Растворяя, нагреваюсь
4/10Оценивать погрешности в этой задаче не нужно!
ВНИМАНИЕ!
Уважаемые участники! Этот эксперимент вы сможете провести максимум один раз! Поэтому внимательно прочитайте все условие, разработайте план проведения эксперимента, и только после этого приступайте к измерениям!
При растворении веществ может происходить как выделение, так и поглощение теплоты.
В данном задании вам необходимо исследовать выделение теплоты при растворении хлорида кальция (\(\mathrm{CaCl_2}\)) в воде. Эта соль не ядовита, но очень горькая – пробовать ее на вкус не рекомендуется!
Так как при растворении жидкость нагревается, то часть теплоты будет уходить в окружающую среду. Вам необходимо учесть эти потери теплоты.
Часть A. Измерения
Разделите выданный вам порошок на 5 примерно равных частей, разложите эти порции на отдельные бумажки. Измерьте массу каждой порции, подпишите ее на бумажках.
Налейте в пластиковую мензурку \(30 ~мл\) воды. Измерьте ее температуру \(t_0\).
A1. Последовательно засыпайте в мензурку приготовленные вами порции соли. После добавления каждой порции тщательно (но аккуратно) перемешивайте раствор термометром до полного растворения. Измерьте температуру раствора после растворения каждой порции \(t_1, t_2,... t_5,\) а также моменты времени \(\tau_1, \tau_2, ... \tau_5\), в которые вы закончили растворение каждой порции (секундомер надо запустить сразу после того, как вы засыпали первую порцию).
A2. Сразу после того, как растворилась последняя порция, запустите секундомер снова и измерьте зависимость температуры раствора от времени в процессе остывания.
Часть B. Расчеты
B1. Постройте график зависимости температуры раствора от времени в процессе остывания. Считая (конечно, приближенно), что полученная зависимость линейная, определите коэффициент наклона графика \(K\). Какой физический смысл имеет этот коэффициент?
B2. Постройте график измеренной зависимости температуры раствора от массы растворенной соли.
B3. Рассчитайте, каковы бы были температуры раствора (после растворения очередной порции соли), если бы не было потерь в окружающую среду. Постройте график зависимости рассчитанных температур от массы растворенной соли.
B4. Рассчитайте, какое количество теплоты выделяется при растворении \(1 ~грамма\) хлорида кальция в воде.
Удельная теплоемкость воды \(c=4.2~{Дж}/{(г\cdot град)}\).
Считайте, что полная теплоемкость раствора не зависит от массы растворенной соли и равна теплоемкости чистой воды.
Оборудование
Электронный термометр
Электронные весы
Секундомер
Пластиковая мензурка
Вода
Порошок хлорида кальция
▶Показать разборСкрыть разбор
ОтветB1: \[K=0.020~{{}^\circ \mathrm C}/{с}\]; B4: \[q=K_2cm_0=4.3\cdot 4.2\cdot 30=540~Дж\qquad(3)\]
РешениеA1. В таблице ниже представлены результаты измерений температуры раствора от массы растворенного хлорида кальция, а также времена окончания растворения очередной порции соли.
Ответ:
\(m,~г\) 0 2 4 6 8 10 \(t,~^\circ \mathrm C\) 20 28 35.6 41.8 47.7 51.6 \(\tau,~с\) 0 64 144 241 334 455 \(t_1,~^\circ \mathrm C\) 20.0 29.3 38.5 46.6 54.4 60.7 A2. Результаты измерений зависимости температуры раствора от времени в процессе остывания приведены в таблице ниже:
Ответ:
\(t,~^\circ\mathrm C\) 51.6 51.2 50.7 49.9 49.2 48.5 47.7 47.0 \(\tau,~с\) 0 30 60 90 120 150 180 210 \(t,~^\circ\mathrm C\) 46.3 45.6 45.1 43.9 42.9 41.8 40.8 39.8 \(\tau,~с\) 240 270 300 360 420 480 540 600 B1. Ответ:
На графике проведена сглаживающая прямая линия. Видно, что она достаточно точно описывает экспериментальные данные. Коэффициент наклона этой прямой равен:
Ответ:
\[K=0.020~{{}^\circ \mathrm C}/{с}\]
Смысл этого коэффициента очевиден: на столько градусов остывает раствор за \(1~ сек\). Эта величина может использоваться для приближенного учета потерь теплоты, выделившейся в процессе растворения. Отметим, что в данном приближении эта величина не зависит от температуры.
B2. Эти результаты показаны на графике ниже:
Ответ:
B3. Для учета тепловых потерь можно использовать измеренные времена, сколько секунд прошло со времени начала нагревания. В предыдущей части мы нашли, что каждую секунду вода остывает на \(K\), градусов, следовательно, при отсутствии потерь температура была бы выше, поэтому ожидаемые температуры в этом случае были бы равны:\[t_1=t+K{\tau} .\qquad(2)\]В последней строке таблицы в п. A1 приведены эти рассчитанные температуры, они же представлены на графике в п. B2. Видно, что такой упрощенный учет потерь «спрямляет» полученную зависимость.
B4. Коэффициент наклона этого графика равен \(K_2=4.3~{{}^\circ \mathrm C}/{г}\) и показывает, что при растворении \(1 ~грамма\) использованной соли температура повышается на \(4.3~{{}^\circ \mathrm C}\). Отсюда следует, что теплота, выделившаяся при растворении \(1~ грамма\) соли, равна:
Ответ:
\[q=K_2cm_0=4.3\cdot 4.2\cdot 30=540~Дж\qquad(3)\]
Здесь \(m_0=30~г\) – масса воды, \(c\) – ее удельная теплоемкость.
Действительно теплоемкость раствора остается практически постоянной при добавлении соли. По табличным данным и эмпирическим формулам мы рассчитали зависимость теплоемкости от массы растворенного хлорида кальция для наших параметров.
Нагляднее в относительных единицах:
Источник: pho.rs/p/3948.
Похожие задачи
- Установившаяся температура в ванне МОШ 1990/91, 9 кл.
- Смесь снега с солью ВсОШ 1992/2001, 10 кл.
- Теплоёмкость жидкости (C5) ЕГЭ 2007, 11 кл.
- Лёд и конденсация пара (C2) ЕГЭ 2007, 11 кл.
- Количество пара (С2) ЕГЭ 2007, 11 кл.
- Масса льда в калориметре (C2) ЕГЭ 2007, 11 кл.