用电功量热法测定水的比热容
用电功量热法测定水的比热容一. 目的要求1. 熟练使用量热器;2. 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;3. 掌握一种散热修正方法--修正末温。二. 原理1. 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。2. 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。三. 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。四. 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。五. 注意事项1. 注意电路连接正确,以防电极接反而损坏仪表;2. 使温度计示值确能代表系统的表面温度;5. 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;6. 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;7. 实验结束后应将内筒擦干,并将其他仪器用品整理复原。六. 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.为什么切断电源后系统温度仍会升高?如何判断系统已开始自然冷却?怎样才能把值求准?4.读取初温前及自然降温过程中是否需要搅拌?为什么?读取及前要求轻轻摇动量热器,这样做有何益处?5.为了减小测量误差,选取参数时应注意什么?混合时,加注冷水的温度及质量应如何考虑?143