§ 15. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ

Измерение теплоемкостей тел проводится в калориметрах, наиболее простой из них (калориметр смешения) изображен на рисунке 2.3. Калориметрический сосуд В с водой (или иной жидкостью), снабженный термометром помещен в другой сосуд А, отделенный воздушной прослойкой Для улучшения теплоизоляции и предохранения от испарения жидкости используется крышка Калориметры характеризуются тепловым значением количеством теплоты, необходимым для нагревания калориметра (без жидкости), на Значение определяется экспериментально. Для определения, например, теплоемкости твердого тела его нагревают до

Рис. 2.3.

Рис. 2.4.

известной температуры и переносят в калориметр с жидкостью. Измерив после опыта общую для тела и калориметра температуру и зная начальные значения температуры, массы тела и жидкости, а также величину и удельную теплоемкость жидкости, можно найти теплоемкость твердого тела из уравнения теплового баланса (известного из курса средней школы). Таким же образом определяют теплоемкость жидкости при известной теплоемкости твердого тела. Впервые калориметрический метод определения теплоемксстей (метод смешения) был разработан в 1750 г. Г. В. Рихманом, сотрудником М. В. Ломоносова.

Результаты таких измерений весьма неточны из-за трудностей учета тепловых потерь, связанных с наличием теплопередачи между внутренними и внешними стенками калориметра.

Для устранения тепловых потерь в калориметрах можно центральную часть прибора, где производятся измерения (например, внутренний стакан, рис. 2.3), окружить оболочкой, не проводящей теплоты. Такие идеализированные оболочки называются адиабатическими. Казалось бы, что так как все среды в той или иной мере теплопроводящи, подобного калориметра создать нельзя. Но физики использовали очень остроумную идею для реализации адиабатической оболочки. Поскольку все калориметрические измерения сопровождаются изменением температуры центральной части прибора, то при синхронном (одновременном) изменении температуры внешней оболочки устройства на величину, при которой в каждый момент времени градиент температуры внутри прибора (между оболочками) равен нулю, потери теплоты центральной частью калориметра будут практически отсутствовать. Такой калориметр называется адиабатическим.

Схема устройства адиабатического калориметра изображена на рисунке 2.4. Здесь и съемные части внешней и внутренней оболочек прибора. Внутри оболочек вмонтированы электрические

сопротивления (на рисунке 2.4 точками обозначены сечения проводов), концы которых присоединены к клеммам Исследуемое тело помещают в полость внутренней части калориметра. При измерениях, пропуская ток по сопротивлению внутренней оболочки под напряжением повышают температуру исследуемой системы. При этом синхронно (обычно с помощью автоматических устройств) повышают температуру внешней оболочки действием электрического тока при напряжении и устраняют тем самым градиент температуры. Теплота, идущая на нагревание внутренней части калориметра (исследуемой системы и внутренней оболочки), определяется по параметрам соответствующего тока время пропускания электрического тока), при этом сила тока подбирается достаточно малой, чтобы в полости при ее прогревании градиенты температуры были бы минимальными. Зная массу исследуемой системы можно определить ее удельную теплоемкость С из равенства

где теплоемкость внутренней оболочки прибора, которая должна быть известной (из предварительных исследований), изменение температуры системы, которое обычно измеряется термопарой.