物理实验二冰的溶解热的测定

实验二 冰的溶解热的测定 实验目的 1 掌握热学两个基本量 温度与热量的测量方法 2 学习用混合法测定冰的溶解热 3 了解修正散热的方法 实验仪器 量热器 物理天平 温度计 吸水纸 量筒 烧杯 实验原理 在一定的压强下 对晶体加热 晶体升高到一定的温度才溶解 这个温度称为晶体的溶点 在整个溶解过程中 晶体需要吸收热量 但是温度却保持不变 晶体全部溶解成液体以后 仍然继续加热 温度才会上升 单位质量的某一晶体在溶点溶解成液体所需吸收的热量 叫做该晶体的溶解热 本实验根据热平衡原理 用混合量热法测定冰的溶解热 混合量热法的基本做法是将待测 系统 A 与一个已知热容的系统 B 相混合 组成一个系统 并设法使它成为一个与外界没有 热量交换的孤立系统 A 或 B 所放出的热量全部为 B 或 A 所吸收 因为已知热容的 系统在实验过程中所传递的热量 Q 是可以由其温度的改变和其热容计算出来的 即 T S C 因此待测系统在实验过程中所产生的热量也就知道了 实验中把一定量的冰 TCQ S 放在一定量的水中 由水温的变化来求得冰的溶解热 若将质量为 M 的水放入量热器的内筒 有水 内筒 搅拌器和温度计组成已知热容的 系统 B 测出其温度 再将质量为 m 温度为的纯冰放入内筒 冰就是待测系统 1 C o 0 A 使两系统混合 冰吸收热量全部溶解成水 最后两系统达到热平衡 测出它们最终的 温度 在此过程中 冰由溶解并升温到 所吸收的总热量为 其中 L 为 2 2 2 mcmL 冰的溶解热 为水的比热容 若量热器内筒及搅拌器材料相同 质量为 比热容为 c 1 m 1 c 则该系统在实验中放出的热量为 当系统与外界的热交换可以忽略 2111 cmMc 时 B 放出的热量等于 A 吸收的热量 即 AB QQ 1 或 2 21 112 1 9 mLmcMcmcV 式中为温度计插入水中部分的热容 V 为温度计插入水中部分的体积 单位用 V9 1 3 cm 由 2 式可得冰的溶解热为 3 1 112 2 1 9 McmcV Lc m 这就是求冰的溶解热的公式 导出公式 1 时 我们是假定系统为一孤立系统的 但实际上并非如此 只要系统与 外界之间有温差 两者就有热量交换 温差越大 实验时间越长 交换的热量就越多 为 了减小误差 要尽可能减小两者之间的温差并且加快实验进程 注意不要直接用手握量热 器的任何地方 不要在阳光直接照射下或空气流动太快的地方进行实验 冬天不要在火炉 或暖气旁实验 尽管如此 仍不能使系统成为真正孤立的系统 因此 作精密测量时就需要采用一些 办法 以求出实验过程中系统散失或吸收的热量 在系统与环境温度差不大时 这种修正 是根据牛顿冷却定律来进行的 由牛顿定律知 当系统温度与外界温度相差不大时 系统散热速度与温度成正比 即 dtdQ 4 dQ K dt 式中 K 是比例常数 称为散热系数 其大小 与系统的表面积和表面的热辐射本领有关 图 1 是系统的冷却曲线 温度随时间变 化的关系曲线 图中为外界温度 和 1 分别为系统的初始温度和最终温度 由图 2 可见 在时间段内 系统温度高于外界温 ab 度 即 系统释放热量为 根 0 1 Q 据 4 式可得 图 1 5 1 1 1 t t t t QKdt Kdt 在段 系统温度低于外界温度 系统从外界吸收热量为 则 bc0 2 Q 22 2 tt tt QKdtKdt 6 在这段时间内 系统温度从降到 它与外界交换的总热量为 21 tt 1 2 7 12 QQQ 将 5 6 代入 7 得 2 1 tt tt QKdtKdt 8 由图 1 可知 积分和分别为面积和 若能使 则 1 t t dt 2 t t dt 1 S 2 S 21 SS 即在实验过程中系统对外界的散热和吸热相互抵消 总的效果相当于系统与外界 0 Q 并无热量交换 从而相当于一个孤立系统 由此可见 实验时使系统的初始温度高于外界温度 而使其最终温度低于 就 1 2 可以设法使整个实验过程中系统与环境间的热量传递前后彼此抵消 考虑到刚投入冰块时 水温高 冰的有效面积大 降温快 随着水温下降 冰块变小 降 温会越来越慢 所以使 必须 至于高出多少才合适 可在实验中 21 SS 21 通过预选数据的分析而定 实验内容与步骤 秤出量热器内筒及搅拌器的质量 1 m 测定水的质量 在内筒中装入温水 水约占内筒容积的 称出内筒 搅拌器和 3 1 2 1 水的总质量 测得水的质量 m 1 mmM 测出冰在溶解过程中水温与时间的关系 完成上述称衡后 从冰水混合物中取出的纯冰 冰要透明 无气泡 质量约为温水质 C o 0 量的 用吸水纸吸干冰表面的水 测出内筒水温和对应时间 立即将冰块投入内 10 1 1 1 t 筒 盖上绝热盖 以后轻轻搅拌 每隔 20 秒记录一次水温和对应时间 直到水温不再下降 为止 记录下最低温度和对应时间 2 2 t 测量内筒 搅拌器及水的总质量 算出冰的质量 2 m 2 mmm 测得玻璃水银温度计的热容量 玻璃的比热容为 密度为 水银的比热容为 密 80 0 KgJ 3 5 2cmg 14 0 KgJ 度为 因此的玻璃的热容为 得水银的热容 3 6 13cmg 3 1cmKJ 0 25 280 0 3 1cm 为 两者可认为近似相等 所以式 3 中温度计的热容为 KJ 9 1 6 1314 0 用盛水的小量筒量出水银温度计浸入水中部分的体积 V 就可以算出它的热容 KVJ 9 1 将测出的有关数据代入式 3 算出冰的溶解热 冰在一个大气压下的溶解热为 分析数据和实验误差 重新选择适当的 kgJ 10330 3 1 温水及冰的质量 再做一次 实验数据处理 表一 质量 1 m 总质量 m水质量M 总质量 2 m 冰的质量m 表二 冰溶解过程中温度 加冰 前水 温 1 时 间 1 t 0s20s40s60s80s100s120s 加冰后 水最低 温 2 时 间 2 t 表三 温度计的热容 3 1cm 浸入水中温度计的体积 V浸入水中温度计吸收的热量 Q KJ 9 1 分析与讨论 为什么要设法使实验系统成为