В статье рассматривается возможность модификации лабораторной работы по проверке выполнения закона сохранения энергии в процессе теплопередачи, даны рекомендации по выполнения работы учащимися 8 класса на уроках физики.

Ключевые слова: тепловые явления, теплопередача, количество теплоты, калориметрия, удельная теплоёмкость.

При изучении курса физики в 8 классе учебным планом предусмотрено выполнение учащимися лабораторных работ, в том числе и по разделу «Тепловые явления». Для экспериментальной проверки выполнения закона сохранения энергии выполняется лабораторная работа по сравнению количества теплоты, отданное горячей водой, и количества теплоты, полученное холодной водой при их смешивании. Алгоритм выполнения лабораторной работы включает в себя следующее:

1. В калориметр наливают 100 г горячей воды, а в стакан — столько же холодной воды.
2. С помощью термометра измеряют температуры холодной и горячей воды.
3. Смешивают в калориметре горячую воду с холодной водой, осторожно помешивают термометром полученную смесь и измерить ее температуру.
4. По результатам эксперимента определяют количество теплоты, отданное горячей водой при остывании до температуры смеси, и количество теплоты, полученное холодной водой при ее нагревании до этой температуры.
5. Сравнивают количество теплоты, отданное горячей водой, с количеством теплоты, полученным холодной водой и делают вывод о выполнении закона сохранения энергии в процессе теплопередачи.

Данный алгоритм приведен в различных учебно-методических комплектах (УМК) и учебных пособиях [1–9].

Было проведено несколько параллельных опытов по представленному алгоритму. При этом использовался калориметр, предназначенный для проведения школьных опытов по физике, термометр с ценой деления 1С и весы, позволяющие производить взвешивание с точностью до 0,1 г. Результаты проведенных опытов представлены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты определения количеств теплоты, при точности измерении температуры 1  С и массы тел 0,1 г

Сравнивая количества теплоты Q ₁ и Q ₂ (см. табл. 1), можно прийти к парадоксальному выводу о нарушении закона сохранения энергии, так как холодная вода получает количества теплоты больше, чем отдаёт ей горячая вода. Поэтому в рамках данной работы были рассмотрены следующие возможные причины получения данных результатов:

1) Невысокая точность определения массы тел и температуры;

2) Наличие систематической погрешности при выполнении лабораторной работы.

Используя методы обработки результатов эксперимента, изложенные в работе [10], при имеющемся уровне точности измерения температуры и массы тел относительные недостоверности определения температуры и массы тел соответственно составляют (приближённо) 0,02 и 0,01, что при вычислении количества теплоты даёт отклонение порядка 360 Дж. Однако расхождение между теплотами Q ₁ и Q ₂ превышает указанную величину.

С целью повышения точности измерений, проводимых в ходе выполнения лабораторной работы, были использованы технические весы, обеспечивающие точность взвешивания 0,01 г и температурный датчик из комплекта цифровой лаборатории «Архимед», обеспечивающий точность измерения температуры тел 0,1 С. Использование указанного оборудование должно способствовать снижению отклонения при определение теплот до значения 30 Дж. Результаты проведённых опытов с использованием измерительных приборов повышенной точности приведены в таблице 2. В ходе проведённых опытов было выявлено, что масса калориметра с горячей водой (температура воды около 85 С) не остаётся постоянной во времени из-за её испарения, поэтому в части проведенных опытах (см. табл. 2 опыты 1–5) масса горячей воды определялась до измерения температуры, а в другой части — после измерения температуры (см. табл. 2 опыты 6–10).

Таблица 2

Результаты определения количеств теплоты, при точности измерении температуры 0,1  С и массы тел 0,01 г

Используя весы специального класса точности (точность определения массы 0,001 г) было установлено, что скорость испарения с поверхности границы раздела фаз в калориметре составляет величину 13 мг/с при температуре воды 85 С и 3 мг/с при температуре воды 60 С. Таким образом можно сделать вывод, что для снижения потерь массы горячей воды в ходе проведения лабораторной работы лучше использовать горячую воду с температурой около 60 С.

Анализ результатов, приведенных в таблице 2, показывает, что в ряде случаев имеет место превышение количества теплоты Q ₂ , полученное холодной водой, над количеством теплоты Q ₁ , отданное горячей водой. Учитывая, что в процессе теплообмена также участвуют внутренний металлический стакан калориметра и термометр, то уравнение теплового баланса должно быть записано следующим образом:

Q ₁ + Q ₃ + Q ₄ = Q ₂ + Q _пот ,

где Q ₃ — количество теплоты, отданное металлическим стаканом калориметра; Q ₄ — количество теплоты, отданное термометром; Q _пот — количество теплоты, переданное окружающей среде.

Из представленных в уравнении теплового баланса величин в ходе лабораторной работы может быть определена величина Q ₃ , для чего необходимо знать массу и удельную теплоёмкость материал внутреннего металлического стакана. В конструкции используемого в данной работе калориметра использовался металлический стакан, изготовленный из алюминия. Величину Q ₄ оценить без проведения дополнительных испытаний не представляется возможным, так как отсутствуют данные о марке стекла и составе термометрической жидкости, не содержащей ртути. Поэтому величиной Q ₄ было принято решение пренебречь. Таким образом, при выполнении лабораторной работы целесообразно будет сравнивать величину Q ₁ + Q ₃ с величиной Q ₂ , а их разность будет соответствовать количеству теплоты, переданной окружающей среде при выполнении опыта. Анализируя данные, приведённые в таблицах 1 и 2, можно сделать вывод, что выбранный подход к выполнению лабораторной работы является методически более правильным, и у учащихся не будет создаваться ложное впечатление о нарушении закона сохранении энергии.

Учитывая вышеизложенное был разработан следующий алгоритм проведения лабораторной работы:

1. Определить массу внутреннего калориметрического стакана.
2. В химический стакан налить около 100 г холодной воды (комнатной температурой), массу воды определить взвешиванием. Определить температуру холодной воды с помощью термометра.
3. В калориметр налить около 100 г горячей воды (температурой около 60 С), массу воды определить взвешиванием. Определить температуру горячей воды с помощью термометра.
4. Не вынимая термометра из калориметра, смешать в калориметре горячую воду с холодной водой, осторожно перемешать термометром полученную смесь и измерить ее температуру.
5. По результатам эксперимента определить количество теплот Q ₁ и Q ₃ , отданные горячей водой и металлическим стаканом калориметра при остывании их до температуры смеси, и количество теплоты Q ₂ , полученное холодной водой при ее нагревании до этой температуры.
6. Используя величины Q ₁ , Q ₂ и Q ₃ определить, какое количество теплоты было передано окружающей среде в процессе теплопередачи.

Используя представленный алгоритм, были проведены несколько определений количества теплот Q ₁ , Q ₂ и Q ₃ с использованием стандартного лабораторного оборудования, результаты измерение представлены в таблице 3.

Таблица 3

Результаты определения количеств теплоты, при использовании нового алгоритма проведения лабораторной работы

Таким образом, новый алгоритм проведения лабораторной работы по сравнению количества теплоты, отданное горячей водой, и количества теплоты, полученное холодной водой при их смешивании позволяет получать результаты, объяснимые с точки зрения закона сохранения энергии.

Литература:

1. Знаменский П. А. Лабораторные занятия по физике в средней школе. Часть вторая. Работы по молекулярной физике и теплоте, по электричеству и оптике. — Л.: Учпедгиз, 1955.
2. Перышкин А. В., Родина Н. А. Физика: учебник для седьмого класса. — М.: Просвещение, 1968.
3. Перышкин А. В., Роднина Н. А. Физика: учебник для 6–7 классов средней школы / под ред. И. К. Кикоина. — М.: Просвещение, 1979.
4. Перышкин А. В., Роднина Н. А. Физика: учебник для 6–7 классов. — М.: Просвещение, 1986.
5. Перышкин А. В., Роднина Н. А. Физика: учебник для 8 кл. сред. шк. — М.: Просвещение, 1989.
6. Физика. Тетрадь-практикум. 8 класс: пособие для учащихся общеобразоват. учреждений / под ред. Ю. А. Панебратцева. — М.: Просвещение, 2010.
7. Перышкин А. В. Физика. 8 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений. — М.: Дрофа, 2019.
8. Перышкин А. В. Физика. 8 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений. — М.: Экзамен, 2022.
9. Перышкин И. М., Иванов А. И. Физика. 8 класс. Учебник. Базовый уровень. — М.: Просвещение, 2023.
10. Основы аналитической химии. Задачи и вопросы: учеб. Пособие для вузов / под ред. Ю. А. Зотова. — М.: Высш. шк., 2002.