Изучение процесса остывания воды.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА.

Цель работы: исследовать изменение со временем температуры остывающей воды.

Приборы и материалы: алюминиевый стакан, термометр (ртуть/спирт), чайник с горячей водой (один на всех), прибор фиксации времени, мерный стакан.

Теоритические основы:

Изначально термодинамика – это наука о «движении тепла». Она возникла в начале XIX века как теоретическая база создания тепловых машин (в основном, паровых котлов), послуживших основой промышленной революции. Сейчас стало ясно, что термодинамика описывает энергетические состояния и их изменения в системах, состоящих из огромного числа элементов (тела состоят из атомов!), находящихся в состоянии внутреннего равновесия.

Основными понятиями молекулярной физики и термодинамики являются:

а) молекула - наименьшая часть вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями;

б) атом - часть вещества микроскопических размеров (микрочастица), наименьшая частица химического элемента, обладающая его свойствами.

в) Термодинамическая система – это ограниченная область пространства, занятая ее элементами. Элементы системы (подсистемы) считаются однородными. Граница системы может быть и физической (стенки сосуда) и мысленной. Все, что вне системы – окружающая среда. Термодинамические системы бывают трех видов:

1. Изолированные (нет обмена ни веществом, ни энергией с окружающей средой). Пример – герметичный сосуд с газом с теплоизоляционной оболочкой.

2. Замкнутые (нет обмена веществом с окружающей средой). Пример – герметичный сосуд.

3. Открытые (есть и энерго- и массообмен с окружающей средой). Пример – костер, человек.

г) Равновесное состояние системы - такое состояние системы, при котором в отсутствии внешних воздействий, т.е. в изолированной системе, все параметры системы приобретают определенные значения. Равновесное значение параметра состояния системы определяется как среднее значение параметра за весьма большой, стремящийся к бесконечности промежуток времени;

д) Время релаксации - время, в течение которого система приходит в равновесное состояние. Время релаксации весьма различно для различных систем;

е) Неравновесное состояние. В термодинамике такое состояние системы, выведенной из состояния термодинамического равновесия (в статистической физике - из состояния статистического равновесия). В системе, находящейся в неравновесном состоянии, происходят необратимые процессы, которые стремятся вернуть систему в состояние термодинамического (или статистического) равновесия, если нет препятствующих этому факторов - отвода (или подвода) энергии или вещества из системы (в систему). Если система находится в неравновесном состоянии, то в ней возникают макропотоки вещества ((диффузия), или теплоты (теплопроводность). В противном случае возможно стационарное неравновесное состояние (не изменяющееся со временем).

Рисунок 1: Схематическое изображение различных типов термометров

Указания к работе:

1. Получите у преподавателя порцию горячей воды, залив ее в стакан.

2. Аккуратно поместите в стакан термометр.

3. Определите цену деления и погрешность термометра (схема на рис.1), секундомера (часов).

4. Дождитесь установления показаний на термометре и измерьте температуру воды.

5. Первые три измерения производите каждые 30 с. Следующие пять – раз в минуту, а остальные с интервалом в 3-5 минут. Всего необходимо произвести не менее 15 измерений.

6. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу:

7. По полученным данным постройте на миллиметровой бумаге график изменения температуры с течением времени (T(t)). Эта зависимость носит экспоненциальный характер

.

8. Пользуясь графиком, рассчитайте скорость остывания воды в трех интервалах времени (начальный, серединный и конечный). Для этого разбейте кривую Т(t) на достаточно малые равные промежутки Dt, определите для них интервалы DТ и, используя формулу

,

постройте график

По графику найдите коэффициенты А и α и запишите зависимость с конкретными коэффициентами.

9. После остывания воды вылейте ее в мензурку и определите объем. Рассчитайте массу воды в сосуде (m= ρV). (Проверьте на весах.)

Примечание: ρ_в ~1000кг/м³, 1м³=10⁶мл.

Вопросы для защиты:

· В чашку налили очень горячий кофе. Что надо сделать, чтобы кофе остыл быстрее: налить в него (холодное) молоко сразу или спустя некоторое время?

· Как изменяется скорость остывания воды со временем?

· Какое состояние называют состоянием теплового равновесия?

· Какую систему можно назвать теплоизолированной?

· Что характеризует физическая величина – температура?

· С каким типом термодинамической системы вы имели дело в данной работе?

· Почему вода может испаряться и при 0ºС?

· Может ли человек (животное) являться примером термодинамической системы и почему (какой)?