第3讲：用混合法测量固体的比热容讲义

第3讲：用混合法测量固体的比热容
执教：刘英桢
实验目的
1.了解固体比热容的含义。

2.了解热平衡原理。

3.学会用混合法测量固体比热容的方法。

实验原理
物质的比热容是指质量为1千克的物质温度升高或降低1K （或1℃）所吸收或放出的热量，其单位为J/(Kg·℃)或J／（kg·K）。

设有两个或多个温度不同的物体混合，根据热平衡原理，热量将由高温物体传给低温物体，在一个相对封闭的系统内，热交换的结果是高温物体放出的热量等于低温物体吸收的热量。

物理实验中常用混合法测量固体或液体的比热容。

如有一个（除水以外）量热筒和搅拌器（铜质材料）等合质量为m c，内有一定质量的水为m s，即水和量热器的共同温度为θ1℃，此时将质量为m 、温度为θ2℃的被测物体放人量热器的水中，将整个装置视作一个封闭的系统，则当该系统达到热平衡、温度为θ℃时，被测物体的比热容为
式中，m s C s为水的热容量，其中Cs＝4 . 1868×103J ／kg·K）。

而m c C c为量热筒和搅拌器等合热容量，其中Cc＝0.385×103J ／(kg·K)。

实验中，由于考虑到插人量热器中的测温器件也要吸收一部分热量，所以在有条件的情况下，可采用铜和康铜组成的热电偶测温，因该热电偶是两根细丝，又是与量热器接近的材料，总体上吸收热量较小，对整个系统在热平衡状态下的影响较小，所以实际在计算被测物体的比热容时仍可用（3-1）式。

如果实验中有办法略去量热器和温度计的热容量，则（3-1）式可变为
以上讨论的情况都是在假定系统与外界不产生其它热交换前提下得到的结论，实际在做实验时，当被测物体放入量热器的过程中，总会有一些热量要释放到系统以外，所以应当尽量设法减少热量的损失，同时也包括不必要的增加热量，以免引起被测物体比热容结果的过大偏差。

另外，实验时，由于被测物体放入量热器后，在水的温度达到最高值前，已有部分热量传给了周围环境而散失掉，此时（3-1）式中的θ温度与理论上分析的结果是有偏差的，所以需要对测出的数据作适当的处理，即采取将实验得到的温度和时间数据作出θ- t 关系图，然后用外推法求出理论上的θ1和θ2，见图3-1 所示。

本实验由于秤衡质量的精度通常要比测量温度的精度高很多，所以对来自于温度方面的误差应多为关注。

图（3-1）所示，被测物体投入前的吸热线AB 向前延长，混合后的放热线CD 向后延长，然后过室温θ0作一条水平线交于O点，实验中尽量使θ0-θ1≈θ-θ0，而O点在时间轴上的竖线又分别交于 E 和 F 点，即表示被测物体在量热器系统内进行热交换过程中水的初温θ1和末温θ。

实验器材
天平（附砝码）、量热器（包括内筒、搅拌器等）、温度计、被测物体、水、加热器、秒表。

实验方法
1 ．测量固体的比热容
（1）用天平称出被测固体的质量m （铝块或铜块）和量热器同筒及搅拌器质量mμ。

（2）在量热筒内倒入适量的水和冰屑，称出量热器内筒、搅拌器和水的质量mμ+m s
(3)将量热筒放进保温装置，通过轻轻的搅拌，使水温均匀地降低到室温以下5 ℃左右，然后每隔一分钟测一次水温。

（注意：不能使筒外表有水凝，同时在搅拌过程中也不要将水溅出筒外）。

(4)约五分钟后，将加热好的被测固体（铝块或铜块）迅速而准确地倒人量热筒内（注意：同样不能使量热器中的水溅出），快速加盖后均匀搅拌，同时，每隔半分钟测一次水温直至水温均匀下降。

整个过程与图3-1 上的曲线规律相似。

思考题
1.该实验中，在量热筒内倒入多少水为合适量？
2.为何将初始测温点定在室温以下左右？
3.实验中为何使温度θ0-θ1≈θ-θ0（见图 3-1所示）?。