测定冰的熔解热

实验4-4 测定冰的熔解热

混合法是热学实验中的一种常用方法，其基本原理可用热平衡方程式来描述，即在一个孤立系统中，一部分物体所吸收的热量等于该系统中其它物体所放出的热量。本实验用混合

法测冰的熔解热，关键是必须保证系统为孤立系统？（即系统与外界环境没有热交换）。

【实验目的】

1 •掌握用混合法测定冰的熔解热的方法。

2.学习散热修正的一种方法。

【实验器材】

量热器、物理天平、温度计、水、冰块、秒表、取冰夹子等。

【实验原理】

一、用混和法测定冰的熔解热

将质量为m。、温度为0°C （以厲表示）的冰放入质量为m、温度为二的温水中（温水盛在量热器的内筒里），通过搅拌待冰全部熔解后，其平衡温度为-1。在此交换过程中，

冰先吸收热量m o （■为冰的熔解热）而熔解为00C的水，再从00C升温到円，又吸收热量为5口0（可-入）,C0为水的比热容。量热器系统（内筒、搅拌器、温度计）与原来的温水放出的热量可表示为（c0m + c1m1+ c2m2+ c0m3）- ）。其中G、m1分别为铝的比热容和内筒的质量，C2、m2分别为铜的比热容和搅拌器的质量，mm3为温度计温度降10C

所放出的热量，它相当于质量为m3的水温度降10C所放出的热量，m3的值由实验室给出

（习惯上m3称为温度计的水当量）。根据平衡原理有

■ m0 + c°m0 （刊-%）= （C0m + Gg + C2m2+C0m3）（v - n）（4-4-1）即

（c°m 补。2口2 亦3）「「打）「°）…

'= （4-4-2 ）

m0

1 1

C0、C1、C2 的值分另U 为C0 =4.1 7JB g K C2 =0.385J g A K A（它们随温度的变化可忽略不计）。

可以看出，本实验的关键是必须保持系统为孤立系

统？，即系统与外界环境没有热交换，热传递有三种方

式：①热传导；②热对流；③热辐射。实验中考虑了整

个“热学系统”的吸热与放热，“热

学系统”主要由量热器的内筒、搅拌器、温度计以及水

和冰块组成。量热器结构上有效地防止热传递。

量热器的结构如图4-4-1所示，为防止热传递，内

筒放在外筒内的绝热支架上可防止热传导，外筒

用绝热盖盖住，因此可防止空气与外界对流，而且空气

是热的不良导体，所以内、外筒间因对流传递

的热量可减至很小。内筒的外壁及外筒的内壁都电镀得十c^0.904J g」K」、

絶缘圈搅拌器

盖手

图4-4-1量热器结构示意图

分光亮，使得它们发射或吸收辐射

热的本领变得很小，因此可以减小（本实验的热学系统和环境之间） 因辐射而产生热量的传

递。这样的量热器可以使实验的热学系统粗略地接近于一个绝热的孤立系统了。

二、散热修正

保持实验系统为孤立系统是混合法测定冰的熔解热的必要条件，

但是，把冰块投入量热

器的温水中，冰块不可能立即熔解， 在整个实验过程中， 系统必然要与外界交换热量。 换言 之，系统不是一个严格的孤立系统，这就破坏了式（

4-4-2）的成立条件。所以按式（4-4-2）

计算出来的熔解热必然存在相当大的误差，为此必须对热量损失进行修正。

根据“牛顿冷却定律”，在系统温度二与室温“相差不大时，系统与环境之间的传热速 率

dQ.dt 与温差（二-片）成正比，即

dQ dt = K(—片)

dQ 二 KMt- K^dt

式中K 是常量，系统温度v 是 时间

t 的函数，室温 亠认为是 基本不

变的。如果我们以横轴 代表时间

t ，以纵轴代表温度 二，作出二一t 图U 二一t 曲 线与等温线 亠所

包围的面积 可代表传热量Q （相差一个比 例常数K ），如图4-4-2所示。 图中t i 为投入冰块的时刻，t 2 为温度最低的时刻。曲边三角形

C DG 可代表系统从外界吸收的热

量。

把水的初温预热到室温以上， 而使冰熔解后系统的末温在室温以下。

以室温为界，把整

个过程分为放热和吸热两个阶段， 这样，就能使在第一阶段和第二阶段不免要发生的热量交 换得到一定的补偿。

一般说来，系统向外界散发的热量不会等于它从外界吸收的热量，

因为这涉及到的因素

很多，诸如水的初温，水的质量，冰块的质量等。为了获得更准确的测量结果，还必须进行 散热修正。

图4-4-3表示系统温度 二随时间t 的变化曲线，图中 AB 段是投入冰前温水的自然降温 曲线（由于温度高于室温 片，系统向外界散热，温度逐渐降低），在B 点（温度^B ）将冰 投入水中，BD

段是投冰后水的降温曲线，到

D 点冰全部熔解并升温至与量热器中水的温

度相等，此时温度^D 低于室温 片，系统将从外界吸收热量而逐渐升温， 如图中DE 段所示。

BD 段水的温度由rB 降至二D 是由两个因素共同造成的， 一个是系统与外界有热交换导 致水温

变化（其中系统向外界散发的热量可用面积

S 4表示，从外界吸收的热量可用面积 （S 2 +S 5 ）表示，系统从外界吸收的净热量表示为（

S 2 +S 5- S 4 ），图中0是BD 与日r 等

温线的交点）。另一个是冰的吸热引起水温下降。因此，只是因为冰的吸热引起的水温下降 并不等于（°B -），用日B 和日D 分别代替式（4-4-2 ）中的&和6显然是不妥当的。

下面我们设计一个与实际过程

BD 等价的过程，即图4-4-3中的BMND 过程（M 点为

(4-4-3) (4-4-4)

BFC •的面积可代表系统向外界散发的热量，曲边三角形

*

图4-4-2热量补偿示意图

片甘E ■ ■―二M

图4-4-3 散热修正示意图