实验四、固体比热容的测量(混合法)

1、 量热实验主要研究量热实验主要研究物质比热、熔解热以及热功当量物质比热、熔解热以及热功当量 的测定方法。量热实验应用很广泛，特别是在新能源新的测定方法。量热实验应用很广泛，特别是在新能源新 材料的研制中，就必须了解它的热学性能。量热实验中，材料的研制中，就必须了解它的热学性能。量热实验中， 由于产生散热的因素很多且不易控制和测量，实验精度由于产生散热的因素很多且不易控制和测量，实验精度 较低。为提高实验精度，就需要对产生误差的各种因素较低。为提高实验精度，就需要对产生误差的各种因素 进行分析，找出减少误差的方法，这些训练有利于实验进行分析，找出减少误差的方法，这些训练有利于实验 能力的提高。能

2、力的提高。 实验四、固体比热容的测量（混合法）实验四、固体比热容的测量（混合法） 实验四、固体比热容的测量（混合法）实验四、固体比热容的测量（混合法） 实验目的实验目的 实验内容实验内容 实验重点实验重点 实验仪器设备及材料实验仪器设备及材料 实验简介实验简介 量热器量热器 实验原理实验原理 实验步骤实验步骤 思考思考 一、实验目的一、实验目的 1. 通过实验了解量热器构造，学习对实验环境的控制通过实验了解量热器构造，学习对实验环境的控制 2.掌握基本测量仪器使用，及正确合理地分析误差。掌握基本测量仪器使用，及正确合理地分析误差。 二、实验内容二、实验内容 通过实验了解量热器构造，学习对实验环

3、境的控制通过实验了解量热器构造，学习对实验环境的控制 三、实验重点三、实验重点 1.了解量热器的构造，如何保证量热器为孤立系统。了解量热器的构造，如何保证量热器为孤立系统。 2.如何对实验过程中的吸热、散热做出校正，尽量使如何对实验过程中的吸热、散热做出校正，尽量使 二者相抵消，以提高实验的精度。二者相抵消，以提高实验的精度。 四、实验主要仪器设备及材料四、实验主要仪器设备及材料 金属块，分析天平，量热器金属块，分析天平，量热器 ，温度计，烧杯，温度计，烧杯， 水，电热杯，冰箱水，电热杯，冰箱, 量筒量筒, 搅拌器，秒表，镊子。搅拌器，秒表，镊子。 五、实验简介五、实验简介 1919世纪，随着

4、工业文明的建立与发展，特别是蒸汽世纪，随着工业文明的建立与发展，特别是蒸汽 机的诞生，量热学有了巨大的进展。经过多年的实验机的诞生，量热学有了巨大的进展。经过多年的实验 研究，人们精确地测定了热功当量，逐步认识到不同研究，人们精确地测定了热功当量，逐步认识到不同 性质的能量（如热能、机械能、电能等）之间的转化性质的能量（如热能、机械能、电能等）之间的转化 和守恒这一自然界物质运动的最根本的定律，成为和守恒这一自然界物质运动的最根本的定律，成为1919 世纪人类最伟大的科学进展之一。从今天的观点看，世纪人类最伟大的科学进展之一。从今天的观点看， 量热学是建立在量热学是建立在“热量热量”或或“热质

5、热质”的基础上的，不的基础上的，不 符合分子动理论的观点，缺乏科学内含。但这无损量符合分子动理论的观点，缺乏科学内含。但这无损量 热学的历史贡献。至今，量热学在物理学、化学、航热学的历史贡献。至今，量热学在物理学、化学、航 空航天、机械制造以及各种热能工程、制冷工程中都空航天、机械制造以及各种热能工程、制冷工程中都 有广泛的应用。有广泛的应用。 比热容是单位质量的物质升高（或降低）单位温度比热容是单位质量的物质升高（或降低）单位温度 所吸收（或放出）的热量。比热容的测定对研究物质的所吸收（或放出）的热量。比热容的测定对研究物质的 宏观物理现象和微观结构之间的关系有重要意义。宏观物理现象和微观结

6、构之间的关系有重要意义。 本实验采用混合法测固体（锌粒）的比热容。在热本实验采用混合法测固体（锌粒）的比热容。在热 学实验中，系统与外界的热交换是难免的。因此要努力学实验中，系统与外界的热交换是难免的。因此要努力 创造一个热力学孤立体系，同时对实验过程中的其他吸创造一个热力学孤立体系，同时对实验过程中的其他吸 热、散热做出校正，尽量使二者相抵消，以提高实验精热、散热做出校正，尽量使二者相抵消，以提高实验精 度。度。 六、量热器六、量热器 量热器种类很多，因测量目的不同，有不同结构量热器种类很多，因测量目的不同，有不同结构. .本本 实验如图所示：由绝热材料制成的外筒实验如图所示：由绝热材料制成

7、的外筒和由良导体材和由良导体材 料制成的内筒料制成的内筒构成构成. .容纳液体的内筒固定在由保温材料容纳液体的内筒固定在由保温材料 构成的绝热架构成的绝热架上，外筒口用胶木盖上，外筒口用胶木盖盖住，胶木盖的盖住，胶木盖的 中央孔用来插温度计中央孔用来插温度计，旁边的小孔用来插搅拌器，旁边的小孔用来插搅拌器. .量量 热器这种内外筒封闭结构减少了对流和热传导，内筒壁热器这种内外筒封闭结构减少了对流和热传导，内筒壁 又很光洁减少了热辐射，从而减少了筒内液体与周围环又很光洁减少了热辐射，从而减少了筒内液体与周围环 境的热交换境的热交换. . 七、实验原理七、实验原理 1 1、热平衡原理、热平衡原理

8、设一个热力学孤立体系中有设一个热力学孤立体系中有n n种物质，其质量分别种物质，其质量分别 为为 ，比热容为，比热容为 （ ）。开始时体系处于）。开始时体系处于 平衡态，温度为平衡态，温度为 ，与外界发生热量交换后又达到新，与外界发生热量交换后又达到新 的平衡态，温度为的平衡态，温度为 ，若无化学反应或相变发生，则，若无化学反应或相变发生，则 该体系获得（或放出）的热量为：该体系获得（或放出）的热量为： （1 1） i m i cni, 3 , 2 , 1 1 2 )( 122211 nnc mcmcmQ 2 2、混合法测比热、混合法测比热 将质量为将质量为m m的待测金属块（设其比热容为的待

9、测金属块（设其比热容为c c），温度），温度 为为 投入量热器内的水中。设量热器（包括量热器内筒、投入量热器内的水中。设量热器（包括量热器内筒、 搅拌器和温度计插入水中部分）的热容为搅拌器和温度计插入水中部分）的热容为C C。水的质量。水的质量 为为 ，比热容为，比热容为 。金属块投入水之前，水温为。金属块投入水之前，水温为 ， 投入后其混合温度为投入后其混合温度为 ，则在不计量热器与外界热交，则在不计量热器与外界热交 换的情况下，将存在下列关系：换的情况下，将存在下列关系： （2 2） 即即 （3 3） T 0 m 0 c 1 T 2 T )()( 12002 TTCcmTTmc )( )(

10、 2 1200 TTm TTCcm c 3 3、量热器的热容、量热器的热容 量热器的热容量热器的热容C C可以根据其质量和比热容算出。设量可以根据其质量和比热容算出。设量 热器内筒和搅拌器由相同的物质制成，其质量为热器内筒和搅拌器由相同的物质制成，其质量为 ，比，比 热容为热容为 ，则，则 （4 4） 式中式中 是温度计浸入到水中的部分的热容。是温度计浸入到水中的部分的热容。 温度计的热容温度计的热容 可这样计算：水银温度汁由玻璃可这样计算：水银温度汁由玻璃 （密度（密度 ，比热容为，比热容为 J/(kg)J/(kg) 和水银（密度为和水银（密度为 ，比热容为，比热容为 J/(kg)J/(kg

11、)），根据热容），根据热容 ，两者的比热，两者的比热 容与密度的乘积基本相同，所以容与密度的乘积基本相同，所以 1 m 1 c CcmC 11 C C 3 1014.0 33 /105 . 2mkg 3 1079.0 33 /106 .13mkg VccmC VC 6 109 . 1 6o w 1.9 10(J/ C)Ccmc VV 体积单位换算成立方厘米单位后，即为体积单位换算成立方厘米单位后，即为 （5 5） （5 5）式便是温度计浸入液体部分的对应的热容计算式。）式便是温度计浸入液体部分的对应的热容计算式。 表示温度计热容表示温度计热容 是以是以J J 单位时的数单位时的数 值值; ;

12、表示温度计浸入液体部分的体积表示温度计浸入液体部分的体积 V V ，以，以 为单位时的数值。为单位时的数值。 3109 . 1 cmCJ VC 10 CJ C C 1 3 cm V3 cm 4 4、系统误差的修正、系统误差的修正 在量热学实验中，由于无法避免系统与外界的热在量热学实验中，由于无法避免系统与外界的热 交换，实验结果总是存在系统误差，有时甚至很大，交换，实验结果总是存在系统误差，有时甚至很大， 以至无法得到正确结果。所以，校正系统误差是量热以至无法得到正确结果。所以，校正系统误差是量热 学实验中很突出的问题。为此可采取如下措施：学实验中很突出的问题。为此可采取如下措施： (1) (

13、1) 要尽量减少与外界的热量交换，使系统近似孤立体要尽量减少与外界的热量交换，使系统近似孤立体 系。此外，量热器不要放在电炉旁和太阳光下，实验系。此外，量热器不要放在电炉旁和太阳光下，实验 也不要在空气流通太快的地方进行。也不要在空气流通太快的地方进行。 (2) (2) 采取补偿措施，就是在被测物体放入量热器之前，采取补偿措施，就是在被测物体放入量热器之前， 先使量热器与水的初始温度低于室温，但避免在量热先使量热器与水的初始温度低于室温，但避免在量热 器外生成凝结水滴。先估算，使初始温度与室温的温器外生成凝结水滴。先估算，使初始温度与室温的温 差与混合后末温高出室温的温度大体相等。这样混合差与

14、混合后末温高出室温的温度大体相等。这样混合 前量热器从外界吸热与混合后向外界放热大致相等，前量热器从外界吸热与混合后向外界放热大致相等， 极大地降低了系统误差。极大地降低了系统误差。 (3) (3) 缩短操作时间，将被测物体从沸水中取出，然后倒缩短操作时间，将被测物体从沸水中取出，然后倒 入量热器筒中并盖好的整个过程，动作要快而不入量热器筒中并盖好的整个过程，动作要快而不 乱，减少热量的损失。乱，减少热量的损失。 (4) (4) 严防有水附着在量热筒外面，以免水蒸发时带走过严防有水附着在量热筒外面，以免水蒸发时带走过 多的热量。多的热量。 (5) (5) 沸点的校正。在实验中，我们是取水的沸点

15、为被测沸点的校正。在实验中，我们是取水的沸点为被测 物体加热后的温度，但压强不同，水的沸点也有所物体加热后的温度，但压强不同，水的沸点也有所 不同。为此需用大气压强计测出当时的气压，再由不同。为此需用大气压强计测出当时的气压，再由 气压与沸点的关系通过查表得出沸点的温度。气压与沸点的关系通过查表得出沸点的温度。 5 5、读数规则、读数规则 采取以上系统误差的修正的操作措施后，散热的影采取以上系统误差的修正的操作措施后，散热的影 响仍难以完全避免。被测物体放入量热器后，水温达到响仍难以完全避免。被测物体放入量热器后，水温达到 最高温度前，整个系统还会向外散热，所以理论上的末最高温度前，整个系统还

16、会向外散热，所以理论上的末 温是无法得到的。这就需要通过实验的方法进行修正：温是无法得到的。这就需要通过实验的方法进行修正： 在被测物体放入量热器前在被测物体放入量热器前4-5min4-5min就开始测度量热器中水就开始测度量热器中水 的温度，每隔的温度，每隔1min1min读一次。当被测物体放入后，温度迅读一次。当被测物体放入后，温度迅 速上升，此时应每隔速上升，此时应每隔0.5min0.5min读一次。直到升温停止后，读一次。直到升温停止后， 温度由最高温度均匀下降时，恢复每分钟记一次温度，温度由最高温度均匀下降时，恢复每分钟记一次温度， 直到第直到第15min15min截止。由实验数据作

17、出温度和时间的关系曲截止。由实验数据作出温度和时间的关系曲 线。线。 为了推出（为了推出（3 3）式中的水的初温度）式中的水的初温度 和混合后温和混合后温 度度 ，在图中，对应于室温，在图中，对应于室温 曲线上之曲线上之G G点作一垂直点作一垂直 与横轴的直线。然后将曲线上升与横轴的直线。然后将曲线上升ABAB部分及下降部分部分及下降部分CDCD 延长，与此垂线分别相交于点延长，与此垂线分别相交于点E E和点和点F F，这两个焦点的，这两个焦点的 温度坐标可看成是理想情况下的温度坐标可看成是理想情况下的 和和 ，即相当于，即相当于 热交换无限快时水的初温与末温。热交换无限快时水的初温与末温。

18、1 T 2 T 室温 T 1 T 2 T 八、实验步骤八、实验步骤 1.1.在电热杯中加入四分之三的水，开始加热。在电热杯中加入四分之三的水，开始加热。 2.2.用分析天平称量金属块的质量用分析天平称量金属块的质量m m，5 5次。次。 3.3.金属块的质量称量完毕后，放入电热杯中加热。金属块的质量称量完毕后，放入电热杯中加热。 4.4.称出量热器内筒及搅拌器质量的质量称出量热器内筒及搅拌器质量的质量 ，5 5次。次。 5.5.在量热器内筒盛适量的水和冰屑（量热器能容下这些在量热器内筒盛适量的水和冰屑（量热器能容下这些 水和金属块，且不能使筒外表有水凝结），称量总质水和金属块，且不能使筒外表有

19、水凝结），称量总质 量为量为 (5(5次次) )，称量完毕，内筒放在绝热架上，插好，称量完毕，内筒放在绝热架上，插好 搅拌器和温度计，盖好胶木盖。搅拌器和温度计，盖好胶木盖。 6.6.水的质量水的质量 。 1 m 2 m 120 mmm 7.7.在烧杯中的水比室温低在烧杯中的水比室温低3 344时，每隔一分钟开始记时，每隔一分钟开始记 录温度，过五分钟后，把沸水中金属块（在沸水中已经录温度，过五分钟后，把沸水中金属块（在沸水中已经 超过超过1515分钟，其温度为实验室压强下水的沸点温度）快分钟，其温度为实验室压强下水的沸点温度）快 速放入量热器中（注意：不能使量热器中水溅出，又切速放入量热器中

20、（注意：不能使量热器中水溅出，又切 勿碰到温度计），立即将盖盖好并继续搅拌（注意：不勿碰到温度计），立即将盖盖好并继续搅拌（注意：不 能太使劲）。混合后，每隔能太使劲）。混合后，每隔1 1秒记录一次数据（包括要秒记录一次数据（包括要 记录达到室温时的时刻），直到温度达到最高。然后在记录达到室温时的时刻），直到温度达到最高。然后在 温度下降过程中，每隔一分钟记录一次数据，下降过程温度下降过程中，每隔一分钟记录一次数据，下降过程 测量记录持续五分钟。测量记录持续五分钟。 8.8.温度计浸没在水下的体积可用一个小量筒测得。先将水温度计浸没在水下的体积可用一个小量筒测得。先将水 注入小量筒中，即下其体

21、积，然后将温度计插入水中，注入小量筒中，即下其体积，然后将温度计插入水中， 使温度计插入水中的体积与在量热筒中没入水中的体积使温度计插入水中的体积与在量热筒中没入水中的体积 相同（以从量热筒中取出温度计上水印为准），读出液相同（以从量热筒中取出温度计上水印为准），读出液 面升高后的体积，则温度计插入量热筒水中的体积面升高后的体积，则温度计插入量热筒水中的体积 。 （注意：实验中温度计的水银泡一定要没入水中，但又（注意：实验中温度计的水银泡一定要没入水中，但又 不能碰到金属块。）不能碰到金属块。） 9.9.查表得到实验气压条件下水的沸点查表得到实验气压条件下水的沸点 ，即为金属块，即为金属块 投

22、入量热器前的温度投入量热器前的温度 。 10.10.作温度作温度- -时间曲线，求出水的初温时间曲线，求出水的初温 和混合后温度和混合后温度 。 11.11.根据式（根据式（3 3）求出金属物比热容）求出金属物比热容c c及其不确定度。及其不确定度。 a.a.根据测量的平均值先计算平均金属物比热容根据测量的平均值先计算平均金属物比热容c c： b. b. 不确定度不确定度: : 不确定度包括两部分：测量引起的（人为，不确定度包括两部分：测量引起的（人为，A A类标类标 准不确定度）和仪器引起（系统，准不确定度）和仪器引起（系统，B B类标准不确定度）。类标准不确定度）。 而（而（3 3）式有比

23、值）式有比值 , ,温度引起不确定度可近似温度引起不确定度可近似 约掉，故可忽略。约掉，故可忽略。 T 2 T 1 T 2 T )( )(9 .1)( 2 12012 TTm TTVcmm c )( )( 2 12 TT TT 因此因此 ， ， ； ( (如如TW-05TW-05物理天平，物理天平， ) ) )()( )( )( )( )( 2 2 2 2 12 2 2 12 Vu V c mu m c mmu mm c ccu CCCc )()()( 12 2 12 2 12 2 mmummummu BAC ) 15(5 5 )()( )( 1 2 1212 12 mmmm mmu i A 3 )( )( max 12 天平 mmu B g3 . 0)( max 天平 , , , )()()( 222 mumumu BAC )15(5 5 )( 1 2 mm mu i A3 )( )( max 天平 mu B )()()( 222 VuVuVu BAC )15(5 5 )( 1 2 VV Vu i A 3 )( )( max 量