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冷却法测金属的比热容(实验报告)

05-17

冷却法测量金属的比热容

【实验目的】

（1） 测量固体的比热容。

（2）了解固体的冷却速率与环境之间的温差关系，以及进行测量的实验条件。

【实验仪器】

本实验装置是金属比热容测量仪；实验样品是直径5mm、长30mm的小圆柱，其底部深孔中安放铜—康同热电偶。

【实验原理】

单位质量的物质，其温度升高1K（或1℃）所需的热量叫该物质的比热容，其值随温度而变化， 将质量为M1的金属样品加热后，放到较低温度的介质（例如室温的空气）中，样品将会逐渐冷却，其单位时间的热量损失（度下降速率成正比，由此到下述关系式：

Q

）应与温t

Q

C1M1 ① tt1

式中C1为该金属样品在温度1时的比热容，为金属样品在温度1时的

t1温度下降速率，根据冷却定律有：

Q

a1S1(10)m ② t

式中，a1为热交换系数，S1为该样品外表面的面积，m为常数，1为为金属样品的温度，0为周围介质的温度。由式①和②，可得：

C1M1

1

a1S1(10)m t

③

同理，对质量为M2，比热容为C2的另一种金属样品，有：

2

2S2(20)m ④ t

由式③和式④，可得：

2

C2M2m

a2s2(20) 1a1s1(10)m

C1M1

t



M11a2s2(20)m

t C2C1

2M2a1s1(10)m

tC2M2

如果两样品的形状尺寸都相同，即S1S2；两样品的表面状况也相同(如涂层、色泽等)，而周围介质(空气)的性质当然也不变，则有a1a2。于是当周围介质温度不变(即室温0恒定，而样品又处于相同温度1=2)时，上式可以简化为:

)1

C2C1

M2()2

t

M1(

如果已知标准金属样品的比热容C1，质量M1，待测样品的质量M2及两样品

tt1和2，就可求得待测金属的比热容C。 在温度时冷却速率之比2

已知铜在100℃时的比热容为：CCu393J(kgC)1.

【实验内容】

1.测量铁和铝在100℃时的比热容。

步骤：

（1）选取长度、直径、表面光洁度尽可能相同的三种金属样品(铜、铁、铝)用物理天平或电子天平秤出它们的质量M0。再根据MCu＞MFe＞MAl这一特点，把它们区别开来。

（2）使热电偶的铜导线与数字表的正端相连，冷端铜导线与数字表的负端相

连。当数字电压表读数为某一定值即200℃（8.5~9.5mV）时，切断加热电源移去加热源，样品继续放在有机玻璃圆筒内自然冷却。当温度降到接近102℃时开始记录，测量样品从102℃降到98℃所需要的时间。每种样品重复测量5次。

【实验数据】

样品质量：MCu12.606g; MFe10.902g; MAl3.990g 。 热电偶冷端温度：0=0oC 。

样品由102oC下降到98oC所需时间(单位为s)

以铜为标准：C1CCu393J(kgoC)1.

铁： C2C1M1(t)2484.1J(kgoC)1.

M2(t)1

铝： C3C1M1(t)3768.1J(kgoC)1.

M3(t)1

【误差分析】

查资料得Fe在100ºC下的比热容为CFe理460J(kgoC)1. 实验误差系数

484.1460

100%5.24%

460

Al在100ºC下的比热容为CAl理905J(kgoC)1. 实验误差系数

905768.1

100%15.13%

905

对误差产生的原因估计有：

1.计时造成的误差：通过肉眼判断计时开始与结束的时间，不够精确，存在误差

2.室温变化造成的误差：实验中要求室温不变，但随着金属不断放热，室温很可能会升高，则室温从升高到，查阅资料，比热容的计算式应修改成

m1t2(T)n

，其中n为常数，且n1，使测量值比实际值偏大，但C2C1

m2t1(T)n实际情况却为偏小，说明室温变化较小，其他误差占主导因素。

3. 热电偶冷端温度的变化：由于未及时向冷端加入冰块，使得冷端温度有少许升高，从而导致测量所得时间偏大

4. 金属比热容测量仪的传感器响应时间可能存在少量误差


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