實驗8冷卻法測金屬比熱容.doc

實驗八 冷卻法測量金屬的比熱容實驗八 冷卻法測量金屬的比熱容用冷卻法測定金屬或液體的比熱容是量熱學(xué)中常用的方法之一。若已知標(biāo)準(zhǔn)樣品在不同溫度的比熱容，通過作冷卻曲線可測得各種金屬在不同溫度時的比熱容。熱電偶數(shù)字顯示測溫技術(shù)是當(dāng)前生產(chǎn)實際中常用的測試方法，它比一般的溫度計測溫方法有著測量范圍廣，計值精度高，可以自動補(bǔ)償熱電偶的非線性因素等優(yōu)點。本實驗以銅樣品為標(biāo)準(zhǔn)樣品，而測定鐵、鋁樣品在100或200時的比熱容。通過實驗了解金屬的冷卻速率和它與環(huán)境之間溫差的關(guān)系，以及進(jìn)行測量的實驗條件。【實驗?zāi)康摹?掌握用冷卻法測定金屬的比熱容，測量鐵、鋁金屬樣品在100或200溫度時的比熱容。2了解金屬的冷卻速率與環(huán)境之間的溫差關(guān)系，以及進(jìn)行測量的實驗條件?！緦嶒瀮x器】DH4603型冷卻法金屬比熱容測量儀、待測量金屬材料樣品（銅、鐵、鋁）等【實驗原理】單位質(zhì)量的物質(zhì)，其溫度升高1K（或1）所需的熱量稱為該物質(zhì)的比熱容，其值隨溫度而變化。將質(zhì)量為的金屬樣品加熱后，放到較低溫度的介質(zhì)（例如室溫的空氣）中，樣品將會逐漸冷卻。其單位時間的熱量損失（）與溫度下降的速率成正比，于是得到下述關(guān)系式： （8-1）式中為該金屬樣品在溫度時的比熱容，為金屬樣品在的溫度下降速率，根據(jù)冷卻定律有： （8-2）式中為熱交換系數(shù)，為該樣品外表面的面積，m為常數(shù)，為金屬樣品的溫度，為周圍介質(zhì)的溫度。由式（8-1）和（8-2），可得 （8-3）同理，對質(zhì)量為，比熱容為的另一種金屬樣品，可有同樣的表達(dá)式： （8-4）由式（8-3）和（8-4），可得：所以假設(shè)兩樣品的形狀尺寸都相同（例如細(xì)小的圓柱體），即，兩樣品的表面狀況也相同（如涂層、色澤等），而周圍介質(zhì)（空氣）的性質(zhì)當(dāng)然也不變，則有。于是當(dāng)周圍介質(zhì)溫度不變（即室溫恒定），兩樣品又處于相同溫度時，上式可以簡化為： （8-5）因為熱電偶的熱電動勢與溫度的關(guān)系在同一小溫差范圍內(nèi)可以看成線性關(guān)系，即，所以式（8-5）可以簡化為： （8-6）如果已知標(biāo)準(zhǔn)金屬樣品的比熱容、質(zhì)量；待測樣品的質(zhì)量及兩樣品在溫度時冷卻速率之比，就可以求出待測的金屬材料的比熱容。幾種金屬材料的比熱容見下表：比熱容溫度Fe(cal/g)A1(cal/g)Cu(cal/g)）1000.1100.2300.0940【實驗步驟與要求】1開機(jī)前先用加熱四芯線和熱電偶線兩組線連接好加熱儀和測試儀。圖8-1 冷卻法金屬比熱容測量儀樣品數(shù)字電壓表熱電偶 2選取長度、直徑、表面光潔度盡可能相同的三種金屬樣品（銅、鐵、鋁）用物理天平秤出它們的質(zhì)量M，再根據(jù)這一特點，把它們區(qū)別開來。3使熱電偶端的銅導(dǎo)線與數(shù)字表的正端相連；冷端銅導(dǎo)線與數(shù)字表的負(fù)端相連。當(dāng)樣品加熱到150時，切斷電源移去加熱源，樣品繼續(xù)安放在與外界基本隔絕的有機(jī)玻璃圓筒內(nèi)自然冷卻（筒口須蓋上蓋子），記錄樣品的冷卻速率。方法：記錄數(shù)字電壓表上示值約從降到所需的時間，從而計算。按鐵、銅、鋁的次序，分別測量其溫度下降速度，每一樣品應(yīng)重復(fù)測量6次。 注意：（1）儀器的加熱指示燈亮，表示正在加熱；如果連接線未連好或加熱溫度過高（超過200）導(dǎo)致自動保護(hù)時，指示燈不亮。升到指定溫度后，應(yīng)切斷加熱電源。（2）測量降溫時間時，按“計時”或“暫?！卑粹o應(yīng)迅速、準(zhǔn)確，以減小人為計時誤差。（3）加熱裝置向下移動時，動作要慢，應(yīng)注意要使被測樣品垂直放置，以使加熱裝置能完全套入被測樣品。4數(shù)據(jù)記錄、處理與分析樣品質(zhì)量：= g；= g； = g。熱電偶冷端溫度： 樣品由下降到所需時間（單位為s） 次數(shù)樣品123456平均值FeCuA1以銅為標(biāo)準(zhǔn)： 鐵： Cal/（g K）鋁： Cal/（g K）【預(yù)習(xí)思考題】1比熱容的定義是什么？單位是什么？2為什么實驗應(yīng)該在防風(fēng)筒（即樣品室）中進(jìn)行？【課后習(xí)題】1測量三種金屬的冷卻速率，并在圖紙上繪出冷卻曲線，如何求出它們在同一溫度點的冷卻速率？【附錄】一、DH4603型金屬比熱容測定儀介紹與使用說明本實驗裝置由加熱儀和測試儀組成。加熱儀的加熱裝置可通過調(diào)節(jié)手輪自由升降。被測樣品安放在有較大容量的防風(fēng)圓筒即樣品室內(nèi)的底座上，測溫?zé)犭娕挤胖糜诒粶y樣品內(nèi)的小孔中。當(dāng)加熱裝置向下移動到底后，對被測樣品進(jìn)行加熱；樣品需要降溫時則將加熱裝置移上。儀器內(nèi)設(shè)有自動控制限溫裝置，防止因長期不切斷加熱電源而引起溫度不斷升高。測量試樣溫度采用常用的銅康銅做成的熱電偶(其熱電勢約為)，將熱電偶的冷端置于冰水混合物中，帶有測量扁叉的一端接到測試儀的“輸入”端。熱電勢差的二次儀表由高靈敏、高精度、低漂移的放大器放大加上滿量程為20mV的三位半數(shù)字電壓表組成。這樣當(dāng)冷端為冰點時，由數(shù)字電壓表顯示的mV數(shù)查表即可換算成對應(yīng)待測溫度值。圖8-2 DH4603型金屬比熱容測定儀測試儀二、銅康銅熱電偶分度表溫度（）熱電勢（mV）0123456789-10-0.383-0.421-0.458-0.496-0.534-0.571-0.608-0.646-0.683-0.720-00.000-0.039-0.077-0.116-0.154-0.193-0.231-0.269-0.307-0.34500.0000.0390.0780.1170.1560.1950.2340.2730.3120.351100.3910.4300.4700.5100.5490.5890.6290.6690.7090.749200.7890.8300.8700.9110.9510.9921.0321.0731.1141.155301.1961.2371.2791.3201.3611.4031.4441.4861.5281.569401.6111.6531.6951.7381.7801.8821.8651.9071.9501.992502.0352.0782.1212.1642.2072.2502.2942.3372.3802.424602.4672.5112.5552.5992.6432.6872.7312.7752.8192.864702.9082.9532.9973.0423.0873.1313.1763.2213.2663.312803.3573.4023.4473.4933.5383.5843.6303.6763.7213.767903.8133.8593.9063.9523.9984.0444.0914.1374.1844.2311004.2774.3244.3714.4184.4654.5124.5594. 6074.6544.7011104.7494.7964.8444.8914.9394.9875.0355.0835.1315.1791205.2275.2755.3245.3725.4205.4695.5175.5665.6155.6631305.7125.7615.8105.8595.9085.9576.0076.0566.1056.1551406.2046.2546.3036.3536.4036.4526.5026.5526.6026.6521506.7026.7536.8036.8536.9036.9547.0047.0557.1067.1561607.2077.2587.3097.3607.4117.4627.5137.5647.6157.6661707.7187.7697.8217.8727.9247.9758.0278.079