实验电热法测量油品的比热容

实验5 电热法测量油品的比热容

――设计性实验（一）

功和热长期被看作是互不相关的两个独立概念，直到伦福德提出“热本质上是一种运动”的观点后，才将两者联系起来。后来焦耳做了大量的工作，测量了功转化为热量的数值即热功当量，使人们对功和热的关系有了更深刻的理解。

物质的比热容是量热学中的一个重要概念，特别是在新能源的开发和新材料的研制过程中有着广泛的应用。由于散热因素多而且不易控制和测量，热学实验的精度往往较低，因此为了做好热学实验，必须学会分析产生各种误差的原因，找出改进的方法。

测量比热容有很多方法，如混合法、冷却法、电热法、比较法等。本实验根据焦耳定律采用电热法测量油品的比热容。

【预习提示】

本实验是设计性实验要求学生在进入实验室之前必须认真准备以下实验事项，并设计好实验方法和实验步骤：

1．什么是物质的比热容？电热法测量液体比热容时需要直接测量哪些物理量？

2．为了尽可能减少系统与外界的热量交换，实验中应采取哪些措施？

3．实验中怎样准确测量液体的末温度？

4.测量油品质量应在什么时间测量最佳？

5.如何确定加热功率的大小？

6.冷却油品需要多少时间为最佳？

7.系统中吸收热量的有哪几部分？

8.根据给定实验器材、实验原理提示和实验内容要求，设计出实验方法和实验步骤，拟定数

据记录表格。

【实验目的】

1．学会电流量热器的使用方法。

2．学习电热法测量液体比热容的基本原理和方法，巩固对热功当量和焦耳定律的理解。

3．了解热学实验中产生系统误差的主要因素，掌握减小或消除线性系统误差的对称测量法。

4．学会用电热法测量油品的比热容。

【实验内容与要求】

1．必做内容

（1）选择油品合适的初温和末温。将盛油品的内筒放到冰箱内冷却至比室温低5～6℃，作为油品的初温T1。

（2）根据已知数据（如内筒质量、油品质量、铜的比热容等）合理估算加热功率的大小，使加热时间为20~30分钟左右。

（3）加热过程中，每隔一定时间（约2分钟）记录一次电压和电流值。

（4）正确操作和测量油品的末温度T 2。计算油品的比热容，并计算不确定度。

2．选做内容

根据本实验的思路，试设计测量固体比热容的实验方案。要求简要说明实验原理和实验方法。

【实验原理提示】

电流量热器中加热电阻丝的电阻为Ｒ，电流为Ｉ，电阻丝两端的电压为Ｕ，通电时间为t ，根据焦耳定律，电流通过电阻丝所做的功即电阻丝的放热为

IUt Q =放 （1）

量热器的结构如图1所示，电阻丝完全浸没在油品中，当研究的系统与外界没有热量交换时，电流做的功全部转化为油品升温的热量。这里所研究的系统包括油品、量热器内筒、搅拌器、电阻丝和接线柱等。

设系统的初温和末温分别为Ｔ1和Ｔ2，系统由Ｔ1升高到Ｔ2所吸收的热量为

)()(120012T T m c T T m c Q -+-=油油吸 （2）

式中c 0为铜的比热容（K kg J c ⋅⨯=/10852.320），c 油为待测油品的比热容，m 0为铜制内筒、电阻丝、搅拌器和接线柱的质量。

在热学实验中，理想的绝热系统是很难实现的，当所测温度低于室温时，系统就从环境中吸收少量的热量；当所测温度高于室温时，系统就向环境中放出少量的热量。不管是吸热还是放热，都会给测量结果带来系统误差。为了减小或消除这种误差，可以采用以室温为中间值进行降温和升温的对称测量法；也就是说，如果室温为T ，则所取初温T 1、末温T 2，应尽量满足T T T T -=-21，这样可使开始时从环境中所吸收的热量尽量等于终了时所放出的热量。在给系统加热的过程中，系统升温过程与时间呈近似线性关系，而且不管是吸热过程还是放热过程，系统与环境的热交换规律是相同的，都符合牛顿冷却定律。但必须

注意牛顿冷却定律适用的温差范围，一

般取℃T T T T 621≤-=-。

【实验器材】

量热器（已知内筒、电阻丝、搅拌

器和接线柱的质量）、智能仪器测试仪

天平、冰箱、待测油品等。

实验装置如图1所示，D 为量热器

外筒，B 为内筒，E 为温度计，R 为加

热电阻丝，P为搅拌器，O为待测油品，G和H为接线柱。

智能热学测试仪使用说明：

1、检查量热器与仪器是否连接。

2、打开仪器的电源（在仪器的后面板右手侧），进行预热10分钟；

3、进入仪器的开始界面，按“测量”键进入测量温度状态，读取室内油品的温度；

4、按“设置”键，进入加热功率设置界面，此时电阻丝上已经通过电流开始加热，通过向上方向键或向下方向键提高或降低加热功率；

5、设置好之后仪器回到“测量”状态，界面出现“温度、电流、电压、时间”读数状态。此时电流、电压、时间读数为零；

6、方向键开始正式加热测量，达到要求后按左方向键停止加热。

【注意事项】

1．实验过程中实验者应避免直接接触量热器。

2．液体的初温和末温与环境温度相差不能太大，合理选择加热功率保证加热速度及测量时间，测量时间一般控制在30分钟以内。

3．量热器中加入油品要适量，一般以内筒高的三分之二为宜，不能过多或过少。搅拌要轻缓、均匀，不能将油品溅到内筒外面。

4．当油品温度快达到预期的末温时，切断加热电源并同时停止秒表的计时，但必须再轻轻搅拌1～2分钟，并注意观察温度读数，当升至最高温度时，才能将此时的温度作为油品的末温T2。

【思考与讨论】

1．在测量油品末温T2时，当看到温度上升到预定末温后，立即停止计时，并记录温度计的读数作为末温，这样做有何不妥？

2．在测量过程中，如果出现故障（如秒表停止计时，电压表、电流表不显示读数），在排除故障后，能继续进行实验吗？应怎样处理这种情况？

3．为了减小测量误差，也可以采用两只完全相同的电流量热器通过比较法进行测量，即通过待测液体与已知比热容的液体（常用水）进行比较来测量。请设计比较法测量比热容的实验方案，并与本实验方案进行比较，阐述二者的异同。采用哪一种实验方案测量会更准确一些？

【参考文献】

1．王云才，李秀燕．大学物理实验教程．北京：科学出版社，2003

2．丁慎训，张连芳．物理实验教程．北京：清华大学出版社，2002

3．周开学．工科大学物理实验．山东东营：中国石油大学出版社，2000