Лабораторная работа № 5. Сравнение количеств теплоты при смешивании воды разной температуры.
Цель работы: Определить количество теплоты, отданное горячей водой и полученное холодной при теплообмене. Сравнить результаты.
Мы знаем, что внутреннюю энергию тела можно изменить не только за счет работы, но и за счет нагревания тела. При этом процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы называют теплообменом. Изменение внутренней энергии при теплообмене называют полученной или
отданной теплотой. Мы знаем также, что количество теплоты, необходимое для нагревания тела (или выделяемое им при охлаждении), зависит от рода вещества, из которого оно состоит, от массы этого тела и от изменения его температуры:
Измерить количество переданной теплоты можно в калориметрах. Это устройство мы будем использовать в этой работе.
Калориметр состоит из двух сосудов: внутреннего и внешнего. Внешний сосуд должен предохранять внутренний от потери тепла за счет теплообмена с окружающей средой. Сверху оба сосуда закрываются крышкой с установленным на ней термометром.
Если в калориметр налить воды массой m1 при температуре а затем еще добавить воды массой m2 при температуре t2 , то в сосуде начнется теплообмен, а спустя некоторое время установится состояние теплового равновесия. При этом обе части воды будут иметь одну и ту же температуру t, и количество теплоты, отданное горячей водой, равно количеству теплоты, полученной холодной водой. Последнее утверждение составляет смысл уравнения теплового баланса:
Пример выполнения работы:
Количество теплоты, отданное горячей водой:
Количество теплоты, полученное холодной водой:
Количество теплоты, полученное холодной водой, приблизительно равно количеству теплоты, отданному горячей водой.
Точность приближения зависит от потерь теплоты в окружающую среду.
Решебник по физике за 7 класс (С.В Громов, Н.А. Родина, 2000 год),
задача №5
к главе «Лабораторные работы».
Источник
Какое количество теплоты получила или отдала вода
Металлический шарик свободно проходит через кольцо. Если шарик нагреть, то он останется в кольце. Каким физическим явлением это объясняется? В чём состоит это явление?
Это объясняется тепловым расширением. Твердые тела меняют свой объем при нагревании и охлаждении. При нагревании твердые тела расширяются, а при охлаждении — сжимаются.
| Критерии оценивания выполнения задания | Баллы |
|---|---|
| Приведено правильное название и описание явления. | 2 |
| В решении имеется один или несколько из следующих недостатков. Приведено только правильное название явления без его объяснения. В решении имеется неточность в описании явления. | 1 |
| Все случаи решения, которые не соответствуют вышеуказанным критериям выставления оценок в 1 или 2 балла. | 0 |
| Максимальный балл | 2 |
При силе тока 0,1 А напряжение на спирали лампы равно 6 В. Какая мощность выделяется в этой лампе? Ответ дайте в ваттах.
Мощность тока находится по формуле 
Подставляем значения напряжения и силы тока: 
Витя делал на уроке в школе лабораторную работу. В результате он построил график зависимости температуры некоторого изначально твёрдого вещества от количества подведённой к нему теплоты. Масса вещества была равна 50 г. Определите удельную теплоёмкость вещества в жидком состоянии. Ответ дайте в Дж/(кг · °C).
На графике процессу нагревания жидкости соответствует третий участок. Из графика находим, что для нагревания на 40 °С потребовалось 2500 Дж теплоты. Тогда находим удельную теплоемкость тела в жидком состоянии
Дж/(кг · °C).
В электропечи полностью расплавили слиток стали массой 1 т за 2,3 ч. Какова мощность электропечи, если известно, что до начала плавления сталь необходимо было нагреть на 1500 °С? Потерями энергии пренебречь. Ответ дайте в кВт.
Для того, чтобы полностью растопить слиток, необходимо сообщить ему энергию на нагревание до температуры плавления и энергию на сам процесс плавления:
Подставим Q и A в начальное уравнение и выразим P:
Когда Витя катался на теплоходе по Москве-реке, он заметил, что от Северного речного вокзала до причала «Коломенское» теплоход доплыл в 1,5 раз быстрее, чем обратно. Скорость движения теплохода относительно воды не менялась. Определите отношение скорости теплохода относительно воды к скорости течения реки.
Корабль проплыл и по течению, и против течения одинаковое расстояние. Так как время движения от речного вокзала до Коломенского меньше, чем обратно, можно сделать вывод, что вначале теплоход двигался по течению, а обратно — против течения. Запишем формулы для расчета пути в каждом случае:
Из условия следует, что 
Тогда получим равенство
В справочнике физических свойств различных материалов представлена следующая таблица плотностей и удельных теплоёмкостей.
Алюминиевый и железный бруски массой 1 кг каждый нагревают на одно и то же число градусов. Во сколько раз меньше количество теплоты нужно затратить для того, чтобы нагреть железный брусок по сравнению с алюминиевым?
К источнику постоянного напряжения вначале подключают медную проволоку, а затем трубку с разреженным газом, в которой возникает газовый разряд. При этом в каждом случае рядом с проводниками помещают магнитную стрелку. В каком случае магнитная стрелка после замыкания ключа зафиксирует факт появления магнитного поля?
1) ни в том, ни в другом случае
2) только в первом случае
3) только во втором случае
4) в обоих случаях
В первом случае по проволоке течет ток, а значит возникает магнитное поле. Во втором случае между обкладками в трубке с разреженным газом возникает нарастающая разность потенциалов, в результате чего происходит газовый разряд, из этого можно сделать вывод, что разность потенциалов способствует возникновению магнитного поля.
Правильный ответ указан под номером 4.
Света решила заменить воду в аквариуме. Она взяла четыре ведёрка воды, каждое из которых вмещает 5 кг. Измерила температуру воды, она оказалась равной 14 °С. Чтобы получить воду необходимой температуры 20 °С девочка решила долить горячей воды, имеющей температуру 40 °С.
1) Какое количество теплоты получила холодная вода?
2) Сколько горячей воды нужно взять Свете? Считаем, что тепловых потерь не происходило.
Оба ответа дайте с точностью до целых.
Ответ: 1) количество теплоты Дж 2) масса воды кг.
1. Масса холодной воды равна 20 кг. Количество теплоты, которую получила при нагревании вода, рассчитаем по формуле
2. Так как по условию тепловых потерь не было, то количество теплоты, полученное холодной водой, равно количеству теплоты, отданной горячей водой. Тогда масса горячей воды равна
Ответ: количество теплоты 504000 Дж, масса воды 6 кг.
При изготовлении льда в морозильной камере домашнего холодильника потребовалось 7 мин для того, чтобы охладить воду от 4 °С до 0 °С. Удельная теплоёмкость воды cв = 4200 Дж/(кг · °C), удельная теплоёмкость льда cл = 2100 Дж/(кг · °C), удельная теплота плавления льда λ = 330 кДж/кг.
1) Какое количество теплоты отдала вода при охлаждении до 0 °С, если её масса 100 г?
2) Сколько времени потребуется для превращения этой воды в лёд, если мощность холодильника не меняется? Ответ выразить в минутах и округлить до целого числа.
3) Для охлаждения лимонада на празднике Пете потребуется 500 г льда. За какое время до прихода гостей он должен поставить в холодильник воду при температуре 4 °С, чтобы она успела замёрзнуть?
Напишите полное решение этой задачи.
1) Количество теплоты, отданное водой при охлаждении до 0 °C, равно 
Дж.
2) Для того, чтобы данная порция воды замёрзла, она должна отдать холодильнику количество теплоты Так как мощность холодильника не меняется, то
минут.
3) Количество теплоты, которое вода массой M = 400 г должна отдать холодильнику, чтобы охладиться до 0 °С и замёрзнуть, равно
Оно пропорционально массе воды. Так как мощность холодильника постоянна, то
Ответ: 1) 1680 Дж; 2) 137,5 минут; 3) 722,5 минуты.
| Критерии оценивания выполнения задания | Баллы |
|---|---|
| Приведено полное решение, включающее следующие элементы: I) записаны положения теории, физические законы, закономерности, формулы и т. п., применение которых необходимо для решения задачи выбранным способом (уравнение теплового баланса, выражения для количеств теплоты при нагревании/охлаждении; выражение для мощности); II) проведены нужные рассуждения, верно осуществлена работа с графиками, схемами, таблицами (при необходимости), сделаны необходимые математические преобразования и расчёты, приводящие к правильному числовому ответу (допускается решение «по частям» с промежуточными вычислениями; часть промежуточных вычислений может быть проведена «в уме»; задача может решаться как в общем виде, так и путём проведения вычислений непосредственно с заданными в условии численными значениями); III) представлены правильные численные ответы на все три вопроса задачи с указанием единиц измерения искомых величин | 3 |
| Приведено полное верное решение (I, II) и дан правильный ответ (III) только для двух пунктов задачи | 2 |
| Приведено полное верное решение (I, II) и дан правильный ответ (III) только для одного пункта задачи | 1 |
| Все случаи решения, которые не соответствуют вышеуказанным критериям выставления оценок в 1, 2 или 3 балла | 0 |
| Максимальный балл | 3 |
Учитель на занятии физического кружка поручил Коле проверить, можно ли считать, что у подсолнечного и у моторного масла одинаковая удельная теплоёмкость. Коля посмотрел в справочнике, что удельная теплоёмкость моторного масла лежит в диапазоне cсправ = (1,6 ÷ 1,7) кДж/(кг · °C), удельную теплоёмкость подсолнечного масла Коля решил измерить. Для этого он в подсолнечное масло массой mм = 175 г при комнатной температуре tк = 20,0 °C налил кипящую воду массой mв = 220 г. Затем Коля попытался измерить установившуюся температуру воды с маслом. Но, к сожалению, Коле удалось измерить установившуюся температуру крайне неточно — он получил значение t = 81 ± 5 °C. Удельная теплоёмкость воды равна cв = 4200 Дж/(кг · °C).
1) Какое количество теплоты отдала вода маслу, если считать, что установившаяся температура равна 81 °C точно?
2) Какова удельная теплоёмкость подсолнечного масла, если считать, что установившаяся температура известна точно?
3) Можно ли утверждать, что удельная теплоёмкость подсолнечного масла попадает в диапазон табличных значений удельной теплоёмкости моторного масла? Для ответа на этот вопрос рассчитайте, в каком диапазоне значений может находиться удельная теплоёмкость подсолнечного масла, которая получается по результатам проведённого эксперимента.
Напишите полное решение этой задачи.
1) Количество теплоты, отданное водой:
Дж.
2) Удельная теплоёмкость масла:
Дж/(кг · °C).
3) Удельная теплоёмкость подсолнечного масла может быть рассчитана по формуле 
Подставим в эту формулу минимально и максимально возможные конечные температуры. Диапазон возможных значений удельной теплоёмкости масла составляет (1,12 ÷ 2,26) кДж/(кг · °C), что существенно шире диапазона табличных значений для моторного масла. Следовательно, утверждать равенство удельных теплоёмкостей подсолнечного и моторного масел на основе проведённого эксперимента нельзя.
Ответ: 1) 
Дж; 2) 
Дж/(кг · °C); 3) (1,12 ÷ 2,26) кДж/(кг · °C), нельзя.
| Критерии оценивания выполнения задания | Баллы |
|---|---|
| Приведено полное решение, включающее следующие элементы: I) записаны положения теории, физические законы, закономерности, формулы и т. п., применение которых необходимо для решения задачи выбранным способом; II) проведены нужные рассуждения, верно осуществлена работа с графиками, схемами, таблицами (при необходимости), сделаны необходимые математические преобразования и расчёты, приводящие к правильному числовому ответу (допускается решение «по частям» с промежуточными вычислениями; часть промежуточных вычислений может быть проведена «в уме»; задача может решаться как в общем виде, так и путём проведения вычислений непосредственно с заданными в условии численными значениями); Источник  Цены на продукты питания, энергию, топливо, а также  В России мы можем собирать дождевую воду наиболее эффективно |
