测量冰的溶解热

实验：测定冰的熔解热实验者：1400012105郭伟杰院系：生命科学学院实验时间：2016/3/2实验目的：1、了解热学实验中的基本问题——量热和计温2、了解粗略修正散热的方法3、学习进行合理的实验安排和参量选择实验原理：晶体物质的熔点是该物质固液平衡时的温度，单位质量的晶体物质在熔点时从固态全部变为液态所需的热量叫做该晶体的融化热。本实验采用混合量热法来测定冰的熔化热，即通过某已知质量和比热的物质，计算该物质在与待测熔化热的物质的混合中所传递的热量等于未知物质所吸收的热量，即冰从初始温度T1上升至熔点0℃-在0℃熔化-液体从0℃上升至最终温度T3所吸收的热量等于已知物质水从初始温度T2下降到最终温度T3时所释放的热量，用公式表示为m𝑐3(𝑇0−𝑇1)+𝑚𝐿+𝑚𝑐0(𝑇3−𝑇0)=(𝑚0𝑐0+𝑚铜𝑐铜)(𝑇2−𝑇3)公式中m为冰的质量，T0为冰的熔点，T1为冰的初始温度，T2为水的初始温度，T3为体系平衡后的最终温度，m0为水的质量，m铜为实验仪器量热筒内筒和搅拌器的总质量，c0为水的比热容，c1为铜质物的比热容，c2为冰的比热容。实验最理想的体系为孤立体系，即体系与外界之间无能量与物质交换，但实际中很难做到体系与外界无热量交换，因此要调整实验用水的初温，以达到体系向外界散失的热量与从外界吸收的热量相等。需要用到牛顿冷却定律粗略修正散热：𝛿𝑞𝛿𝑡=𝐾(𝑇−𝜃)公式中𝛿𝑞为系统散热，𝛿𝑡为时间间隔，K为散热常量，𝜃为实验时室温。结合实验分析，在刚投入冰时，水温高，冰的熔化速率快，故系统表面温度下降快，随着冰的不断熔化，冰块逐渐变小，水温逐渐降低，冰的融化速度变慢，当系统温度低于室温时，系统从环境中吸收热量。体系与环境交换的热量为：q=∫(𝑇−𝜃)𝐾𝑑𝑡=∫(𝑇−𝜃)𝐾𝑑𝑡+∫(𝑇−𝜃)𝐾𝑑𝑡=𝑆𝐴+𝑆𝐵𝑡3𝑡𝜃𝑡𝜃𝑡2𝑡3𝑡2故，只要SA与SB大致相等，则系统与外界的热量交换总量几乎为0。根据经验公式在𝑇2−𝜃𝜃−𝑇3=103时，吸热与放热近乎相等。仪器用具：量热器，电子天平（JA21001分度值0.01g稳定时间3s），数字温度计（半导体Pn结温度计，铂电阻传感器温度计），毛巾，秒表实验内容：1、用天平称量量热器内筒和搅拌器的总质量m铜2、记录环境室温θ3、向内筒中注入高于室温10-12℃的热水约2/3体积，称出此时质量m铜+水，求得m水4、不断轻轻用搅拌器搅拌内筒中的水，当系统内温度相对稳定时，开始测量量筒内水温的变化，每20s记录一次，至水温几乎不变。5、迅速将冰放入量热器内，记录冰的初始温度T1，不断用搅拌器搅拌，每10s记录一次温度，直至温度稳定30s以上或有所回升时，记录最终温度T3.6、称量此时系统质量，m铜+水+冰，求得m冰实验数据记录及图表与计算表一质量及温度记录质量m（g）温度T（°C）量热器内筒+搅拌器142.74室温𝜃24.8量热器内筒+搅拌器+水293.27水温36.6量热器内筒+搅拌器+水+冰320.02冰温-25.2水150.53最终温度18.7冰26.75表二时间-温度记录时间（s）020406080100120（放冰）130140温度（°C）36.836.836.736.736.736.636.635.433.2时间（s）150160170180190200210220230温度（°C）30.226.123.221.220.019.218.718.718.7根据公式m𝑐3(𝑇0−𝑇1)+𝑚𝐿+𝑚𝑐0(𝑇3−𝑇0)=(𝑚0𝑐0+𝑚铜𝑐铜)(𝑇2−𝑇3)𝐿=1𝑚(𝑚0𝑐0+𝑚铜𝑐铜)(𝑇2−𝑇3)−𝑐3(𝑇0−𝑇1)−𝑐0(𝑇3−𝑇0)=339.80𝐽𝑔⁄=3.39×105𝑘𝐽𝑘𝑔⁄此时，𝑇2−𝜃𝜃−𝑇3=1.97，放冰时间第120s，在第210s达到平衡温度。结果讨论与分析:1、本次实验中，比值𝑇2−𝜃𝜃−𝑇3=1.97与书中所给经验参考值103有较大出入，证明系统与外界的能量交换的总量可能不为0.根据温度-时间曲线，求得SA=247.8SB=176.9,实验过程中系统向外散发的热量远大于系统从外界得0510152025303540050100150200250温度时间温度-时间关系图温度室温到的热量，由此所求出来的L值偏大。2、实验过程中最容易出现的误差为在搅拌过程中会有水的损失，使结果偏大。3、在投入冰块的时候，会打开盖子后又合上，会有热量散失，而且刚投入冰块的时候所记录到的温度不一定是确实的温度，因为搅拌器在这个时候发挥的功能有限，所测得的温度是未搅拌均匀时的温度。4、实验中热水会蒸发在量热器内部凝结成水滴，这一部分水没能将热量与冰交换，使L值偏大，而且会有质量损失，只能通过实验结束后，尽量将体系中的水重新倒入内筒中以求得较准的冰的质量。思考题：1、用混合量热法必须保证什么实验条件？在本实验中是如何从仪器、实验安排和操作等各个方面来力求保证的？要保证实验体系为孤立体系或实验过程中，体系与外界净能量交换值为0；仪器方面，选取的是有内外筒相嵌，中间有空腔，上面有绝热性比较好的盖子的量热器，尽量保证内筒温度不散发出去；实验安排方面，通过牛顿散热公式计算出最佳的热水温度、环境温度、体系最终温度之间的比例关系，通过预实验，根据经验比例关系，能够更好地确定真正实验时所选取的热水的温度和质量，以达到尽量使散热与吸热相平衡的目的；在操作方面，要不断用搅拌器搅拌，使体系温度均匀，用搅拌器搅拌时尽量不要将水溅出，开闭量热器盖子要迅速，测量室温与水温的温度计尽量使用同一温度计，以减小误差。2、试说明下列各种情况将使测出的冰的熔化热偏大还是偏小？测T2时没有搅拌——不定，偏大或偏小测T2后到投入冰相隔了一段时间——偏大搅拌过程中把水溅到量热器的盖子上——偏大冰中含水或冰没有擦干就投入——偏小水蒸发，在量热器绝缘盖上结成露滴——偏大3、根据实测的T-t数据，以及计算出的冰的熔化热L，试考虑以下问题：①在实验过程中，实验系统从环境中吸热与向环境散热不能抵挡，是对本实验结果L的主要影响吗？本次实验中强调经验比例𝑇2−𝜃𝜃−𝑇3=103，但真正操作中的比例只有1.97＜103，意味着系统与外界的净能量交换不为0，系统没有进行完好的隔热。但计算结果3.39×105𝑘𝐽𝑘𝑔⁄在正常的误差范围之内，说明这个因素对L的影响可能没有想象中的大。②哪些因素是造成实验结果L偏大或偏小的主要原因？实验器具密闭性差，散热大于吸热，导致L偏大；搅拌过程中有水溅出导致L偏大；测量水的初温时，没有充分搅拌，测得水温度偏低，则算得L偏低。