Thực hành đo nhiệt dung riêng, nhiệt nóng chảy riêng, nhiệt hóa hơi riêng SVIP

1. THÍ NGHIỆM ĐO NHIỆT DUNG RIÊNG CỦA NƯỚC

Mục đích: Xác định nhiệt dung riêng của nước.

Cơ sở lí thuyết: 

Cho một lượng nước có khối lượng \(m_n\) và nhiệt dung riêng \(c_n\) vào trong bình nhiệt lượng kế và que khuấy có khối lượng \(m_b\) và nhiệt dung riêng \(c_b\). Ban đầu bình và nước ở nhiệt độ \(T_0\). Đặt vào hai đầu dây nung của bình nhiệt lượng kế một hiệu điện thế $U$ thì dòng điện $I$ chạy qua dây trong khoảng thời gian $t$ sẽ cung cấp cho bình nước một nhiệt lượng $Q$ làm nhiệt độ của nước và bình tăng từ \(T_0\) lên $T$. Nếu thời gian $t$ vừa đủ để nhiệt độ $T$ nhỏ hơn nhiệt độ sôi của nước thì:

\(Q=\left(m_bc_b+m_nc_n\right)\left(T-T_0\right)=UIt\)

Nếu \(m_nc_n>>m_bc_b\) thì ta có thể bỏ qua nhiệt lượng mà bình nhiệt lượng kế và đũa khuấy thu vào. Khi đó:

\(m_nc_n\left(T-T_0\right)\approx UIt\)

Nhiệt dung riêng của nước gần đúng là: \(c_n=\dfrac{UIt}{m_n\left(T-T_0\right)}\)

Tiến hành đo các giá trị $U,\,I,\,t,\,m,\,m_n,\,T_0,\,T$, từ đó tính được giá trị nhiệt dung riêng $c_n$ của nước.

Dụng cụ:

• 1 biến thế nguồn (1);
• 2 đồng hồ đo điện đa năng dùng làm vôn kế một chiều và ampe kế một chiều (2);
• Dây nối (3);
• 1 bình nhiệt lượng kế (có dây nung và que khuấy) (4);
• 1 đồng hồ đo thời gian có độ chia nhỏ nhất 0,01 s (5);
• 1 nhiệt kế có độ chia nhỏ nhất 1 ^oC (6);
• 1 chai nước ở nhiệt độ phòng (7);
• 1 chiếc cân điện tử có độ chia nhỏ nhất 0,01 g (8);
• 1 công tắc điện (9).

Tiến hành thí nghiệm:

Bước 1: Điều chỉnh đơn vị đo của cân là gam (g). Đặt bình nhiệt lượng kế (đã gắn nhiệt kế và que khuấy) lên đĩa cân, hiệu chỉnh cân về số 0,00.

Bước 2: 

• Nhấc bình nhiệt lượng kế khỏi đĩa cân, rót nước ở nhiệt độ phòng vào bình sao cho dây nung ngập hoàn toàn trong nước.
• Đặt bình nhiệt lượng kế chứa nước lên đĩa cân, ghi nhận giá trị khối lượng \(m_n\) và nhiệt độ ban đầu \(T_0\) của nước.

Bước 3: 

• Mắc bình nhiệt lượng kế vào mạch điện như hình 1. Điều chỉnh biến thế nguồn đến giá trị 6 V.

• Đóng công tắc, đồng thời bấm đồng hồ đo thời gian.
• Ghi nhận giá trị hiệu điện thế $U$ trên vôn kế và cường độ dòng điện $I$ trên ampe kế.
• Dùng que khuấy khuấy nhẹ nhàng, liên tục để nước trong bình nóng đều.
• Quan sát và ghi lại thời gian tại mỗi thời điểm mà số chỉ trên nhiệt kế tăng thêm 1 ^oC, 2 ^oC, 3 ^oC theo mẫu bảng 1.

Bước 4: Ngắt mạch điện.

Báo cáo kết quả thí nghiệm:

• Tính giá trị nhiệt dung riêng \(c_n\) của nước trong mỗi lần đo và ghi kết quả theo mẫu bảng 1.
• Tính giá trị nhiệt dung riêng trung bình của nước theo biểu thức:

\(\overline{c}=\dfrac{c_1+c_2+c_3}{3}\)

• Thiết lập biểu thức tính sai số \(\Delta c\) của nước, từ đó viết kết quả theo quy định.

2. THÍ NGHIỆM ĐO NHIỆT NÓNG CHẢY RIÊNG CỦA NƯỚC ĐÁ

Mục đích: Xác định nhiệt nóng chảy riêng của nước đá.

Cơ sở lí thuyết:

Cho một lượng nước có khối lượng \(m_n\) và nhiệt dung riêng \(c_n\) vào trong bình nhiệt lượng kế và que khuấy có khối lượng \(m_b\) và nhiệt dung riêng \(c_b\). Ban đầu bình và nước ở nhiệt độ \(T_0\). Thả vào bình một khối nước đá (0 ^oC) có khối lượng $m_đ$, nhiệt nóng chảy riêng \(\lambda\). Khi đó, có sự trao đổi nhiệt giữa bình nhiệt lượng kế chứa nước và khối nước đá:

• Bình nhiệt lượng kế chứa nước tỏa nhiệt, làm nhiệt độ giảm từ $T_0$ xuống $T$.
• Khối nước đá nhận nhiệt lượng để chuyển từ thể rắn sang thể lỏng ở 0 ^oC (273 K) và tăng nhiệt độ lên $T$.

Phương trình cân bằng nhiệt lúc này:

\(\left(m_bc_b+m_nc_n\right)\left(T_0-T\right)=\lambda m_đ+m_đc_n\left(T-273\right)\)

Nếu bỏ qua nhiệt lượng tỏa ra của bình nhiệt lượng kế và đũa khuấy thì:

\(m_nc_n\left(T_0-T\right)\approx\lambda m_đ+m_đc_n\left(T-273\right)\)

Nhiệt nóng chảy riêng của nước đá gần đúng là:

\(\lambda=\dfrac{m_nc_n\left(T_0-T\right)-m_đc_n\left(T-273\right)}{m_đ}\)

Với các giá trị \(c_n\) đã biết, tiến hành đo các giá trị $m_n,\,m_đ,\,T_0,\,T$, từ đó tính được giá trị nhiệt nóng chảy riêng \(\lambda\) của nước đá.

Dụng cụ:

• 1 bình nhiệt lượng kế (có que khuấy);
• Cốc nước đá;
• 1 nhiệt kế có độ chia nhỏ nhất 1 ^oC;
• 1 chai nước ở nhiệt độ phòng;
• 1 chiếc cân điện tử có độ chia nhỏ nhất 0,01 g.

Tiến hành thí nghiệm:

Bước 1: Điều chỉnh đơn vị đo của cân là gam (g). Đặt bình nhiệt lượng kế (đã gắn nhiệt kế và que khuấy) lên đĩa cân, hiệu chỉnh cân về số 0,00.

Bước 2: 

• Nhấc bình nhiệt lượng kế khỏi đĩa cân, rót nước ở nhiệt độ phòng vào bình nhiệt lượng kế (khoảng \(\dfrac{2}{3}\) bình).
• Đặt bình nhiệt lượng kế chứa nước lên đĩa cân, ghi giá trị khối lượng $m_n$ và nhiệt độ ban đầu $T_0$ của nước theo mẫu bảng 2.
• Lặp lại phép đo khối lượng $m_n$ của nước thêm hai lần.

Bước 3: Đặt lại bình nhiệt lượng kế chứa nước lên đĩa cân, hiệu chỉnh cân về số 0,00.

Bước 4: 

• Nhấc bình nhiệt lượng kế khỏi đĩa cân, cho khối nước đá vào bình nhiệt lượng kế.
• Đậy kín nắp bình nhiệt lượng kế, dùng que khuấy khuấy đều đến khi nước đá tan hết.

Ngay khi nhận thấy nước đá vừa tan hết, ghi giá trị nhiệt độ $T$ của nước theo mẫu bảng 2.

Bước 5: Đặt bình nhiệt lượng kế lúc này lên đĩa cân. Ghi giá trị $m_đ$ của khối nước đá theo mẫu bảng 2. Lặp lại phép đo khối lượng $m_đ$ của khối nước đá thêm hai lần.

Báo cáo kết quả:

Biết nước có nhiệt dung riêng \(c_n=4180\) J/kg.K.

• Tính giá trị trung bình của các đại lượng $m_n,\,m_đ$.
• Xác định sai số dụng cụ trong phép đo các đại lượng $T_0,\,T$.
• Tính giá trị nhiệt nóng chảy riêng trung bình của nước đá theo công thức.
• Thiết lập biểu thức tính sai số \(\Delta\lambda\) của nước đá, từ đó viết kết quả theo quy định.

3. THÍ NGHIỆM ĐO NHIỆT HÓA HƠI RIÊNG CỦA NƯỚC

Mục đích: Xác định nhiệt hóa hơi riêng của nước.

Cơ sở lí thuyết:

Cho một lượng nước vào một ấm đun có công suất $P$. Cấp dòng điện xoay chiều cho ấm đun. Khi nước sôi, mở nắp ấm đun để nước bay hơi ra ngoài làm khối lượng nước giảm dần. Tiếp tục cấp điện cho ấm đun, khi đó công của dòng điện chuyển thành nhiệt lượng làm nước hóa hơi. Gọi \(\Delta m\) là khối lượng nước bị bay hơi sau thời gian $t$, $L$ là nhiệt hóa hơi riêng của nước ở nhiệt độ sôi. Ta có:

\(L\Delta m=Pt\)

Từ đó, ta xác định được nhiệt hóa hơi riêng của nước:

\(L=\dfrac{Pt}{\Delta m}\)

Với giá trị $P$ đã xác định, ta tiến hành đo các giá trị $m,\,t$, từ đó tính được giá trị nhiệt hóa hơi riêng $L$ của nước.

Dụng cụ:

• 1 chiếc cân điện tử có độ chia nhỏ nhất 0,01 g;
• 1 ấm đun nước siêu tốc (loại 1,8 lít);
• 1 đồng hồ đo thời gian có độ chia nhỏ nhất 0,01 s;
• 1 chai nước ở nhiệt độ phòng.

Tiến hành thí nghiệm:

Bước 1:

• Điều chỉnh đơn vị đo của cân là gam (g). Đặt ấm đun lên đĩa cân, hiệu chỉnh cân về số 0,00.

•  Nhấc ấm đun khỏi đĩa cân, rót nước từ từ vào ấm đun đến giá trị khoảng 320,00 g.

Bước 2: Đặt ấm đun chứa nước lên đĩa cân, bật công tắc để bắt đầu đun nước. Khi nước vừa sôi, mở nắp ấm đun để nước bay hơi. Khi thấy cân điện tử chỉ 300,00 g thì bắt đầu bấm đồng hồ đo thời gian.

Bước 3:

• Khi thấy số chỉ trên cân điện tử giảm còn 250,00 g (là khối lượng $m$ của phần nước còn lại trong ấm đun) thì ghi nhận thời gian $t$ và khối lượng $m$ theo mẫu bảng 3.
• Lặp lại phép đo $t$ và $m$ khi số chỉ trên cân điện tử lần lượt giảm còn 200,00 g và 150,00 g.

Báo cáo kết quả thí nghiệm:

• Tính giá trị của đại lượng $L$ trong mỗi lần đo, từ đó tính giá trị trung bình của đại lượng này.
• Thiết lập biểu thức tính sai số \(\Delta L\) của nước, từ đó viết kết quả theo quy định.

Thiết kế phương án và thực hiện phương án đo được nhiệt dung riêng, nhiệt hóa hơi riêng của nước và nhiệt nóng chảy riêng của nước đá bằng dụng cụ thực hành.