1.14: Энтальпия

1. Измерьте удельную теплоемкость свинца и продемонстрируйте первый закон термодинамики.

1. Возьмите весы, образец свинца, две чашки из пенополистирола, стакан объемом 300 мл (или больше), нагревательный элемент, термометр, кусок веревки, воду комнатной температуры, стержень, прикрепленный к подставке с помощью зажимов, градуированный цилиндр и ножницы.
2. Отрежьте небольшую часть верхней части одной из чашек из пенополистирола, чтобы она могла служить крышкой для другой чашки. Сделайте в дне небольшое отверстие, достаточно большое, чтобы через него мог пролезть градусник, но не больше обхвата термометра.
3. Отмерьте 220 мл воды с помощью мерного цилиндра и налейте ее в немодифицированную чашку из пенополистирола. В качестве альтернативы можно взвесить 220 г воды.
4. Поместите модифицированную чашку из пенополистирола поверх чашки с водой так, чтобы она действовала как крышка; Убедитесь, что он плотно прилегает. Если нет, внесите соответствующие изменения.
5. Измерьте температуру воды и запишите ее в таблицу Таблица 1. Вода должна быть комнатной температуры.
6. Наполните стакан достаточным количеством воды, чтобы образец свинца мог быть полностью погружен в воду. Поместите образец в стакан с водой и убедитесь, что воды достаточно. Нагрейте воду до кипения с помощью нагревательного элемента.
7. Приложите веревку к образцу свинца так, чтобы его можно было подвесить в кипящую воду. Поместите образец в воду так, чтобы веревка была доступна для его перемещения позже.
8. Подождите не менее 5 минут, чтобы образец пришел в тепловое равновесие с кипящей водой. Когда образец свинца будет извлечен из кипящей воды, его температура будет очень быстро снижаться. Измерьте температуру образца вне кипящей воды. Приступайте к помещению образца в кофейную чашку калориметром сразу после снятия его температуры. Она может быть значительно ниже 100 °C. Запишите эту температуру в таблицу Таблица 1.
9. Поворачивайте систему кофейной чашки/свинца, чтобы обеспечить однородную смесь. Следите за изменением температуры на термометре. Как только она перестанет меняться, запишите эту температуру в таблицу Таблица 1.
10. Используя изменения температуры воды и образца свинца, а также учитывая удельную теплоемкость воды, рассчитайте удельный напор свинца с помощью Уравнение 1.

Энтальпия — это вид энергии, который течет между объектами с разной температурой.

Чтобы понять энтальпию, необходимо быть знакомым с первым законом термодинамики, который гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, она может только менять форму. При этом общее количество энергии в системе постоянно.

Концепция энтальпии очевидна в кастрюле с водой на плите. Тепло, обозначаемое буквой Q, самопроизвольно перетекает из горячей печи в более холодную воду. В ответ температура воды повышается. Однако, поскольку это открытая система, происходит некоторая потеря тепла в окружающую среду.

С другой стороны, система может быть термодинамически изолирована, как термос, наполненный горячей водой, где тепло не передается между системой и окружающей средой. Если вы уроните кусок холодного металла в эту систему, тепло самопроизвольно перетечет из горячей воды в более холодный металл. Таким образом, если мы применим первый закон термодинамики к этой изолированной системе, то можно сказать, что теплота, теряемая водой, или Qout, равна теплоте, поглощенной металлом, или Qin.

В этом видео мы продемонстрируем этот простой эксперимент по теплопередаче, который проверяет первый закон термодинамики.

Прежде чем углубиться в протокол, давайте рассмотрим некоторые важные понятия, связанные с этим экспериментом. Как мы уже говорили, тепло, или Q, — это тип энергии, который спонтанно передается от горячего объекта к холодному.

Теплоту часто путают с температурой, которая является мерой средней кинетической энергии всех отдельных молекул вещества. Например, рассмотрим большой и маленький кусок горячего алюминия в тепловом равновесии. Они оба имеют одинаковую температуру, однако меньший кусок металла имеет меньше тепловой энергии, чем другой, потому что в нем меньше молекул и меньше масса.

Соотношение между теплотой и температурой определяется по формуле: Q = mC?T. Таким образом, количество тепла, необходимое для повышения температуры, зависит от массы, м, что имеет смысл, так как для повышения температуры требуется меньше тепла на 1 грамм алюминия в отличие от 1 кг.

Другим фактором является С, или теплоемкость, которая зависит от материала. Например, древесина обладает более высокой теплоемкостью, чем алюминий. Это значит, что для повышения температуры 1 кг алюминия нужно меньше тепла, чем 1 кг дерева.

C — это константа, которая определяется как количество тепла, необходимое для повышения температуры единицы массы вещества на один градус. Эти значения были рассчитаны эмпирически для многих распространенных материалов, таких как вода.

В следующем разделе мы увидим, как экспериментально рассчитать C для свинца с помощью калориметра, который обеспечивает термодинамически изолированную систему.

Во-первых, приобретите две чашки из пенополистирола, которые будут действовать как изолированный калориметр в этом эксперименте. Отрежьте небольшую часть от верхней части одной чашки, чтобы она могла служить крышкой для другой. Проделайте небольшое отверстие в крышке, чтобы термометр плотно пролегал через него

Налейте 220 мл воды в немодифицированную чашку, затем накройте крышкой сверху. Измерьте температуру воды.

Затем наполните стакан достаточным количеством воды, чтобы образец свинца мог быть полностью погружен в воду. Поставьте стакан на горячую плиту, и доведите воду до кипения.

Взвесьте образец свинца и запишите массу. Затем прикрепите веревку и подвесьте ее с помощью кольцевой подставки. Погрузите образец свинца в кипящую воду до полного покрытия водой.

Подождите пять минут, чтобы образец достиг теплового равновесия с кипящей водой. Выньте пробу из кипящей воды, и запишите ее начальную температуру.

Быстро поместите горячий образец в чашку, а сверху закройте крышкой. Проденьте термометр обратно через отверстие в крышке.

Перемешивайте кофейную чашку со свинцовым образцом, чтобы обеспечить равномерную температуру. Следите за изменением температуры на термометре и записывайте окончательную стабилизированную температуру.

Из первого закона термодинамики мы знаем, что в этом эксперименте горячий кусок свинца передавал тепло более холодной воде. Если предположить, что калориметр представляет собой термодинамически изолированную систему, то теплоотдача от свинца равна теплоотдаче воды. Используя формулу Q = mC?T, мы получим следующее уравнение.

Из эксперимента мы знаем массу свинца и воды, а также изменение температуры свинца и воды. Также известна теплоемкость воды. Таким образом, можно рассчитать теплоемкость свинца.

Это отлично согласуется с известной теплоемкостью свинца, 0,128. Этот результат подтверждает первый закон термодинамики.

Принципы теплопередачи и сохранения энергии применимы ко многим повседневным событиям, но часто остаются незамеченными. Вот несколько примеров.

Простой эксперимент с использованием воды и льда демонстрирует первый закон термодинамики и теплопередачи за счет теплопроводности. Изначально стакан с водой находится комнатной температуры и охлаждается с добавлением льда. В конце концов, лед тает, а вода и растаявший лед достигают одинаковой температуры, так как тепло передавалось от воды к льду.

Однако, поскольку система не изолирована от окружающей среды, в конечном итоге более теплое помещение передает тепло воде, повышая температуру.

Другим примером теплопередачи является передача тепла между Солнцем и Землей. Однако это происходит за счет теплового излучения, поскольку температура Солнца намного выше, чем у Земли, тепло течет от Солнца к Земле. Однако не все тепло передается Земле, так как часть теряется для других тел во Вселенной и в окружающей среде.

Вы только что посмотрели введение JoVE в теплоту и первый закон термодинамики. Теперь вы должны понять основную концепцию тепла и сохранения энергии. Спасибо за просмотр!