1-  آشنایی با وسایل و روش اندازه گیری مقدار گرما

2-  تعیین گرمای ویژه مواد جامد و مایع

آشنایی:

  مقدار گرما از روی میزان تغییری که گرما در خواص قابل اندازه گیری ماده ایجاد می کند ، تعیین می شود. یکی از مناسب ترین این خواص دمای ماده است. گرمای داده شده به ماده در اغلب مواقع سبب بالا بردن دمای آن می شود. میزان گرمایی که دمای جسم را به اندازه واحد دما تغییر می دهد ظرفیت گرمایی جسم نامیده می شود.

اگر مقدار گرمای داده شده به جسم را با Q و تغییر دمای آن را با Δθ نشان دهیم،  a، ظرفیت گرمایی جسم از رابطه a=Q/Δθ  به دست می آید. برای یک ماده خالص ظرفیت گرمایی واحد جرم آن ماده را گرمایی ویژه آن می نامند و با c نشان می دهند بنا بر این ظرفیت گرمایی جرم m از یک ماده خالص از رابطه  A=mc تعیین می شود.

  گرمای ویژه آب خالص بنا به تعریف کالری برابر یک کالری بر گرم بر درجه سانتیگراد است . بنا بر این جسمی که ظرفیت گرمایی آن A است در مقابل گرما نقشی معادل A گرم آب دارد. به همین دلیل A را ارزش آبی جسم نیز می نامند.

روش آزمایش :

برای تعیین هر کاری از مشخصه های گرمایی فوق دو (یا چند) ماده با دمای متفاوت اولیه را درون ظرفی که از محیط ایزوله شده باشد یعنی با محیط تبادل گرمایی نکند به نام کالریمتر(گرماسنج) مخلوط می کنند. کالریمتر یک ظرف دو جداره است که بین دو جداره آن خلاء شده است و یا به هر نحو با ریختن مواد عایق گرما، هوای آن خارج شده است. در یک کالریمتر خوب مشابه فلاسک، جدار خارجی آن را برای جلوگیری از تشعشع آینه می کنند. کالریمتر شامل دماسنج ، هم زن، در پوش عایق و در بعضی گونه ها مجهز به یک فیلامای الکتریکی جهت گرم کردن محتویات درون آن است. در آزمایشهای گرماسنجی به دلایل مختلف از جمله داشتن گرمای ویژه کاملا معین و سهولت تبادل گرما و به تعادل رسیدن آن با مواد دیگر مخلوط ، غالبا یکی از مواد مخلوط را آب اختیار می کنند. به هر صورت روش آزمایش به این ترتیب است که m_c گرم از یک ماده سرد (که لازم است مایع باشد) با گرمای ویژه C_c را درون کالریمتر می ریزند و پس از هم زدن و تعادل گرمایی داخل دمای آن را اندازه می گیرند. (θc) سپس به سرعت مقداری از یک ماده گرم به جرم m_H و گرمای ویژه C_H و دمای θ_H را به ظرف اضافه می کنند پس از حصول تعادل مجدد دمای مجدد دمای مخلوط را اندازه می گیریم (θ_F ( . طبق اصل اول ترمودینامیک گرمای گرفته شده توسط کلیه اجسامی که در تبادل گرما شرکت می کنند برابر صفر است :

m_c C_c (θ_F - θc) + A (θ_F - θc) + m_H C_H (θ_F - θ_H) = 0

که در آن A ارزش آبی کالریمتر است.

روش آزمایش :

1) تعیین ارزش آبی کالریمتر : کالریمتر را تمیز و خشک کرده و جرم آن را اندازه می گیریم.(m). سپس در حدود یک ظرفیت آن آب سرد در آن بریزید و مجددا جرم آن را تعیین کنید. پس از هم زدن دمای داخل کالریمتر را اندازه می گیریم (θ_c) . پس از تعیین دمای آب گرم (θ_H)  در پوش کالریمتر را بر می داریم و به سرعت حدود یک سوم دیگر از ظرفیت ظرف به آن آب گرم اضافه کنید و در پوش کالریمتر را می بندیم و پس از حصول تعادل دمای آن را اندازه می گیریم (دمای تعادل یا نهایی θ_H ) یک بار دیگر جرم کالریمتر و محتویات آن را اندازه می گیریم . مقادیر را یادداشت کنید. برای بار دوم آزمایش را با مقادیر متفاوت آب سرد و گرم و دمای آنها تکرار کنید.

2) تعیین گرمای ویژه جسم جامد : مشابه مرحله اول رفتار می کنیم با این تفاوت که جسم گرم را جامدی که در آب در حال جوش است می گیریم.

به سوالات زیر پاسخ دهید:

1-چه تفاوتی بین ظرفیت گرمایی و ظرفیت گرمایی ویژه وجود دارد؟

ظرفیت گرمایی مقدار گرمای مورد نیاز برای تغییر دمای جسم به اندازه⁰C1 است ولی در ظرفیت گرمایی ویژه گرمایی ویژه گرمایی مورد نیاز برای گرم کردن به اندازه یک درجه سانتیگراد برای واحد جرم جسم است.

2-آیا ظرفیت گرمایی ویژه به دما بستگی دارد؟

بله – طبق رابطه                 با آن رابطه عکس دارد.

3-کالری را تعریف کنید و بگویید هر کالری چند ژول است؟

مقدار گرمای مورد نیاز برای تغییر دمای یک گرم آب از ⁰C 14/5  به⁰C 16/5 و هر کالری 4/18 ژول است .

4- دما با گرما چه تفاوتی دارد؟

دما معیاری برای حرارت سنجی است ولی گرما صورتی از انرژی است که قابل تبدیل به انرژی مکانیکی است.

5- خطای مطلق و خطای نسبی در اندازه گیری ظرفیت گرمایی کالریمتر را بدست آورید؟

طر داخلی و خارجی یک لوله را نمی‌توان با دقت و به آسانی با یک خط کش مدرج اندازه گرفت. برای اندازه گیری دقیق‌تر آنها از کولیس استفاده می‌شود. کولیس از ترکیب یک خط کش مدرج و یک ورنیه متحک درست شده است. خط کش ورنیه دارای دو شاخک است شاخک‌های کوچک برای اندازه گیری قطر داخل و شاخک‌های بزرگ برای اندازه گیری قطر خارجی اجسام بکار می‌رود.

خط کش برحسب میلیمتر مدرج شده ورنیه دارای درجه بندی کوچکی است که اغلب شامل 10 قسمت بوده و معادل 9 میلیمتر است یعنی 9 میلیمتر در روی خط کش کوچک‌تر است. با این نوع کولی یه آسانی می‌توانیم تا 1.10 میلیمتر را اندازه بگیریم. دقت اندازه گیری کولیس از تقسیم کردن یک درجه خط کش به تعداد تقسیمات ورنیه به دست می‌آید.

برخی ا انواع کولیسها برای اندازه گیری عمق یک تیغه باریک دارند که به ورنیه متصل است و با آن حرکت می‌کند. اگر صفر ورنیه بر صفر خط کش منطبق باشد انتهای تیغه بر انتهای خط کش منطبق می‌گردد در صنعت برای اندازه گیری قطر گلوله و سیلندر و پیستون و طول وسایل مختلف از انواع کولیس‌ها با بزرگی‌های مختلف استفاده می‌شود.

روش کار کولیس

اندازه گیری قطر یا طول

جسمی را که منظور تعیین طول با قطر خارجی آن است در بین شاخک‌های ثابت و متحرک بزرگ قرار می‌دهند بطوری که هر دو شاخک با بدنه جسم تماس داشته باشند سپس به کمک ورنیه و خط کش اندازه طول یا قطر گلوله را تعیین می‌کنند. درجات را از روی خط کش (عددی که صفر ورنیه در مقابل آن قرار دارد و یا از آن گذشته است) و کسر درجات را از روی ورنیه می‌خوانند برای کسر درجات از درجات ورنیه را پیدا می‌کنند که درست در برابر یکی از درجات خط کش قرار گرفته است.

اندازه گیری قطر داخلی

برای اندازه گیری قطر داخلی مثلا قطر یک لوله دو شاخک بالایی را در داخل لوله فرو می‌برند و ورنیه را برای خط کش آنقدر جابجا می‌کنند تا دو شاخک با جدار داخلی لوله تماس پیدا کنند. کولیس تا حدی در داخل لوله می‌چرخانند تا دو شاخک بر قطر لوله منطبق گردد. در این حالت قطر داخلی را با روش قبلی از روی خط کش و ورنیه می‌خوانند.

ریز سنج

 
ضخامت ورقه‌های نازک و سیم‌های نازک را با اسبابی به نام ریز سنج اندازه می‌گیرند این اسباب از ترکیب یک پچ و یک مهره مدرج ساخته شده است. در این وسیله ، مهره استوانه‌ای است تو خالی که سطح خارجی آن مدرج شده است. این استوانه به کمانی متصل است در انتهای دیگر کمان زایده‌ای وجود دارد که به آن سندان می‌گویند.

پیچ در داخل کلاهکی قرار دارد و در داخل مهره حرکت می‌کند، کلاهک پیچ بر روی سطح خارجی مهره جابجا می‌شود. در صورتی که پای پیچ 0.5 میلیمتر باشد دور کلاهک پیچ به پنجاه قسمت و اگر پای پیچ یک میلیمتر باشد دور کلاهک پیچ به صد قسمت تقسیم می‌شود به آن قسمت از پیچ که از داخل مهره خارج شده و در داخل کمان جابه جا می‌گردد زباله می‌گویند.

اگر پیچ یک دور بپیچد در نوع اول زباله ریزسنج نیم میلیمتر جابجا می‌شود بنابراین وقتی پیچ به‌اندازه یک درجه بپیچد دهانه ریزسنج به ‌اندازه یک صدم میلیمتر باز یا بسته می‌شود. بنابراین با استفاده از ریزسنج دقت‌اندازه گیری تا میلیمتر بالا می‌رود.

روش کار ریز سنج

برای اندازه گیری جسم مورد نظر را از بین زبانه و سندان قرار می‌دهند و پیچ کلاهک آنقدر می‌چرخانند تا جسم با زبانه و سندان تماس پیدا کند. برای چرخاندن کلاهک پیچ ، پیچ مرز گرد را می‌پیچانند پس از تماس با زبانه با جسم ، پیچ هرز گرد صدا می‌کند. با شنیدن صدا عمل پیچاندن را متوقف می‌کنند. در غیر این صورت از حساسیت اسباب کاسته می‌شود درجات میلیمتر داروی مهره و درجات صدم میلیمتر داروی کلاهک پیچ می‌خوانند. درجه‌ای از کلاهک پیچ خوانده می‌شود که در امتداد خط افقی مهره قرار دارد.