گرماسنجی (کالریمتری)

هدف آزمایش:

1. تعیین ارزش آبی گرماسنج

2. اندازه‌گیری گرمای ویژه جامدات

3. اندازه‌گیری گرمای نهان ذوب یخ

ملاحظات نظری:

اگر دو جسم A و  Bبا دماهای متفاوت را به هم نزدیک سازند پس از اندک زمانی آن جسم که گرمتر است سرد و جسمی که سردتر است گرم می‌شود تا آنجا که هر دو به یک دمای تعادل برسند. اگر جسم A گرم و دمای آن T باشد و جسم B، سرد و دمای آن t باشد، بعد از تعادل هر دو به درجه t'  میرسند، بدیهی است t'  از T کوچکتر و از t بزرگتر است.

اگر گرمای لازم برای اینکه m  گرم جسم از دمای t1 به t2 برسد به اندازه Q باشد، اختلاف دما ∆t=t2-t1  است و نسبت Q∆t  را ظرفیت گرمایی گویند.

ظرفیت گرمایی واحد جرم هر جسم را، ظرفیت حرارتی مخصوص یا گرمای ویژه می‌نامند. بنابراین C=QM∆t ، یا به عبارت دیگر گرمای ویژه هر جسم، مقدار گرمایی است که یک گرم جسم می‌گیرد تا دمایش یک درجه تغییر کند. گرمای ویژه آب را واحد گرما قرار داده‌اند و به آن کالری می‌گویند. بنابراین کالری مقدار گرمایی است که یک گرم آب می‌گیرد تا دمای آن یک درجه سلسیوس تغییر کند. (به طور دقیق‌تر دمای آب از 14.5℃ به 15.5℃ برسد). یک کیلوکالری برابر هزار کالری و 106  کالری برابر یک ترمی است. در اندازه‌گیری کمیت‌های گرمایی به وسیله گرماسنج، مقدار گرمایی که گرماسنج و متعلقاتش می‌گیرند تا دمای آن‌ها یک درجه بالاتر رود ظرفیت گرمایی یا ارزش آبی گرماسنج گویند. اگر جرم ظرف گرماسنج و هم زن و دماسنج و... به ترتیب m3و m2و m1 ... باشد و گرمای ویژه آن‌ها  c3 و c2و  c1 ... باشد ارزش آبی گرماسنج دارای فرمول زیر است:

A=m1c1+m2c2+m3c3+…

گرمای نهان یک جسم مقدار گرمای لازم برای تغیر حالت یک گرم از جسم در درجه حرارت ثابت می‌باشد. این گرما را برای تغییر حالت از جامد به مایع گرمای نهان ذوب(F)  و برای تغییر حالت از مایع به بخار گرمای نهان تبخیر (L) می‌نامند.

روش آزمایش:

1. جرم گرماسنج را توسط ترازو بدست آورید و آنرا M1 بنامید.

2. مقداری آب حدود کمتر از 13  حجم ظرف داخل کالریمتر ریخته و با توزین مجدد جرم آنرا بدست آورید و آنرا M2 بنامید. بنابراین جرم آب داخل گرماسنج M خواهد بود

M=M2-M1

3. با دماسنج دمای اولیه گرماسنج و اشیاء داخل آن را اندازه‌گیری کنید و آنرا t1 بنامید.

4. گرماسنج را برداشته و روی میز آزمایشگاه قرار دهید سپس مقداری آب جوش در حدود 13  حجم ظرف تهیه کرده و T1 دمای آب جوش را اندازه بگیرید.

5. آب جوش را داخل گرماسنج ریخته و بهم بزنید و سپس به وسیله دماسنج t2 دمای تعادل را یاداشت کنید.

6. گرماسنج را بار دیگر وزن کرده و M3 جرم آنرا بدست آورید. بنابراین جرم آب جوش m=M3-M2  خواهد بود. طبق اصل تعادل حرارتی می‌توان نوشت:

Mct2-t1+m1c1t2-t1+m2c2t2-t1+m3c3t2-t1=mc(T1-T2)

گرمایی که آب جوش داده است = گرمایی که دماسنج گرفته است + گرمایی که همزن گرفته است +گرمایی که ظرف گرماسنج گرفته +گرمایی که آب داخل  گرماسنج  گرفته

یا:

                                                                         {     مقداری ثابت          }     

ارزش آبی ظرف کالریمتر و دماسنج و هم‌زن را مجموعا ارزش آبی گرماسنج یا کالریمتری گویند و با حرف A نمایش می‌دهند:

Mc+At2-t1=mc(T1-t2)

با حل معادله بالا ارزش آبی گرماسنج را بدست آورید.

آزمایش ب: تعیین گرمای ویژه یک نمونه جامد

1. مقداری آب در حدود 13  حجم ظرف داخل کالریمتر ریخته و پس از توزین، جرم آب درون آن‌ را از روشی که در قسمت قبل گفته شد بدست آورده نام آن ‌را M بنامید و با همزمان دمای آب داخل کالریمتر را اندازه گرفته و آنرا t1 بنامید.

2. جسم جامد مورد نظر را به دقت توزین کرده و آنرا m بنامید.

3. جسم جامد مورد نظر را به نخی بسته داخل ظرف آبی که در حال جوشیدن است قرار دهید. حدود 10 دقیقه صبر کنید تا دمای جسم و آب یکی شود و نقطه جوش آب یا درجه حرارت جسم (T) را با دماسنج معلوم کنید.

4. با دقت و خیلی سریع جسم را ا ز آب جوش در آورده و داخل کالریمتر قرار دهید و بوسیله همزن بهم بزنید تا وقتی که دماسنج درجه ثابتی را نشان دهد این درجه را که دمای تعادل است یادداشت نموده و آنرا t2 بنامید.

در رابطه زیر:

Mc+At2-t1=mc'(T1-t2)

مقادیر لازم را قرار دهید و c'  ظرفیت گرمایی ویژه جسم جامد مورد نظر را محاسبه کنید. (A ارزش آبی گرماسنج می‌باشد)

آزمایش پ: اندازه‌گیری گرمای نهان ذوب یخ

1. کالریمتر را تا نیمه آب کنید و طبق روشی که در قبل گفته شد جرم آب درون آن را بدست آورید و دمای آنرا نیز t1 بنامید.

2. چند تکه یخ را برداشته و سریعا داخل کالریمتر ریخته و بهم بزنید تا تمام یخ ذوب شود. در این حالت دمای تعادل یعنی t2 را یادداشت نمایید.                   

3. کالریمتر را توزین کرده و جرم یخ را بدست آورید و آنرا m بنامید.

4. با توجه به قسمت‌های قبل فرمول بدست آوردن گرمای نهان را بدست آورده و از آن طریق گرمای نهان ذوب یخ، F، را بدست آورید.

5. خطای مطلق ΔF را محاسبه کنید.

پرسش:

1. به دو جرم مساوی از دو جسم جامد و مایع به اندازه مساوی گرما می‌دهیم با توجه به آزمایش‌های انجام شده دمای کدامیک بیشتر است؟

2. در آزمایش‌های گرماسنجی همانطوری که دیدید دمای آب اولیه داخل کالریمتر را کمی بیشتر یا کمتر از دمای محیط می‌گیریم در چه صورت دما بیشتر انتخاب می‌کنیم و چرا؟

3. چرا در اکثر آزمایش‌های مربوط به تعادل گرمایی از آب استفاده می‌شود؟