Podstawa kalorymetrii:1. Ilość energii potrzebnej do ogrzania ciała o masie m o T (K) lub t (°C) wyraża się wzorem:

Q = cmT lub Q = cmt.

Z zasady zachowania energii (I ZASADY TERMODYNAMIKI) wynika, że:2. Ilość ciepła oddana przez ciało jest równa ilości ciepła pobranej przez ciało otaczające.3. Ilość ciepła pobrana przez ciało przy ogrzaniu od temperatury T1 do T2 jest równa ilości ciepła oddanej przy

chłodzeniu w tym samym zakresie temperatur, jeżeli ciało przechodzi przez te stany pośrednie w odwrotnym porządku.

Ciepło:Ilość energii cieplnej potrzebna do ogrzania l kg dowolnego ciała o jeden stopień nazywa się ciepłem właściwym cw.

.Pojemność cieplna:Ilość ciepła potrzebna do ogrzania całej masy ciała o jeden stopień:Q = C*T, gdzie C = cm.

Kalorymetr:

Przyrządem służącym do wyznaczenia wzrostu temperatury wody po wprowadzeniu ciała badanego jest kalorymetr składający się z dwóch koncentrycznie osadzonych naczyń metalowych N i Z przykrytych przykryciem P z materiału nieprzewodzącego ciepła. Powierzchnia naczyń N i Z jest błyszcząca celem wyeliminowania strat spowodowanych promieniowaniem cieplnym. Naczynie N jest wyposażone w mieszadełko M i termometr T do odczytu temperatury.

Zasada pomiaru:

Badane ciało traci ciepło: ccmc(tc-t2)a zyskuje woda: cwmw(t2-t1)i kalorymetr mkck(t2-t1)

Zgodnie z bilansem ciepła otrzymamy: ccmc (tc -t2) = (cwmw+ mkck) (t2 – t1),a stąd

Termostat:

Termostat składa się z naczynia N, w którym umieszczamy badane ciało i termometr, którego zbiornik z rtęcią umieszczony jest między kawałkami ciała. Naczynie to jest zamknięte korkiem i umieszczone w drugim naczyniu W z wodą. W naczyniu W znajduje się otwór wlewowy i przewód odprowadzający nadmiar pary wodnej.

Krzywa ostygania kalorymetru.

Aby w pomiarze temperatury końcowej możliwie do minimum zmniejszyć ten błąd, wykreśla się tzw. krzywą ostygania. Dla wykreślenia krzywej ostygania należy mierzyć temperaturę w odstępach 30 s. Pomiar temperatury rozpocząć 5 minut przed umieszczeniem badanego ciała w kalorymetrze i kontynuować przez ok. 15 minut. Z otrzymanych danych pomiarowych wykreśla się funkcję t = F():gdzie: - czas, t - temperatura.

Krzywa ABCD została wykreślona na podstawie uzyskanych pomiarów. W czasie odpowiadającym punktowi B wrzucono gorące ciało do kalorymetru. Przedłużając odcinki AB i CD i prowadząc prostą równoległą do osi temperatury w taki sposób, aby powierzchnie pól BB'E i CCE były w przybliżeniu jednakowe otrzymuje się krzywą idealnie szybkiego wyrównania temperatur AB'C'D. Temperaturę odpowiadającą punktowi C' przyjmuje się jako temperaturę końcową.

Wykonanie ćwiczenia- zważyć badane ciało - m- wrzucić kawałki ciała do naczynia N termostatu, sprawdzić, czy dolne naczynie zawiera wodę i

ogrzewać aż do ustalenia się temperatury - t1

- zważyć wewnętrzne naczynie kalorymetru i mieszadełko - mk.- napełnić naczynie kalorymetryczne do połowy wodą i zważyć masę wody - mw.- pięć minut przed wrzuceniem badanego ciała mierzyć temperaturę układu - t2.- szybko wsypać badane ciało do kalorymetru, zamknąć pokrywkę i ciągle mieszając odczytywać

co 30 sekund temperaturę w ciągu 15 minut. Sporządzić krzywą ostygania kalorymetru i odczytać temperaturę końcową — t3.

Zmiany stanu skupienia:Ciała stałe przy pobraniu dostatecznej ilości ciepła przechodzą w stan ciekły.Dla jednych ciał jest to przejście nieostre, co znaczy, że ciała te stopniowo miękną i rozpływają się. Własność taką mają ciała bezpostaciowe, nieposiadające budowy krystalicznej, (np: szkło, masło, lak, żywica). Ciała krystaliczne takie jak lód, metale, liczne związki organiczne mają tę własność, że w pewnym zakresie temperatur występują w postaci stałej, a w innym wyższym zakresie temperatur istnieją tylko jako ciecze. Dla takich ciał można wyraźnie rozgraniczyć trzy okresy procesu topnienia, co ilustruje rys. obrazujący zależność temperatury ciała od dostarczonego ciepła (tzw. krzywa topnienia).

W początkowym okresie dostarczane ciepło powoduje wzrost temperatury ciała stałego aż do osiągnięcia temperatury topnienia (odcinek AB). W następnym okresie, pomimo dostarczania ciepła temperatura ciała nie ulega podwyższeniu a ciało stałe topi się (odcinek BC), tzn. zamienia się w ciecz o tej samej temperaturze. W końcowym okresie można zaobserwować ponowny wzrost temperatury w miarę dostarczania ciepła (odcinek CD). Różnica Q2— Q1 odpowiada tej ilości ciepła, która została zużyta na przeprowadzenie masy m gramów danego ciała stałego w ciecz o temperaturze topnienia. W temperaturze topnienia istnieje równowaga termodynamiczna między ciałem stałym a cieczą.

Ciepło topnienia:Ilość ciepła potrzebną do stopienia l kg ciała w temperaturze topnieniaq=Q/m

Pomiar ciepła topnienia lodu wykonujemy w kalorymetrze. W tym celu kalorymetr napełniamy wodą podgrzaną i wrzucamy kilka kostek osuszonego lodu. W kalorymetrze lód topi się, pobierając ciepło q • m. Woda powstała wskutek topnienia lodu ogrzewa się do temperatury t2, pobierając ciepło cwm(t2-0°C). Topnienie i ogrzewanie odbywa się kosztem ciepła dostarczonego przez kalorymetr i zawartą w nim wodę (ckmk+mwcw)(t1 —t2). Bilans cieplny przyjmie postać:

qm+cwmt2 = (mkck + mwcw)(t1 -t2)q=[(mkck + mwcw)(t1 -t2)]/m- cwt2

Zasada pomiaru:- osuszamy i ważymy kalorymetr (m1)- wypełniamy kalorymetr do 3/4 objętości wodą podgrzaną do ok. 30°C i ponownie ważymy (m2)- przygotowujemy kilka kawałków topniejącego lodu (temp. lodu 0°C)- mierzymy temperaturę wody w kalorymetrze co 30 s, ciągle ją mieszając- po ustaleniu się temperatury wrzucamy osuszone ligniną kawałki lodu- mierzymy temperaturę co 30 s do chwili, gdy przestanie ona opadać- ważymy kalorymetr (m3) - obliczamy masę wody w kalorymetrze mw = m2 -m1 oraz masę lodu m=m3 -m2

- wykreślamy zależność temperatury wody w kalorymetrze od czasu

- z wykresu przez interpolację określamy temperaturę początkową t1 i końcową t2 - obliczamy ciepło topnienia q.

Termometr:Do porównywania stanów cieplnych ciał służą termometry. W termometrach stosuje się ciecze, które silnie

zmieniają swoją objętość pod wpływem zmian temperatury a więc posiadają dużą rozszerzalność objętościową. Są to rtęć i alkohol etylowy.

Najczęściej używany termometr rtęciowy jest niewielką bańką szklaną wypełnioną rtęcią i zakończoną zatopioną kapilarą. Zmiana stanu cieplnego rtęci powoduje zmianę jej objętości w wyniku czego rtęć wypełnia kapilarę do odpowiedniej wysokości. Na skali termometrycznej umieszczonej obok kapilary odczytuje się temperaturę odpowiadającą wysokości słupka rtęci. Stopnie temperatury są liczbami przyporządkowanymi na drodze umowy pewnym, ściśle zdefiniowanym, stanom cieplnym.

Do celów specjalnych skonstruowano wiele odmian termometrów. Powszechnie używane są termometry maksymalne, czyli lekarskie, termometry maksymalno-minimalne są stosowane w meteorologii, termometry Beckmanna z podziałką co 1/1000°C służą do pomiarów bardzo małych różnic temperatur podczas oznaczania ciężaru cząsteczkowego substancji.

We wzorach fizycznych temperaturę traktuje się formalnie jako wielkość mianowaną, której wymiarem jest stopień.