固体比热容的测量

固体比热容的测量一、实验目的1、掌握基本的量热方法——混合法；2、测定金属的比热容；3、学习一种修正散热的方法。二、实验仪器量热器、温度计（0.00-50.000C和0.0-100.00C各一支）、物理天平、待测金属粒、冰、停表、加热器、量筒等。三、实验原理1、混合法测比热容依据热平衡原理，温度不同的物体混合后，热量将由高温物体传给低温物体，如果在混合过程中和外界无热量交换，最后达到均匀稳定的平衡温度。根据能量守恒定律，高温物体放出的热量就应等于低温物体吸收的热量，即：本实验即根据热平衡原理用混合法测定固体的比热。设量热器（包括搅拌器和温度计插入水中部分）的热容为C，实验时，量热器内先盛以质量为0m，温度为1t的冷水，之后，把加热到温度为2t质量为m的待测金属块投入量热器中，经过热交换后，水量热器与金属块达到共同的末温,依热平衡方程有：))(()(1002tCcmtmc（1）即)())((2100tmtCcmc(2)量热器的热容C可以根据其质量和比热容算出。设量热器筒和搅拌器由相同的物质制成，其质量为1m，比热容为1c，则CcmC11（3）式中C为温度计插入水中部分的热容。C的值可由下式求出：3109.1cmCJVC式中V为温度计插入水中部分的体积。10CJC表示C以J·0C-1为单位时的数值，而3cmV表示V以cm3为单位时的数值。2、系统误差的修正上述讨论是在假定量热器与外界没有热交换时的结论。实际上只要有温度差异就必然会有热交换存在，因此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学实验中很突出的问题。为此可采取如下措施：1）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，实验也不要在空气流通太快的地方进行。2）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，但避免在两热器外生成凝结水滴。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。这样混合前量热器从外界吸热与混合后向外界放热大体相等，极大地降低了系统误差。3）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，动作要快而不乱，减少热量的损失。4）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。5）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查出沸点的温度。采取以上措施后，散热的影响仍难以完全避免。被测物体放入量热器后，水温达到最高温度前，整个系统还会向外散热。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：在被测物体放入量热器前4-5min就开始测度量热器中水的温度，每隔1min读一次。当被测物体放入后，温度迅速上升，此时应每隔0.5min测读一次。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，直到第15min截止。由实验数据作出温度和时间的关系tT曲线，如图1所示。图1温度和时间的关系曲线为了推出公式（2）中水的初温度1t和末温，在图1中，对应于室温在曲线上之O点作一垂直与横轴的直线。然后将曲线上升部分AE及下降部分FD延长，与此垂线分别相交于B点和C点，这两个交点的温度坐标可看成是理想情况下的T1和T2，即相当于热交换无限快时水的初温1t与末温。四、实验内容与步骤1、称出质量为m的金属粒，放入加热器中隔水加热。在沸水中至少15min，才可认为金属粒与水同温。水沸腾后测出大气压强P。2、在金属粒加热的同时，称出量热器内筒及搅拌器质量1m，然后倒入适量的水，并加入冰屑使水温降低到室温下6~4（注意：不能使筒外表有水凝结），称出总质量10mm，求出水的质量0m。3、在倒入金属粒前，一面用棒轻轻搅动，一面每隔一分钟测一次水温，计时5分钟后将加热好的金属粒迅速而准确地倒入量热器内（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，同时，每隔半分钟测一次水温。至水温均匀下降，每隔一分钟测一次水温，连续10min左右为止。4、用排水法将温度计浸没于水下的体积在小量筒中测得。先将水注入小量筒中，记下其体积1V，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2V，则温度计插入量热筒水中的体积为：12VVV（注意：实验中温度计中的水银泡一定要没入水中，但又不能碰到锌粒）。5、查表得到实验气压条件下水的沸点T，即作为金属粒加热后的温度2t。6、作温度-时间曲线，求出1T和2T，即公式（2）中水的初温度1t和末温。五、数据记录及处理自拟表格记录测量的有关数据。根据公式（2）求出金属粒的比热c，并和其标准比热比较，求出相对误差。六、思考题：1．混合量热法的原理是什么？它的基本实验条件是什么？如何保证？2．实验中质量称衡采用了精度较低的物理天平，为什么测量温度却采用了分度值为0.10C的精密水银温度计?3．为了提高量热精度，实验中采取了哪些措施？4．试分析你在实验中对各参量（如温度、水的质量等）的选取是否得当?[附记]温度计插入水中部分的热容可如下求出：已知水银的密度为13.6g·cm-3，比热容为0.139J·g-1·0C-1，其1cm3的热容为1.89J·cm-3·0C-1。而制造温度计的耶那玻璃的密度为2.58g·cm-3，比热容为0.83J·g-1·0C-1，其1cm3的热容为2.14J·cm-3·0C-1，它和水银的很相近，因为温度计插入水中部分的体积不大，其热容在测量中占次要地位，因此可认为它们1cm3的热容是相同的。设温度计插入水中部分的体积为V（以cm3为单位），则该部分的热容C的数值可取为3109.1cmCJVC，V可用盛水的小量筒去测量。