wodą destylowaną to powyższa energia spowoduje jej ogrzanie od temperatury t1 do temperatury t2. Wiąże się to z podniesieniem energii wewnętrznej wskutek dostarczonego do układu ciepła Q.

Q = (cwmw+ k) (t2 – t1)

gdzie: cw  ciepło właściwe wody mw  masa wody

k  pojemność cieplną kalorymetru z opornikiem, termometrem i mieszadłem.

Wykorzystując zależności na obie wartości energii Q i W obliczamy cieplny równoważnik pracy prądu elektrycznego  :

Q

W

 .

Wartość tablicowa  = 4,187 J/cal