用电功量热法测定水的比热容

PAGE145用电功量热法测定水的比热容目的要求熟练使用量热器；用电功量热法测定水的比热容，以加深对热力学第一定律的认识；掌握一种散热修正方法——修正末温。原理用电热法测定水的比热容本实验测定水的比热容采用电功量热法，其依据是焦耳热效应。若加在电热丝两端的电压为，通过的电流为，则在时间内电场力做功为：(19.1)这些功全部转化为热量，使一个盛水的量热器系统温度升高，该系统吸收的热量为：(19.2)其中为水的质量；为量热器系统（包括内筒、电热丝、玻璃套管、搅拌器以及温度计浸没水中的那一部分等）的热容。如果通电过程中无热量散失，则，即：(19.3)当均不随时间变化时，对式(19.3)积分，并令及时，系统温度及，则有：(19.4)如果已知，则由式(19.4)即可求出水的比热容。诚然，像实验18中那样，靠给定一系列的比热容及在实验中不易称量的质量，可以求出；但理论上计算的往往与实际过程发生较大的偏离。这是因为：搅拌器长时间上下摇动会使其与外部环境有更多的接触机会，由它带走并随时传递给外部环境的热量，可能要几倍于其自身温度升高所需要的热量；玻璃套管及温度计的热容，也会因实验者选用水量的多寡，以及由系统温度向室温的过渡区域的影响而变得难于估计；等等。此外，本实验的目的还在于寻求一种水比热容的绝对测量方法，不希望给出更多的物理学常数，而是通过实地测定来实现。将质量()、温度的冷水，与量热器内已经通电加热过的水（假定其质量仍为，温度已变为）相混合，若平衡温度为，则，由热平衡方程可得：(19.5)将式(19.4)与(19.5)联立，消去，整理后得：(19.6)式(19.6)即水比热容的计算式。式中虽不出现及，但对实验来讲，它们给予水比热容测量结果的影响依然存在。例如：的选取将直接影响的大小，而且为了使对测量结果不确定度的影响减小，又需考虑的量值，以及与之比的选择等等。散热修正由于通电过程中，系统温度与环境温度不相一致，所以，实验系统与外界的热量交换是不可避免的。设系统实际达到的末温与无热量交换时所应抵达的末温偏离，则有：(19.7)根据牛顿冷却定律，在系统与环境温差不大，且处于自然冷却的情况下，系统的降温制冷速率:(19.8)式中，是一个与系统表面积成正比、并随表面辐射本领及系统热容而变的常数，称为降温常数。其物理意义为：单位温差下，单位时间内因与外界的热量交换而导致的温度变化量。单位：。及分别表示系统的表面温度及环境温度。以相等的时间间隔连续记录通电加热过程中系统温度随时间的变化。为求降温常数，切断加热电源后，仍连续记录系统温度随时间的变化。当可假定室温不变时，对(19.8)式求解，并以降温过程中的边界条件：及时，及代入，可得：(19.9)当时间间隔很小、以致可假定系统温度随时间作线性变化时，其在任一时间间隔内的平均温度可写作：(19.10)将式(19.9)及式(19.10)代入式(19.8)，可求出系统在不同表面温度下，时间内由于散热而导致的温降，即：(19.11)式(19.11)对加热过程中所有的时间间隔求和，将式(19.10)代入并整理，可得整个加热过程中由于散热而导致的总温降，即：(19.12)将代入式(19.7)，即可求出修正后系统的末温。仪器用品包括物理天平（或电子天平），量热器，搅拌器，加热器（带有玻璃套管的电热丝），数字式温度计（），双路可跟踪直流稳定电源（，其使用方法见说明书），停表，烧杯，待测样品水及冰等。实验内容１．向量热器内加入适量（约）的水，称取其合质量。将其置于量热器外筒内，通电加热。调整加热电流适当，待电流、电压稳定后记录其数值。充分搅拌后读取系统初温，同时计时。以为间隔连续记录加热升温至断电停止加热（约min），以及降温过程（约min）中系统温度随时间的变化。加热过程中，应不断搅拌，并注意观察电流、电压是否存在起伏。如有波动，应予记录，并在最后取其等效平均值。２．混合过程重新测量量热器中的水温，迅速将准备好的、温度为（）的冷水注入量热器（约至）内，使之混合。充分搅拌后读取其平衡温度。最后称取其总质量。注意事项注意电路连接正确，以防电极接反而损坏仪表；“室温”应读取实验前、后的平均值；量热器内注入待测样品水后方可接通电源，以防加热器玻璃套管炸裂；实验过程中，应不断轻轻搅拌，以使温度计示值确能代表系统的表面温度；加注冷水时，动作应迅速，但不得使水溅出，以免影响测量结果；正确使用双路可跟踪直流稳定电源、数字式温度计，注意维护停表及烧杯等；实验结束后应将内筒擦干，并将其他仪器用品整理复原。考查题1．电功量热法的依据是什么？其基本实验条件在本实验中是怎样得到满足的？2．是否系统通电加热前的温度？开始通电就计时、计温吗？何时开始计时、计温较好？为什么？3．为什么切断电源后