固体比热容的测量

固体比热容的测量

一、 实验目的

1、 掌握基本的量热方法——混合法;

2、 测定金属的比热容;

3、 学习一种修正散热的方法。

二、 实验仪器

量热器、温度计(0、00-50、00 0C 与0、0-100、0 0C 各一支)、物理天平、待测金属粒、冰、停表、加热器、量筒等。

三、 实验原理

1、 混合法测比热容

依据热平衡原理,温度不同的物体混合后,热量将由高温物体传给低温物体,如果在混合过程中与外界无热量交换,最后达到均匀稳定的平衡温度。根据能量守恒定律,高温物体放出的热量就应等于低温物体吸收的热量,即:

本实验即根据热平衡原理用混合法测定固体的比热。设量热器(包括搅拌器与温度计插入水中部分)的热容为C,实验时,量热器内先盛以质量为0m ,温度为1t 的冷水,之后,把加热到温度为2t 质量为m 的待测金属块投入量热器中,经过热交换后,水量热器与金属块达到共同的末温θ,依热平衡方程有:

))(()(1002t C c m t mc -+=-θθ (1)

即 )

())((2100θθ--+=t m t C c m c (2) 量热器的热容C 可以根据其质量与比热容算出。设量热器筒与搅拌器由相同的物质制成,其质量为1m ,比热容为1c ,则

C c m C '+=11 (3)

式中C '为温度计插入水中部分的热容。C '的值可由下式求出:

{}{

}3109.1cm C J V C ='-⋅ 式中V 为温度计插入水中部分的体积。{}10-⋅'C J C 表示C '以J ·0

C -1为单位时的数值,而{}3cm V 表示V 以cm 3为单位时的数值。

2、 系统误差的修正

上述讨论就是在假定量热器与外界没有热交换时的结论。实际上只要有温度差异就必然会有热交换存在,因此实验结果总就是存在系统误差,有时甚至很大,以至无法得到正确结果。所以,校正系统误差就是量热学实验中很突出的问题。为此可采取如下措施:

1)要尽量减少与外界的热量交换,使系统近似孤立体系。此外,量热器不要放在电炉旁与太阳光下,实验也不要在空气流通太快的地方进行。

2)采取补偿措施,就就是在被测物体放入量热器之前,先使量热器与水的初始温度低于室温,但避免在两热器外生成凝结水滴。先估算,使初始温度与室温的温差与混合后末温高出室温的温度大体相等。这样混合前量热器从外界吸热与混合后向外界放热大体相等,极大地降低了系统误差。

3)缩短操作时间,将被测物体从沸水中取出,然后倒入量热器筒中并盖好的整个过程,动作要快而不乱,减少热量的损失。

4)严防有水附着在量热筒外面,以免水蒸发时带走过多的热量。

5)沸点的校正。在实验中,我们就是取水的沸点为被测物体加热后的温度,但压强不同,水的沸点也有所不同。为此需用大气压强计测出当时的气压,再由气压与沸点的关系通过查表查出沸点的温度。

采取以上措施后,散热的影响仍难以完全避免。被测物体放入量热器后,水温达到最高温度前,整个系统还会向外散热。所以理论上的末温就是无法得到的。这就需要通过实验的方法进行修正:在被测物体放入量热器前4-5min 就开始测度量热器中水的温度,每隔1min 读一次。当被测物体放入后,温度迅速上升,此时应每隔0、5min 测读一次。直到升温停止后,温度由最高温度均匀下降时,恢复每分钟记一次温度,直到第15min 截止。由实验数据作出温度与时间的关系t T -曲线,如图1所示。

图1 温度与时间的关系曲线 为了推出公式(2)中水的初温度1t 与末温θ,在图1中,对应于室温在曲线上之O 点作一垂直与横轴的直线。然后将曲线上升部分AE 及下降部分FD 延长,与此垂线分别相交于B 点与C 点,这两个交点的温度坐标可瞧成就是理想情况下的T 1与T 2,即相当于热交换无限快时水的初温1t 与末温θ。

四、 实验内容与步骤

1、称出质量为m 的金属粒,放入加热器中隔水加热。在沸水中至少15min,才可认为金属粒与水同温。水沸腾后测出大气压强P 。

2、在金属粒加热的同时,称出量热器内筒及搅拌器质量1m ,然后倒入适量的水,并加入冰屑使水温降低到室温下6~4(注意:不能使筒外表有水凝结),称出总质量10m m +,求出水的质量0m 。

3、在倒入金属粒前,一面用棒轻轻搅动,一面每隔一分钟测一次水温,计时5分钟后将加热好的金属粒迅速而准确地倒入量热器内(注意:不能使量热器中水溅出,又切勿碰到温度计),立即将盖盖好并继续搅拌,同时,每隔半分钟测一次水温。至水温均匀下降,每隔一分钟测一次水温,连续10min 左右为止。

4、用排水法将温度计浸没于水下的体积在小量筒中测得。先将水注入小量筒中,记下其体积1V ,然后将温度计插入水中,使温度计插入水中的体积与在量热筒中没入水中的体积相同(以从量热筒中取出温度计上水印为准),读出液面升高后的体积2V ,则温度计插入量热筒水中的体积为:12V V V -=(注意:实验中温度计中的水银泡一定要没入水中,但又不能碰到锌粒)。

5、查表得到实验气压条件下水的沸点T ',即作为金属粒加热后的温度2t 。

6、作温度-时间曲线,求出1T 与2T ,即公式(2)中水的初温度1t 与末温θ。

五、数据记录及处理

自拟表格记录测量的有关数据。根据公式(2)求出金属粒的比热c ,并与其标准比热比较,求出相对误差。

六、思考题:

1.混合量热法的原理就是什么？它的基本实验条件就是什么？如何保证？

2.实验中质量称衡采用了精度较低的物理天平,为什么测量温度却采用了分度值为0.10

C 的精密水银温度计?

3.为了提高量热精度,实验中采取了哪些措施？

4.试分析您在实验中对各参量(如温度、水的质量等)的选取就是否得当?

[附记]

温度计插入水中部分的热容可如下求出:已知水银的密度为13.6g ·cm -3,比热容为0、139J ·g -1·0C -1,其1cm 3的热容为1、89 J ·cm -3·0C -1。而制造温度计的耶那玻璃的密度为2.58 g ·cm -3,比热容为0、83 J ·g -1·0C -1,其1cm 3的热容为2、14J ·cm -3·0C -1,它与水银的很相近,因为温度计插入水中部分的体积不大,其热容在测量中占次要地位,因此可认为它们1cm 3的热容就是相同的。设温度计插入水中部分的体积为V(以cm 3为单位),则该部分的热容C '的数值可取为{}{}3109.1cm C J V C ='-⋅,V 可用盛水的小量筒去测量。