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）實驗目的實驗內容實驗重點實驗儀器設備及材料實驗簡介

量熱器

實驗原理實驗步驟思考目前一頁\總數二十五頁\編于十九點一、實驗目的1.通過實驗了解量熱器構造，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、實驗內容通過實驗了解量熱器構造，學習對實驗環(huán)境的控制三、實驗重點1.了解量熱器的構造，如何保證量熱器為孤立系統。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。目前二頁\總數二十五頁\編于十九點目前三頁\總數二十五頁\編于十九點

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的能量（如熱能、機械能、電能等）之間的轉化和守恒這一自然界物質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”的基礎上的，不符合分子動理論的觀點，缺乏科學內含。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。

目前四頁\總數二十五頁\編于十九點

比熱容是單位質量的物質升高（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的宏觀物理現象和微觀結構之間的關系有重要意義。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。目前五頁\總數二十五頁\編于十九點六、量熱器

量熱器種類很多，因測量目的不同，有不同結構.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筒①構成.容納液體的內筒固定在由保溫材料構成的絕熱架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.量熱器這種內外筒封閉結構減少了對流和熱傳導，內筒壁又很光潔減少了熱輻射，從而減少了筒內液體與周圍環(huán)境的熱交換.目前六頁\總數二十五頁\編于十九點

七、實驗原理

1、熱平衡原理設一個熱力學孤立體系中有n種物質，其質量分別為，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）

目前七頁\總數二十五頁\編于十九點2、混合法測比熱將質量為m的待測金屬塊（設其比熱容為c），溫度為投入量熱器內的水中。設量熱器（包括量熱器內筒、攪拌器和溫度計插入水中部分）的熱容為C。水的質量為，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，將存在下列關系：

（2）

即（3）目前八頁\總數二十五頁\編于十九點3、量熱器的熱容量熱器的熱容C可以根據其質量和比熱容算出。設量熱器內筒和攪拌器由相同的物質制成，其質量為，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·℃)），根據熱容，兩者的比熱容與密度的乘積基本相同，所以

目前九頁\總數二十五頁\編于十九點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·℃單位時的數值;表示溫度計浸入液體部分的體積V，以為單位時的數值。目前十頁\總數二十五頁\編于十九點4、系統誤差的修正在量熱學實驗中，由于無法避免系統與外界的熱交換，實驗結果總是存在系統誤差，有時甚至很大，以至無法得到正確結果。所以，校正系統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，極大地降低了系統誤差。目前十一頁\總數二十五頁\編于十九點(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系通過查表得出沸點的溫度。目前十二頁\總數二十五頁\編于十九點5、讀數規(guī)則

采取以上系統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。由實驗數據作出溫度和時間的關系曲線。目前十三頁\總數二十五頁\編于十九點為了推出（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。目前十四頁\總數二十五頁\編于十九點八、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量m，5次。3.金屬塊的質量稱量完畢后，放入電熱杯中加熱。4.稱出量熱器內筒及攪拌器質量的質量，5次。5.在量熱器內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），稱量總質量為(5次)，稱量完畢，內筒放在絕熱架上，插好攪拌器和溫度計，蓋好膠木蓋。6.水的質量。目前十五頁\總數二十五頁\編于十九點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?秒記錄一次數據（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據，下降過程測量記錄持續(xù)五分鐘。

目前十六頁\總數二十五頁\編于十九點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。）目前十七頁\總數二十五頁\編于十九點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.根據式（3）求出金屬物比熱容c及其不確定度。a.根據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，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。

目前十八頁\總數二十五頁\編于十九點因此

，，；(如TW-05物理天平，)目前十九頁\總數二十五頁\編于十九點,,

,目前二十頁\總數二十五頁\編于十九點12.實驗結果和其標準比熱比較，并求出相對誤差。13.數據記錄表格a、稱量次數1次2次3次4次5次(金屬塊)(量熱器內筒、攪拌器和水)(量熱器內筒和攪拌器)(水的質量)溫度計進入水中的體積目前二十一頁\總數二十五頁\編于十九點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┅最高目前二十二頁\總數二十五頁\編于十九點九、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?目前二十三頁\總數二十五頁\編于十九點附錄

水的沸點與壓強的