热功当量的测量

实验2 热功当量的测量

[实验目的]

1. 用电热法测热功当量。

2. 学习用牛顿冷却定律修正终温。

[仪器设备]

量热器 温度计 物理天平 停表 小量筒 稳压电源 直流电压表 直流电压表

[实验原理]

1．用电热法测热功当量J

功可以转化为热，热也可以转化为功，它们是能量转化的两种方式。功的单位常用焦耳（J ），热的单位常用卡（cal ），一卡的热量转化为功的焦耳数叫做热功当量，它的单位是1-⋅cal J 。

电热法测定热功当量的实验装置如图11—1所示。

图11—1

设加在电阻丝两端的电压为U ，通过电阻丝的电流为 I ，在时间 t ∆ 内，电场力做功为：

A=UI t ∆ （11—1）

如果这些功全部转化为热，使盛水的量热器系统的温度从0T 升高到 T ，则系统吸收的热量为：

))(46.0(033221100T T V c m c m c m c m Q -++++= (11-2)

式中00c m 、11c m 、22c m 、33c m 分别是水、量热器内筒、搅拌器、接线柱及电阻丝的热容量，V 是温度计插入水中部分的体积，单位是3cm ，Q 的单位是cal 。

如果整个过程系统和外界没有能量交换，则：

A=JQ （11-3）

故

)

)(46.0(033221100T T V c m c m c m c m t

UI Q A J -++++∆==

（11-4）

2、系统散热的修正

实际上，实验系统并非理想的绝热系统。在加热使系统升温的过程中，系统不可避免地要与外界进行热量交换（系统向外散热）。因此系统实际达到的终温 f T 要低于不散热时应达到的终温T.为了求得T ，比须先求得由于散热引起的温度损失T ∆。

T ∆=T-f T (11-5)

求T ∆的方法如下。

根据牛顿冷却定律，当系统温度与环境温度相 差不大时系统温度变化的速度与系统的温度T 和环境温度之差成正比。即：

)(θ-=T K dt

dT （11-6） 式中K 是散热系数，与系统的表面状况及热容有关。假若环境温度是不变的，则上式可写为：

)()(θθ-=-T K dt

T d （11-7） 实验时，选择系统自然冷却后的某时刻t=0，温度为'0T ，经过时间t 后温度为'f T ，则由（11-7）式积分，并代入上述条件，得：

θθ--='0'ln 1T T t K f （11-8） 将K 代入（11-6）式可算出每分钟系统散热而降低的温度近似等于：

)(θ-=T K dT （11-9）

实验过程中每隔一分钟记下系统在加热过程中的温度T 0、T 1、T 2、

3T ……。以

210T T +、221T T +、2

32T T +……作为第1、2、3…分钟的平均温度，根据（11-9）式可以求出第1、2、3…分钟内由于散热而降低的温度d 1T ,d 2T ,d 3T …，这样，第1、2、3、…分钟末由于散热而导致温度损失∆1T 、∆2T 、∆3T 、……为： ∆1T = d 1T

∆2T = d 2T

∆3T = d 3T

……

[实验内容]

1．用物理天平测出量热器内筒质量m 1,搅拌器的质量m 2，接线柱及电阻丝的质量m 3,在量热器内筒中加水，测出其质量m ',则水的质量m 0为： m 0= m '- m 1

2．按图11-1连接好电路，接通电源，同时按下停表计时，记下开始

，以后每隔一分钟记录一次水温，直至水时的环境温度θ和系统的温度T

温比室温高约100C左右。在此过程中必须不停的、均匀地，轻轻地对系统进行搅拌，并记录电压U和电流I。

3．断开电源，记下加热时间，隔一段时间后记下系统达到的最高温度，同时再记录一次室温。当系统自然冷却时，每隔一分钟记录一次系统的温度T。

4．测量温度计在水中部分体积V（方法同实验10）

5．计算热功当量。

[思考题]

1．实验应满足哪些条件？

2．如何用作图法求K值？

3．以下因素使测量结果是偏大还是偏小？

1）接线柱一部分露在外面；

2）θ偏低；

3）实验中有水溅出；

4）不进行散热修正。