實驗五冰的熔化熱的測定混合法

關于實驗五冰的熔化熱的測定混合法實驗五、冰的熔化熱的測定（混合法）實驗目的實驗內(nèi)容實驗重點實驗儀器設備及材料實驗裝置實驗原理實驗步驟思考第2頁,共21頁，2024年2月25日，星期天一、實驗目的

1.學習溫度和熱量的初步測定方法，掌握用混合法測定冰的熔解熱。

2.學習用牛頓冷卻定律補償散熱。二、實驗內(nèi)容學習溫度和熱量的初步測定方法，掌握用混合法測冰的熔解熱。三、實驗重點

1.學習用牛頓冷卻定律補償散熱。

2.掌握對測量結果的標準不確定度進行評定。四、實驗主要儀器設備及材料

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3頁,共21頁，2024年2月25日，星期天第4頁,共21頁，2024年2月25日，星期天

五、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(nèi)筒①構成.容納液體的內(nèi)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(nèi)外筒封閉結構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5頁,共21頁，2024年2月25日，星期天六、實驗原理

1、用混合法測定冰的熔解在一定的壓強下，晶體熔解過程中的溫度(稱為熔點)是不變的。單位質量的某種晶體熔解成同溫度的液體所吸收的熱量稱為該晶體的熔解熱。熔解熱用λ表示，單位為J／kg?；旌狭繜岱ň褪菍⒋郎y子系統(tǒng)Ⅰ(在本實驗中是冰塊)和已知熱容為的子系統(tǒng)Ⅱ(在本實驗中是量熱器內(nèi)筒、攪拌器、溫度汁浸沒在水中的部分及水)混合，Ⅰ和Ⅱ組成一個近似與外界無熱交換的孤立系統(tǒng)，根據(jù)熱平衡原理，于是Ⅱ放出的熱量全部被Ⅰ吸收，這就是混合量熱法的基本原理。第6頁,共21頁，2024年2月25日，星期天

設冰塊的質量為M、溫度為(本實驗只測溫度差，因此單位用℃方便，且在實驗室條件下，冰塊從冰水混合物中取出時=0℃)，與質量為m、溫度為的水混合。冰全部熔解后系統(tǒng)達到熱平衡時的溫度為。量熱器內(nèi)筒和攪拌器的質量分別為和，比熱容分別為和，水的比熱容為，溫度計的熱容為Cw。由混合量熱法的基本原理得到

因此冰的溶解熱為

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溫度計的熱容Cw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，那么溫度汁浸入液體部分的體積V(立方米單位)對應的熱容為（2）

將此值代人(1)式，并取J／(kg·℃)，＝0℃，和都取攝氏度，可得

(3)第8頁,共21頁，2024年2月25日，星期天

2、根據(jù)牛頓冷卻定律補償散熱

a.牛頓冷卻定律

熱量的測量是熱學中的另一個基本測量.當系統(tǒng)由于吸收(或放出)一微小熱量dQ而溫度升高或降低，，這個量C就定義為該系統(tǒng)的熱容.實驗中測出，在已知系統(tǒng)的熱容情況下就可測出系統(tǒng)吸收(或放出)的熱量.在一些實驗中，為了測量實驗系統(tǒng)內(nèi)各個子系統(tǒng)之間的熱量交換，要求整個實驗系統(tǒng)為一個與外界無熱量交換的孤立系統(tǒng).

量熱器(參見本實驗的裝置介紹)就是為此而設計的實驗裝置，但量熱器只能使實驗系統(tǒng)粗略地接近一個孤立系統(tǒng)，因此應該估計實驗過程中系統(tǒng)從外界環(huán)境中吸收(或放出)的熱量及其對實驗結果的影響。第9頁,共21頁，2024年2月25日，星期天

當系統(tǒng)與外界環(huán)境的溫度差相當小的情況下，系統(tǒng)單位時間內(nèi)散失的熱量與系統(tǒng)溫度和環(huán)境溫度的差成正比，數(shù)學表達式為（4）這就是從大量實驗總結出來的牛頓冷卻定律。式中k為散熱系數(shù)，其數(shù)值與系統(tǒng)表面的熱輻射本領和面積有關，在系統(tǒng)表面狀態(tài)變化不大的情況下，k為一常量.設系統(tǒng)的熱容為C，即，(4)式還可寫成：

(5)

式中稱為系統(tǒng)的冷卻速率。第10頁,共21頁，2024年2月25日，星期天b.補償散熱

混合量熱法要求實驗系統(tǒng)應該是一個孤立系統(tǒng)。除了使用量熱器外，在實驗操作過程中應注意：不要用手握量熱器；在遠離熱源及空氣流動太快的地方進行實驗；不能隨便打開量熱器的蓋子；盡可能使系統(tǒng)與外界溫差??；盡量使實驗迅速完成等。即使這樣，實驗過程中無法達到系統(tǒng)與外界完全絕熱，量熱器內(nèi)筒還會與周圍環(huán)境有熱交換。因此我們需要根據(jù)牛頓冷卻定律對散熱進行修正。第11頁,共21頁，2024年2月25日，星期天

設量熱器內(nèi)筒及筒內(nèi)的水、冰塊、攪拌器等為系統(tǒng)，系統(tǒng)表面的溫度（即量熱器內(nèi)筒的溫度，可近似為筒內(nèi)水的溫度）為θ。設量熱器內(nèi)筒以外即為環(huán)境，環(huán)境的溫度

可近似認為不變。當時，，系統(tǒng)向環(huán)境散熱；當時，，系統(tǒng)從環(huán)境吸熱。我們根據(jù)牛頓冷卻定律，選擇合適的系統(tǒng)初溫和終溫

，使,而,并使整個實驗過程中系統(tǒng)與環(huán)境之間的散熱與吸熱的代數(shù)和為零，使系統(tǒng)的散熱得到補償。第12頁,共21頁，2024年2月25日，星期天

在實驗過程中，剛投入冰時，水溫高，冰塊與水的接觸面積大，熔解快，水溫下降也快。隨著冰的不斷熔化，冰塊逐漸變小，水溫變低，冰熔解放慢，水溫下降也慢。量熱器內(nèi)筒的溫度(即簡內(nèi)的水溫)隨時間t變化的曲線如圖所示:與量熱器內(nèi)筒溫度所對應的時刻分別為

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根據(jù)(4)式，系統(tǒng)溫度從變?yōu)檫@段時間系統(tǒng)向外界散失的熱量：系統(tǒng)溫度從變?yōu)檫@段時間系統(tǒng)從外界吸收的熱量:

從圖3.1-1可知面積,面積。因此，。如果，系統(tǒng)的散熱和吸熱就前后抵消。而要使，關鍵在于選擇適當?shù)暮?。因此可設計幾組和都不同的條件下進行實驗，并測出它們各自的θ～t圖線，選其中最接近的那組實驗數(shù)據(jù)代人(3)式來計算λ

。第14頁,共21頁，2024年2月25日，星期天七、實驗步驟1.將量熱器內(nèi)筒和攪拌器擦干，分別稱出質量和，如果兩者材料相同可直接稱總質量，記錄室溫。2.取比室溫高出15℃左右的純凈水注入量熱器內(nèi)筒(水溫可用質量不同的冷水與熱水相混合的方法來調(diào)節(jié))，使水約占內(nèi)筒容積的2/3。稱出水與內(nèi)筒、攪拌器的總質量。將內(nèi)筒放在絕熱架上，插好攪拌器和溫度計，蓋好膠木蓋。3.輕輕攪拌內(nèi)筒里的水，熟悉溫度計的讀數(shù)方法(視線應正對水銀柱上端，對于分度值為0.1℃的水銀溫度計，應估讀到0.01℃)。從盛有冰水混合物的冰箱中，用竹夾子取出一小塊冰(0.01kg左右)，用紗布將冰決上的水吸干后，在將冰投入內(nèi)筒前的一瞬間記下水的初溫及初始時刻。注意投冰要快速、小心，不要濺出水珠，再迅速蓋好膠木蓋。第15頁,共21頁，2024年2月25日，星期天4.用攪拌器輕輕攪拌水的同時，每隔一定時間(如5s)記錄下相應的水溫。所測的最低溫度就是系統(tǒng)的終溫，與對應的時刻就是終了時刻

。

時刻以后，系統(tǒng)將從外界吸收熱量以致溫度回升。5.取出溫度計(避免帶出水珠)，用小量筒測出它浸入水中的體積V

。稱出熔解后冰、水、內(nèi)筒和攪拌器的總質量。6.要實現(xiàn)散熱補償，重新選擇M，m和，重復再測2次。用坐標紙繪出3次實驗的～t圖線，計算坐標紙的格子數(shù)以估算和，選取與最接近的那組數(shù)據(jù)代入(3)式計算λ

，為溶解熱的最佳測得值。第16頁,共21頁，2024年2月25日，星期天7.測量結果的標準不確定度的估算：由（3）式得知

實驗水的放熱遠大于量熱器內(nèi)筒、攪拌器、溫度計浸沒部分的放熱，（3）式可簡化為：

第17頁,共21頁，2024年2月25日，星期天8.數(shù)據(jù)表格記錄表1次數(shù)12345第18頁,共21頁，2024年2月25日，星期天表2θ～t關系數(shù)據(jù)（3組格式相同）計時t(s)0開始計時…1015………………水溫θ(℃)高于室溫15℃………………加冰前室溫第19頁,共21頁，2024年2月25日，星期天八、思考題1.混合量熱法應保證什么實驗條件?本實驗的“熱學系統(tǒng)”由哪些研究對象組成?2.實驗時為什么不