實驗四固體比熱容的測量混合法

實驗四固體比熱容的測量混合法第一頁，共二十六頁，2022年，8月28日實驗四、固體比熱容的測量（混合法）實驗目的實驗內(nèi)容實驗重點實驗儀器設(shè)備及材料實驗簡介

量熱器

實驗原理實驗步驟思考第二頁，共二十六頁，2022年，8月28日一、實驗目的

1.通過實驗了解量熱器構(gòu)造，學習對實驗環(huán)境的控制

2.掌握基本測量儀器使用，及正確合理地分析誤差。二、實驗內(nèi)容通過實驗了解量熱器構(gòu)造，學習對實驗環(huán)境的控制三、實驗重點

1.了解量熱器的構(gòu)造，如何保證量熱器為孤立系統(tǒng)。

2.如何對實驗過程中的吸熱、散熱做出校正，盡量使二者相抵消，以提高實驗的精度。四、實驗主要儀器設(shè)備及材料

金屬塊，分析天平，量熱器，溫度計，燒杯，水，電熱杯，冰箱,量筒,攪拌器，秒表，鑷子。第三頁，共二十六頁，2022年，8月28日第四頁，共二十六頁，2022年，8月28日

五、實驗簡介

19世紀，隨著工業(yè)文明的建立與發(fā)展，特別是蒸汽機的誕生，量熱學有了巨大的進展。經(jīng)過多年的實驗研究，人們精確地測定了熱功當量，逐步認識到不同性質(zhì)的能量（如熱能、機械能、電能等）之間的轉(zhuǎn)化和守恒這一自然界物質(zhì)運動的最根本的定律，成為19世紀人類最偉大的科學進展之一。從今天的觀點看，量熱學是建立在“熱量”或“熱質(zhì)”的基礎(chǔ)上的，不符合分子動理論的觀點，缺乏科學內(nèi)含。但這無損量熱學的歷史貢獻。至今，量熱學在物理學、化學、航空航天、機械制造以及各種熱能工程、制冷工程中都有廣泛的應用。

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比熱容是單位質(zhì)量的物質(zhì)升高（或降低）單位溫度所吸收（或放出）的熱量。比熱容的測定對研究物質(zhì)的宏觀物理現(xiàn)象和微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系有重要意義。本實驗采用混合法測固體（鋅粒）的比熱容。在熱學實驗中，系統(tǒng)與外界的熱交換是難免的。因此要努力創(chuàng)造一個熱力學孤立體系，同時對實驗過程中的其他吸熱、散熱做出校正，盡量使二者相抵消，以提高實驗精度。第六頁，共二十六頁，2022年，8月28日

六、量熱器

量熱器種類很多，因測量目的不同，有不同結(jié)構(gòu).本實驗如圖所示：由絕熱材料制成的外筒②和由良導體材料制成的內(nèi)筒①構(gòu)成.容納液體的內(nèi)筒固定在由保溫材料構(gòu)成的絕熱架⑥上，外筒口用膠木蓋⑤蓋住，膠木蓋的中央孔用來插溫度計③，旁邊的小孔用來插攪拌器④.量熱器這種內(nèi)外筒封閉結(jié)構(gòu)減少了對流和熱傳導，內(nèi)筒壁又很光潔減少了熱輻射，從而減少了筒內(nèi)液體與周圍環(huán)境的熱交換.第七頁，共二十六頁，2022年，8月28日

七、實驗原理

1、熱平衡原理設(shè)一個熱力學孤立體系中有n種物質(zhì)，其質(zhì)量分別為，比熱容為（）。開始時體系處于平衡態(tài)，溫度為，與外界發(fā)生熱量交換后又達到新的平衡態(tài)，溫度為，若無化學反應或相變發(fā)生，則該體系獲得（或放出）的熱量為：

（1）

第八頁，共二十六頁，2022年，8月28日2、混合法測比熱將質(zhì)量為m的待測金屬塊（設(shè)其比熱容為c），溫度為投入量熱器內(nèi)的水中。設(shè)量熱器（包括量熱器內(nèi)筒、攪拌器和溫度計插入水中部分）的熱容為C。水的質(zhì)量為，比熱容為。金屬塊投入水之前，水溫為，投入后其混合溫度為，則在不計量熱器與外界熱交換的情況下，將存在下列關(guān)系：

（2）

即（3）第九頁，共二十六頁，2022年，8月28日3、量熱器的熱容量熱器的熱容C可以根據(jù)其質(zhì)量和比熱容算出。設(shè)量熱器內(nèi)筒和攪拌器由相同的物質(zhì)制成，其質(zhì)量為，比熱容為，則（4）式中是溫度計浸入到水中的部分的熱容。溫度計的熱容可這樣計算：水銀溫度汁由玻璃（密度，比熱容為J/(kg·℃)和水銀（密度為，比熱容為J/(kg·℃)），根據(jù)熱容，兩者的比熱容與密度的乘積基本相同，所以

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體積單位換算成立方厘米單位后，即為

（5）（5）式便是溫度計浸入液體部分的對應的熱容計算式。表示溫度計熱容是以J·℃單位時的數(shù)值;

表示溫度計浸入液體部分的體積V，以為單位時的數(shù)值。第十一頁，共二十六頁，2022年，8月28日4、系統(tǒng)誤差的修正在量熱學實驗中，由于無法避免系統(tǒng)與外界的熱交換，實驗結(jié)果總是存在系統(tǒng)誤差，有時甚至很大，以至無法得到正確結(jié)果。所以，校正系統(tǒng)誤差是量熱學實驗中很突出的問題。為此可采取如下措施：(1)要盡量減少與外界的熱量交換，使系統(tǒng)近似孤立體系。此外，量熱器不要放在電爐旁和太陽光下，實驗也不要在空氣流通太快的地方進行。(2)采取補償措施，就是在被測物體放入量熱器之前，先使量熱器與水的初始溫度低于室溫，但避免在量熱器外生成凝結(jié)水滴。先估算，使初始溫度與室溫的溫差與混合后末溫高出室溫的溫度大體相等。這樣混合前量熱器從外界吸熱與混合后向外界放熱大致相等，極大地降低了系統(tǒng)誤差。第十二頁，共二十六頁，2022年，8月28日(3)縮短操作時間，將被測物體從沸水中取出，然后倒入量熱器筒中并蓋好的整個過程，動作要快而不亂，減少熱量的損失。(4)嚴防有水附著在量熱筒外面，以免水蒸發(fā)時帶走過多的熱量。(5)沸點的校正。在實驗中，我們是取水的沸點為被測物體加熱后的溫度，但壓強不同，水的沸點也有所不同。為此需用大氣壓強計測出當時的氣壓，再由氣壓與沸點的關(guān)系通過查表得出沸點的溫度。第十三頁，共二十六頁，2022年，8月28日5、讀數(shù)規(guī)則

采取以上系統(tǒng)誤差的修正的操作措施后，散熱的影響仍難以完全避免。被測物體放入量熱器后，水溫達到最高溫度前，整個系統(tǒng)還會向外散熱，所以理論上的末溫是無法得到的。這就需要通過實驗的方法進行修正：在被測物體放入量熱器前4-5min就開始測度量熱器中水的溫度，每隔1min讀一次。當被測物體放入后，溫度迅速上升，此時應每隔0.5min讀一次。直到升溫停止后，溫度由最高溫度均勻下降時，恢復每分鐘記一次溫度，直到第15min截止。由實驗數(shù)據(jù)作出溫度和時間的關(guān)系曲線。第十四頁，共二十六頁，2022年，8月28日

為了推出（3）式中的水的初溫度和混合后溫度，在圖中，對應于室溫曲線上之G點作一垂直與橫軸的直線。然后將曲線上升AB部分及下降部分CD延長，與此垂線分別相交于點E和點F，這兩個焦點的溫度坐標可看成是理想情況下的和，即相當于熱交換無限快時水的初溫與末溫。第十五頁，共二十六頁，2022年，8月28日八、實驗步驟1.在電熱杯中加入四分之三的水，開始加熱。2.用分析天平稱量金屬塊的質(zhì)量m，5次。3.金屬塊的質(zhì)量稱量完畢后，放入電熱杯中加熱。4.稱出量熱器內(nèi)筒及攪拌器質(zhì)量的質(zhì)量，5次。5.在量熱器內(nèi)筒盛適量的水和冰屑（量熱器能容下這些水和金屬塊，且不能使筒外表有水凝結(jié)），稱量總質(zhì)量為(5次)，稱量完畢，內(nèi)筒放在絕熱架上，插好攪拌器和溫度計，蓋好膠木蓋。6.水的質(zhì)量。第十六頁，共二十六頁，2022年，8月28日7.在燒杯中的水比室溫低3～4℃時，每隔一分鐘開始記錄溫度，過五分鐘后，把沸水中金屬塊（在沸水中已經(jīng)超過15分鐘，其溫度為實驗室壓強下水的沸點溫度）快速放入量熱器中（注意：不能使量熱器中水濺出，又切勿碰到溫度計），立即將蓋蓋好并繼續(xù)攪拌（注意：不能太使勁）?；旌虾螅扛?秒記錄一次數(shù)據(jù)（包括要記錄達到室溫時的時刻），直到溫度達到最高。然后在溫度下降過程中，每隔一分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，下降過程測量記錄持續(xù)五分鐘。

第十七頁，共二十六頁，2022年，8月28日8.溫度計浸沒在水下的體積可用一個小量筒測得。先將水注入小量筒中，即下其體積，然后將溫度計插入水中，使溫度計插入水中的體積與在量熱筒中沒入水中的體積相同（以從量熱筒中取出溫度計上水印為準），讀出液面升高后的體積，則溫度計插入量熱筒水中的體積。（注意：實驗中溫度計的水銀泡一定要沒入水中，但又不能碰到金屬塊。）第十八頁，共二十六頁，2022年，8月28日9.查表得到實驗氣壓條件下水的沸點，即為金屬塊投入量熱器前的溫度。10.作溫度-時間曲線，求出水的初溫和混合后溫度。11.根據(jù)式（3）求出金屬物比熱容c及其不確定度。a.根據(jù)測量的平均值先計算平均金屬物比熱容c：b.不確定度:

不確定度包括兩部分：測量引起的（人為，A類標準不確定度）和儀器引起（系統(tǒng)，B類標準不確定度）。而（3）式有比值,溫度引起不確定度可近似約掉，故可忽略。

第十九頁，共二十六頁，2022年，8月28日因此

，，；

(如TW-05物理天平，)第二十頁，共二十六頁，2022年，8月28日,,

,第二十一頁，共二十六頁，2022年，8月28日12.實驗結(jié)果和其標準比熱比較，并求出相對誤差。13.數(shù)據(jù)記錄表格

a、稱量次數(shù)1次2次3次4次5次(金屬塊)(量熱器內(nèi)筒、攪拌器和水)(量熱器內(nèi)筒和攪拌器)(水的質(zhì)量)溫度計進入水中的體積第二十二頁，共二十六頁，2022年，8月28日b、量熱器中水溫的記錄在水比室溫低于3～4℃時，開始記錄時間開始計時1分鐘2分鐘3分鐘4分鐘5分鐘混合5分1秒5分2秒┅記錄時間┅5分幾秒6分鐘7分鐘8分鐘9分鐘10分鐘水溫℃比室溫低3至4℃┅室溫┅最高第二十三頁，共二十六頁，2022年，8月28日九、思考題

1、實驗中采用什么實驗條件來保障測比熱容的條件成立?

2、實驗中質(zhì)量稱衡采用了精度較低的物理天平,為什么測量溫度卻采用分度值為0.1℃的精密水銀溫度計?3、為了提高量熱精度,實驗中采取了哪些措施?若要進一步提高測量精度可用什么方法?第二十四頁，共二十六頁，2022年，8月28日附錄

水的沸點與壓強的關(guān)系參考數(shù)據(jù)D/mmHg