H—9 液氮的汽化热的测量

1、“大平台”普通物理实验教案 物理教学实验中心4-15 液氮的比汽化热的测量 1 实验沿革：本实验中使用的仪器已有变动：电子天平替换物理天平、数字温度计替换水银温度计，因此操作上容易得多了。2 实验目的： 正确使用电子天平和电子秒表，学会用动态法称衡； 掌握量热器的使用方法，正确测量热量； 通过数据处理校正由于与外界热交换引起的误差； 学习液氮使用及测量的基本知识。3 实验原理： 比汽化热 L的定义： 在一个大气压下保持温度不变时，单位质量的液氮转化为氮气所需吸收的热量即为液氮的比汽化热L 。 测量M：将室温下的黄铜样品浸没入液氮中引起第一次热交换，根据热平衡原理得： (1) 式中为吸收黄铜样品

2、所放热量而汽化掉的液氮的质量。、为黄铜样品的质量和比热容。为室温，为液氮的温度（196）。 测量Q： 再将液氮中的黄铜样品取出后立即投入到量热器中引起第二次热交换，根据热平衡原理得： (2) 式中mw，ma，mc和cw，ca，cc为水、量热器内筒、搅拌器的质量和比热容，2，3为量热器中水的初温和末温。由式(1)和式(2) 得： （3） 物质比热容与温度的关系可查表（见实验室资料）。图1 总质量M随时间变化关系M-t图中ab段为液氮吸收空气中的热量而汽化使质量M减少的过程，bc段为液氮继续吸收空气中的热量，以及由于处于室温的黄铜样品浸没入液氮中引起的剧烈汽化，而使M迅速减小的过程，cd段表示样品

3、不再放热，而由于液氮吸收空气中热量使M减小的过程；过bc的中点作时间t轴的垂线fg则表示在bc段中仅考虑由于黄铜样品释放热量而使液氮汽化的那部分质量=mf-mg 。4. 预习要求及质疑题（做实验前的提问等）： 检查预习报告：实验原理中以上三个内容都应该有。 掌握电子天平、电子秒表、温度计、量热器的正确使用方法； 质疑： 明白实验原理及公式（3）中各量的物理意义； 电子天平的调节步骤 (1.调节底脚螺丝使水平泡至中间，2.将天平罩子罩上，3.“去皮”使天平上显示为0.00g。) 如何进行动态法称衡（即测量m-t对应值）？（1. 先在保温杯内装半杯液氮然后与黄铜样品一起放在天平盘上，天平罩子上方打

4、开，随着液氮的汽化，质量减少，当天平上读数为m1时按下秒表，记下时刻t1，过一分钟后，当天平上读数为m2=m1-0.5g时记下时刻t2,照此测好5个点，用来作图ab段直线。2.接着记下黄铜样品投入液氮的时刻tb，此时液氮大量汽化使瓶口急剧冒气，约一分钟后又冒一次，稍后即停止大量汽化，即样品温度与液氮温度达到平衡，此时应立即记下停止大量汽化的时刻tc。3接着像前面ab段一样测量5个点，用来作图cd段直线。） 测试前要掌握好电子秒表的正确使用（可由带课老师教会）。 温度计、量热器应如何正确使用？（1注意室温一直在变，量热器并非绝热，故水温应准时测量。2.正确使用搅拌器。黄铜样品即将投入水之前测量2

5、，投入后水温下降至最低点为3。）（请参考思考题4的答案） 搅拌器应如何操作？（1.搅拌器要不断地轻轻搅拌，不能太快太猛，以免做功使水温上升，同时也避免水溅出内筒。2.搅拌棒头上最好绝热一下。） 搅拌器有什么作用？（1.使量热器中水温均匀。2.可以使水温较快地达到平衡，减少环境影响。） 公式中的ht0。（由教师提示） 5. 实验步骤及每一点的注意事项： 称衡前调节电子天平。注意：观察天平底座上水平泡位置时应垂直往下看；旋动平衡螺丝帽时速度不要太快。 先称mb、ma、mc、ma+w 。参考数据 ： ma=2529g , mb=1013g , mc=6.5g左右，如偏离远应重测。量热器内筒中装半杯水

6、约60克。 动态法称衡mt值。注意： M值包括保温杯、液氮、黄铜样品。 正确使用秒表：在整个测试过程中秒表千万不能停止走动，只能在需记下某一时刻时，使表面处于暂停状态。为什么秒表不能停止走动（因为液氮一直在汽化，m在变；mt对应关系。） M值最好取.00 g或.50 g (便于作图),m取0.5g 。 tb、tc两点时刻应测准，不能错过，否则全部重做。 本测量过程如果失败的话，应全部重测，重测前将黄铜样品从液氮中取出用自来水冲洗，让其恢复到室温擦干后即可。 温度测量。注意： 1、2、3用同一支温度计测量。 1应在黄铜样品投入液氮时刻tb之前测量； 2、3测温时搅拌器必须不停地轻轻搅拌，同时眼睛

7、必须注视着读数，3应等水温回升后记下最低值。（参考数据：233，mw（23）180 g .） 。6. 实验操作的评分标准： 预习报告 10分 质疑 10分 天平操作和测量多个m值 10分 M-t 动态称衡 20分 正确使用量热器，测准1、2、3 10分7. 实验仪器等： 电子天平：型号：PB602-N，规格：最大称量610g，分度值0.01g 数字式温度计：型号：NTY-2A，规格：-25125，分度值0.1 量热器、电子秒表8. 实验仪器的说明书： 无。9. 典型测量数据及计算（作图）：mb(g)ma(g)ma+w(g)mw(g)mc(g)1()2()3()12.5327.8791.5163

8、.646.5116.015.112.3V1(ml)V2(ml)V(ml)4.25.21.0t(,”)049”149”246”344”t(s)049109166224M(g)227.00226.50226.00225.50225.00t(,”)527”631”737”838”940”t(s)327391457518580M(g)220.00219.50219.00218.50218.00tb=44”=244”，tc=457”=297” m-t图另附，注意图中t轴单位为秒，其余都按作图规则即可； 图中b、c两点位置是根据tb、tc值各在ab、dc延长线上确定。 为15时，黄铜的比热cb=cc=37

9、2J/kg·，铝的比热ca=899J/kg·。(63.64×10-3×4.18×103+27.87×10-3×899+6.51×10-3×372+0) ×(15.1-12.3)+12.53×10-3×372×(16.0-12.3)=199.8×103=200×103J/kg。已知一个大气压下液氮比汽化热的标准值为199×103J/kg。10. 实验报告要求及评分标准： 原理、仪器（10分） 原理要求简述三部分内容：L的定义；第一次热交换

10、（求mN），画出m-t图并示意；第二次热交换（求Q），写出最后求出L的公式，并写明各物理量的意义。仪器要求写名称、型号、规格、编号。 数据记录及计算（20分） 记录要列表，表格应画框线。 计算要求写出过程（先写L的公式，再写数据代入式，最后写结果）；作图（用坐标纸2025cm2 ）。 讨论 （10分） 11. 思考题的答案：书中P.138 答：保温杯瓶口结冰，使液氮汽化受影响，增加误差。 答：主要由于bc段大量汽化后，瓶口结霜温度降低，而液氮温度不变，所以温度梯度变小，使cd段的汽化速度变慢。 答：铜样品刚投入时温度很高，引起液氮大量汽化，产生了大量的低温氮气使空气中的水蒸汽冷凝，所以瓶口大量

11、冒烟；随着铜样品温度的下降，液氮汽化的程度减弱，瓶口少量冒烟；最后聚集在铜样品周围的气泡一下子被液氮挤出，引起液氮大量汽化，所以瓶口又大量冒烟，随即铜样品的温度与液氮温度一致，瓶口停止冒烟。 答：1、2、3用同一支温度计测量。（因为温度计的零点不一样）因为环境温度一直在变，所以要准时测量：1应在黄铜样品投入液氮时刻tb之前测量室温；2应在黄铜样品投入量热器之前测量水温，测温时搅拌器必须不停地轻轻搅拌，同时眼睛必须注视着读数，3应等水温回升后记下最低值。（主要由于量热器内水温低于室温，又由于量热器不绝热，跟环境有交换。）内筒中水约半杯不能过多或过少（水过多易溅出筒外，同时使（23）值偏小，使温度

12、的相对不确定度增大。水过少混合不均匀，3值测不准。测量时温度计端头不能靠近仪器底部或人体，不能接触到铜样品。 答：用公式LmNmb (1-N) 即可,实验测出mN（方法同本实验）、mb（金属质量）、1（室温）、N（液氮沸点） 。12. 学生易出现的错误及解决方法： 测量时天平数据跳动无法记录（由于电子天平很灵敏，所以实验桌子不能震动；或将天平罩子罩上防止风的影响。） 测m-t数据时，m值最好取.00 g或.50 g (便于作图),m取0.5g ，应该有规律的测量数据。（一方面养成良好习惯，另一方面便于检查实验数据）否则要求重做（还需视具体情况而定）参考数据 ：ab段的线性关系较好（t约为1分多

13、钟），bc两点时间约为1分多钟质量差约5克（如果相差3克，可能是保温杯中液氮太少了，铜样品没有完全浸没，cd段的线性关系不好（t大约从2分多逐渐到1分多钟） 测m-t数据时，秒表按错停掉。（要求重做） 水温没测好（要求重做，注意要搅拌，温度计端头不能接触到铜样品，数据要求按前面5.点所写） 实验报告中的主要问题：原理和步骤写得不合格：太简单或抄书太多。仪器不按要求写。纪录表格不画框线或不用直尺画，数据的有效数字少了或没有单位。作图问题比较多。（主要有：数据点符号、比例错误、bc两点位置错误、数据点位置不准、作图纸太小等 ）计算过程不写，计算结果错误。结论不写。（要求订正）13. 仪器易出现的问题及解决方法： 实验结束，量热器中的水倒掉，并将容器倒置晾干，否则内筒易腐蚀坏。 实验前将液氮倒入保温杯（半杯），如果发现杯子外面结露水或者液氮汽化速度变快了（0.5克液氮汽化只需30秒钟左右），那么说明保温杯坏了。14. 备用考试题及答案² 笔试题1.在Mt曲线中，e点是bc的_，fg的长度对应于_。2.从Mt曲线中可以得到液氮的汽化质量mN，则汽化掉质量为mN的液氮