利用电热法测量金属的比热容

利用电热法测量金属的比热容
刘竹琴
【摘要】金属比热容是金属物质的一个重要参数,是热学中的一个重要概念.设计利用电热法测量金属的比热容,利用电阻丝产生的热功,使量热系统内待测金属块、搅拌器、玻璃杯、蒸馏水等吸收热量,由于绝热系统所放出的热量等于系统内物质所吸收的热量,根据热平衡方程从而求出待测金属的比热容.将测量结果与标准值相比较,其相对误差较小,证明该方法可靠.%Metal specific heat capacity is an important parameter of metal material,and is an important concept in thermal science.Designed electric heating method is used to measure the specific heat capacity of the metal.The heat produced by using resistance wire,makes the calorimetric system in distilled water absorb heat,including metal piece under test,mixer,etc,due to heat energy of the thermal insulation system that is released is equal to the heat absorbed by the material in the system.According to the heat balance equation the specific heat of the metal under test is pared with the standard value,the relative error is small,and the method is proved to be reliable.【期刊名称】《河南科学》
【年(卷),期】2017(035)010
【总页数】4页(P1570-1573)
【关键词】电热法;金属比热容;测量;热平衡方程
【作者】刘竹琴
【作者单位】延安大学物理与电子信息学院,陕西延安716000
【正文语种】中文
【中图分类】O4-34
物质的比热容是量热学中的一个重要概念，是金属物质的一个重要参数，在新能源的开发和新材料的研制过程中有着广泛的应用.目前测量金属比热容的方法有：冷
却法［1-3］、混合法［4-6］、比较法［7-9］等.本文设计利用电热法测量金属
的比热容，即利用电阻丝对绝热系统进行加热，测量出加热时间和系统初温、末温，计算出量热系统内已知物质所吸收的热量，根据热平衡方程，即系统电阻丝所放出的热量等于系统内各物质所吸收的热量，得出待测金属块的比热容，这种方法测量结果误差较小，避免了混合法中固体投入液体中产生的散热误差，又可减少比较法中不易满足的测量条件［10-12］，为金属比热容的测量提出了一条思路.下面介
绍这一测量原理与测量方法.
当一个量热系统处于平衡态时，若初温为T1，当给量热器内电阻丝两端加上电压U，通以电流I，通电时间为t，则电阻丝放出的热量为
当该量热系统吸收热量后，又处于一个新的平衡态时，设末温为T2.则该系统吸收热量为
式中：m1、、m2、m3、m4分别为量热系统内待测金属块的质量、搅拌器的质量、量热器内筒的质量、量热器内蒸馏水的质量；c1、c2、c3、c4为相应物质的比热容.
如果该量热系统与外界没有热交换，则根据热平衡方程得
由式（3）得，待测金属的比热容为
式（4）就是用电热法测量金属比热容的实验公式.
具体方式如下：
①将IT-1电流量热器、BX7-11型滑动变阻器、54-7型电压表、WYT-20直流稳压电源、DM-A2数字电流表、DM-T数字温度计、导线、开关按照图1连接.
②用物理天平分别称量金属块、搅拌器和量热器内筒的质量，分别为m1、m2、m3，在量热器内筒中加入适量蒸馏水，蒸馏水不超过内筒的2/3，再次称量蒸馏水的质量m4.
③将装有蒸馏水的量热器内筒放入量热器内，将待测金属块小心放在量热器内筒中间，再把装有搅拌器、加热电阻丝、温度传感器的盖子固定在热量器上面，检查电路.过5 min后，待温度计示数不发生变化时，记录系统初温T1.
④闭合开关，同时开始计时，将初温和末温在距离室温3℃以内.时间控制在10 min左右，注意慢慢搅拌，并记录电压和电流的变化.
⑤每隔1 min记录一次水温T、电流值I、电压值U.
⑥当温度上升5℃左右、时间达到10 min的时候，关闭电源并记录通电时间t，同时继续观察温度变化，直到平衡为止，记录末温T2.
2.2.1 实验数据记录系统初温为T1、末温为T2、待测金属块质量为m1、搅拌器质量为m2、量热器内筒质量为m3、蒸馏水质量为m4，测量数据见表1.
系统温度T、电流I、电压U随时间变化测量数据见表2.
2.2.2 数据处理由表2计算得电热丝两端的平均电压：=5.60 V，平均电
流：ˉ=0.928 A.
将以上测量数据和已知数据：搅拌器（铜）的比热容C2=0.39×103J·kg-1·℃-1，量热器内筒（玻璃）的比热容C3=790 J·kg-1·℃-1，蒸馏水的比热容
C4=4.2×103J·Kg-1·℃-1，代入（4）式，得待测金属的比热容：
由于本次实验中温度、时间、质量是单次测量，所以要对这些测量值的不确定度进行估算，此处只考虑B类不确定度.本实验的误差主要来源于温度、时间、电流、电压的测量，所以只考虑温度、时间、电流、电压的影响.
测量值温度的不确定度为
测量值时间的不确定度为
测量值电流的不确定度为
电流表为数字电表，最小分度值是1 mA，所以误差限取Δ=0.001 A
测量值电压的不确定度为
电压表为一级电表，实验选用量程是0～15 V，
由误差传递公式得
则待测金属的比热容为
将测量结果与铝块的标准值c标=0.88×103J·kg-1·℃-1.相比较，其相对误差为
本文利用电热法测量金属铝的比热容，由于绝热系统内电阻丝放出的热量等于系统内各物质吸收的热量，已知系统内各吸热物质的质量和比热容，根据热平衡方程计算出了铝块的比热容并与标准值进行了比较，其相对误差较小，测量结果可靠.本
文是实验者在已有知识技能的基础上提出的一个实验方法，由于该方法简单、原理清晰、易于操作，因此值得推广.
（编辑张继学）
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