اندازه گیری ظرفیت گرمایی گرماسنج (کالریمتر)

اندازه گیری ظرفیت گرمایی گرماسنج (کالریمتر)

1- آشنایی با وسایل و روش اندازه گیری مقدار گرما
2- تعیین گرمای ویژه مواد جامد و مایع
آشنایی:
مقدار گرما از روی میزان تغییری که گرما در خواص قابل اندازه گیری ماده ایجاد می کند ، تعیین می شود. یکی از مناسب ترین این خواص دمای ماده است. گرمای داده شده به ماده در اغلب مواقع سبب بالا بردن دمای آن می شود. میزان گرمایی که دمای جسم را به اندازه واحد دما تغییر می دهد ظرفیت گرمایی جسم نامیده می شود.
اگر مقدار گرمای داده شده به جسم را با Q و تغییر دمای آن را با Δθ نشان دهیم، a، ظرفیت گرمایی جسم از رابطه a=Q/Δθ به دست می آید. برای یک ماده خالص ظرفیت گرمایی واحد جرم آن ماده را گرمایی ویژه آن می نامند و با c نشان می دهند بنا بر این ظرفیت گرمایی جرم m از یک ماده خالص از رابطه A=mc تعیین می شود.
گرمای ویژه آب خالص بنا به تعریف کالری برابر یک کالری بر گرم بر درجه سانتیگراد است . بنا بر این جسمی که ظرفیت گرمایی آن A است در مقابل گرما نقشی معادل A گرم آب دارد. به همین دلیل A را ارزش آبی جسم نیز می نامند.

روش آزمایش :
برای تعیین هر کاری از مشخصه های گرمایی فوق دو (یا چند) ماده با دمای متفاوت اولیه را درون ظرفی که از محیط ایزوله شده باشد یعنی با محیط تبادل گرمایی نکند به نام کالریمتر(گرماسنج) مخلوط می کنند. کالریمتر یک ظرف دو جداره است که بین دو جداره آن خلاء شده است و یا به هر نحو با ریختن مواد عایق گرما، هوای آن خارج شده است. در یک کالریمتر خوب مشابه فلاسک، جدار خارجی آن را برای جلوگیری از تشعشع آینه می کنند. کالریمتر شامل دماسنج ، هم زن، در پوش عایق و در بعضی گونه ها مجهز به یک فیلامای الکتریکی جهت گرم کردن محتویات درون آن است. در آزمایشهای گرماسنجی به دلایل مختلف از جمله داشتن گرمای ویژه کاملا معین و سهولت تبادل گرما و به تعادل رسیدن آن با مواد دیگر مخلوط ، غالبا یکی از مواد مخلوط را آب اختیار می کنند. به هر صورت روش آزمایش به این ترتیب است که mc گرم از یک ماده سرد (که لازم است مایع باشد) با گرمای ویژه Cc را درون کالریمتر می ریزند و پس از هم زدن و تعادل گرمایی داخل دمای آن را اندازه می گیرند. (θc) سپس به سرعت مقداری از یک ماده گرم به جرم mH و گرمای ویژه CH و دمای θH را به ظرف اضافه می کنند پس از حصول تعادل مجدد دمای مجدد دمای مخلوط را اندازه می گیریم (θF ( . طبق اصل اول ترمودینامیک گرمای گرفته شده توسط کلیه اجسامی که در تبادل گرما شرکت می کنند برابر صفر است :
mc Cc (θF - θc) + A (θF - θc) + mH CH (θF - θH) = 0
که در آن A ارزش آبی کالریمتر است.
روش آزمایش :
1) تعیین ارزش آبی کالریمتر : کالریمتر را تمیز و خشک کرده و جرم آن را اندازه می گیریم.(m). سپس در حدود یک ظرفیت آن آب سرد در آن بریزید و مجددا جرم آن را تعیین کنید. پس از هم زدن دمای داخل کالریمتر را اندازه می گیریم (θc) . پس از تعیین دمای آب گرم (θH) در پوش کالریمتر را بر می داریم و به سرعت حدود یک سوم دیگر از ظرفیت ظرف به آن آب گرم اضافه کنید و در پوش کالریمتر را می بندیم و پس از حصول تعادل دمای آن را اندازه می گیریم (دمای تعادل یا نهایی θH ) یک بار دیگر جرم کالریمتر و محتویات آن را اندازه می گیریم . مقادیر را یادداشت کنید. برای بار دوم آزمایش را با مقادیر متفاوت آب سرد و گرم و دمای آنها تکرار کنید.
2) تعیین گرمای ویژه جسم جامد : مشابه مرحله اول رفتار می کنیم با این تفاوت که جسم گرم را جامدی که در آب در حال جوش است می گیریم.




به سوالات زیر پاسخ دهید:



1-چه تفاوتی بین ظرفیت گرمایی و ظرفیت گرمایی ویژه وجود دارد؟
ظرفیت گرمایی مقدار گرمای مورد نیاز برای تغییر دمای جسم به اندازه0C1 است ولی در ظرفیت گرمایی ویژه گرمایی ویژه گرمایی مورد نیاز برای گرم کردن به اندازه یک درجه سانتیگراد برای واحد جرم جسم است.


Top of Form
Bottom of Form
2-آیا ظرفیت گرمایی ویژه به دما بستگی دارد؟
بله – طبق رابطه با آن رابطه عکس دارد.




3-کالری را تعریف کنید و بگویید هر کالری چند ژول است؟
مقدار گرمای مورد نیاز برای تغییر دمای یک گرم آب از 0C 14/5 به0C 16/5 و هر کالری 4/18 ژول است .



4- دما با گرما چه تفاوتی دارد؟
دما معیاری برای حرارت سنجی است ولی گرما صورتی از انرژی است که قابل تبدیل به انرژی مکانیکی است.



5- خطای مطلق و خطای نسبی در اندازه گیری ظرفیت گرمایی کالریمتر را بدست آورید؟

آزمایش های گرماسنجی

ارزش آبی جسم
میزان گرمایی که دمای جسم را به اندازه واحد دما تغییر می دهد ظرفیت گرمایی جسم نامیده می شود. اگر مقدار گرمای داده شده به جسم را با Q و تغییر دمای آن را با Δθ نشان دهیم، A، ظرفیت گرمایی جسم از رابطه A=Q/Δθ به دست می آید.
برای یک ماده خالص ظرفیت گرمایی واحد جرم آن ماده را گرمایی ویژه آن می نامند و با c نشان می دهند بنا بر این ظرفیت گرمایی جرم m از یک ماده خالص از رابطه A=mc. Δθ تعیین می شود.گرمای ویژه آب خالص بنا به تعریف کالری برابر یک کالری بر گرم بر درجه سانتیگراد است . بنا بر این جسمی که ظرفیت گرمایی آن A است در مقابل گرما نقشی معادل A گرم آب دارد. به همین دلیل A را ارزش آبی جسم نیز می نامند.

روش انجام آزمایش های گرماسنجی
برای تعیین هر کاری از مشخصه های گرمایی فوق دو (یا چند) ماده با دمای متفاوت اولیه را درون ظرفی که از محیط ایزوله شده باشد یعنی با محیط تبادل گرمایی نکند به نام گرماسنج(گرماسنج) مخلوط می کنند. به هر صورت روش آزمایش به این ترتیب است که mc گرم از یک ماده سرد (که لازم است مایع باشد) با گرمای ویژه Cc را درون گرماسنج می ریزند و پس از هم زدن و تعادل گرمایی داخل دمای آن را اندازه می گیرند. (θc) سپس به سرعت مقداری از یک ماده گرم به جرم mH و گرمای ویژه CH و دمای θH را به ظرف اضافه می کنند پس از حصول تعادل مجدد، دمای مخلوط را اندازه می گیریم (θF ( .
طبق اصل اول ترمودینامیک گرمای گرفته شده توسط کلیه اجسامی که در تبادل گرما شرکت می کنند برابر صفر است :
mc Cc (θF - θc) + A (θF - θc) + mH CH (θF - θH) = 0
که در آن A ارزش آبی گرماسنج است.


آزمایش1: اندازه گیری ارزش آبی(ظرفیت گرمائی ) گرماسنج

وسایل آزمایش : گرماسنج با سرپوش – دماسنج و هم زن – آب – چراغ بنزن با پایه - بشرکمیت مورد آزمایش : ارزش آبی گرماسنج که با A نشان می دهیم . واحد آن Cal/ ºc می باشد .

تئوری آزمایش:
درآزمایشگاه برای اندازه گیری مقدار گرمای مبادله شده بین مواد مختلف از گرماسنج استفاده می شود که مکانیزم بسیار ساده ای دارد. زمانی که می خواهیم میزان گرمای مبادله شده بین دو ماده راحساب کنیم کافیست جرم مشخصی از هر دو را داخل ظرف ریخته و با بررسی تغییرات دما آن را به دست آورد . ولی بایستی توجه داشت که اجسام به کار رفته در گرماسنج هر چه قدر هم که عایق حرارتی باشند باز هم مقداری گرمای ازدست رفته یا گرفته شده اضافی خواهیم داشت . لذا برای گرماسنج یک عددی با عنوان ارزش آبی تعیین می کنند که تعیین کننده میزان تاثیر گرمایی گرماسنج در این تبادل است.
شرح آزمایش :
1. جرم گرماسنج با تعلقات اندازه می گیریم. مثال: . m' = 809.3 gr
2. مقداری آب داخل گرماسنج ریخته و وزن آن را خالص می کنیم: . m1 = 149.9 gr
3. دمای اولیه آب را اندازه می گیریم: . t1 = 21.5 ºc
4. مقداری آب داخل یک بشر ریخته و وزن آن را اندازه می گیریم . (حدود 100 گرم)
5. آب را روی چراغ می جوشانیم . دمای آب جوش در آزمایشگاه حدود t2 = 96 ºc است.
6. با یک دست سرپوش گرماسنج را برداشته و با دست دیگر آب در حال جوش را داخل گرماسنج می ریزیم.
7. بیشترین دمای به دست آمده را تحت عنوان دمای تعادل ثبت می کنیم:.tp = 48.3 ºc
حال جرم آب جوش را با وزن کردن دوباره گرماسنج به دست می آوریم . m2 = 96.7 gr گرمای گرفته شده به وسیله گرماسنج و متعلقات آن و آب سرد Q1 = (m1Cw + A).(tp – t1) گرمای داده شده به وسیله آب جوش Q2 = m2.Cw.(t2 – tp) Q1 = Q2 => (m1Cw + A).(tp – t1) = m2.Cw.(t2 – tp) = (149.9(gr)*1(cal/gr ºc)+A(cal/°c)).(48.5(ºc)-21.5(ºc)) (96.7(gr)*1(cal/grºc)).(96(ºc)– 48.5 (ºc))= (149.9(gr)*1(cal/gr ºc)+A(cal/°c)) (96.7(gr)*1(cal/grºc)).(96(ºc)– 48.5 (ºc))/ (48.5(ºc)-21.5(ºc))= (149.9(gr)*1(cal/gr ºc)+A(cal/°c)) (96.7(gr)*1(cal/grºc)).(96(ºc)– 48.5 (ºc))/ (48.5(ºc)-21.5(ºc))(149.9(gr)*1(cal/gr ºc)+A(cal/°c)) = 170.12(cal/°c)A(cal/°c) = 170.12(cal/°c) – 149.9(cal/°c) A(cal/°c) = 20.22(cal/°c)

آزمایش2 : اندازه گیری گرمای ویژه اجسام جامد (مثال: فولاد)
وسایل آزمایش :چراغ بنزن – بشر – آب – گرماسنج – دماسنج – قطعات فلزی از جنس های مختلف – میله فلزی و نخکمیت مورد آزمایش : گرمای ویژه مقدار گرمائی است که به یک گرم از هر جسم داده می شود تا دمای آن 1°c افزایش یابد و واحد آن cal/gr°c می باشد و با حرف C نشان می دهند.
تئوری آزمایش :
برای اندازه گیری گرمای ویژه اجسام جامد کافیست گرمای از دست داده یا گرفته شده توسط فلز را از دمای اولیه تا دمای تعادل بررسی کنیم. می دانیم که گرمای گرفته یا از دست داده توسط جامدات با فرمول زیر محاسبه می شود. Q=m1.Cx (t2 – tp) این مقدار گرمائی است که فلز از دست می دهد. دقت کنید که این میزان گرما معادل گرمای گرفته شده توسط آب و گرمای تلف شده به وسیله گرماسنج می باشد.
. Q=(m1.Cx +A )(t2 – tp) که در اینجا A ارزش آبی مربوط به گرماسنج است.
شرح آزمایش و محاسبات :
1. جرم گرماسنج را با درپوش اندازه می گیریم gr 39.5 = m'
2. داخل ارلن آب ریخته و روی چراغ گرما می دهیم تا بجوشد.
3. میله فولادی را داخل آب در حال جوش می کنیم.
4. مقداری آب سرد (حدود cc150) داخل گرماسنج می ریزیم .
5. دمای آب را اندازه می گیریم °c 27 °c 23.5 °c 21.5 t1=
6. جرم گرماسنج را با درپوش و آب داخل آن اندازه می گیریم gr 975.5 m"=
7. جرم آب را خالص می کنیم. gr 136 m2=
8. فولاد را از آب جوش در آورده و داخل آب سرد می کنیم. °c 96 t2=
9. دمای تعادل را ثبت می کنیم. °c 29 °c 27.5 °c 24 tp=
10. جرم فولاد را اندازه می گیریم. gr 20.2 gr 100 gr 45 m1=حال با استفاده از روابط زیر گرمای ویژه (Cx) هر جسم را محاسبه می کنیم:
Q1 = m1Cx (t2 – tp) Q2 = (m2.C + A)(tp – t1) , Q1 = Q2=> m1Cx (t2 – tp) = (m2.C + A)( tp – t1) => Cx = (m2.C + A)( tp – t1) ÷ (t2 – tp). m1=> ...Cفولاد = [(136(gr).1(cal/gr°c)+20(cal/°c)).(24°c-21.5°c)] ÷ [(96°c-24°c).(45gr)] = 0.120 (cal/gr°c)