北航物理实验研究性报告热学系列实验测量冰的熔解热实验和电热法测量焦耳热功当量实验

北航物理实验研究性报告热学系列实验——测量冰的熔解热实验电热法测量焦耳热功当量实验第一作者：王尼玛学号：100311xx第二作者：杨尼美学号：100311xx班级：100327北京航空航天大学基础物理实验研究性报告2目录目录..................................................................................................................................................2摘要..................................................................................................................................................3一、实验目的...........................................................................................................................3二、实验原理...........................................................................................................................3实验1．测量冰的熔解热实验：............................................................................................3实验2．电热法测量焦耳热功当量实验：............................................................................8三、实验仪器.........................................................................................................................10四、实验步骤.........................................................................................................................10实验1．测量冰的熔解热实验：..........................................................................................10实验2．电热法测量焦耳热功当量实验：..........................................................................11五、数据记录与处理.............................................................................................................12实验1．测量冰的熔解热实验：..........................................................................................12实验2．电热法测量焦耳热功当量实验：..........................................................................14六、讨论与总结.....................................................................................................................161、误差分析...........................................................................................................................162、总结体会...........................................................................................................................16七、参考资料.................................................................................................................................17北京航空航天大学基础物理实验研究性报告3摘要本系列包括测量冰的熔解热、电热法测量焦耳热功当量两个实验。测量冰的熔解热实验涉及热学实验的若干基本内容，具有热学实验绪论的性质，无论在实验原理和方法（混合量热法和孤立系统、冷却定律和修正散热、测温原理等），仪器构造和使用（量热器、温度计等），操作技巧（搅拌、读温度等）和参量选择（水、冰取多少为宜，温度如何选择等），都对热学实验有普遍的意义。电热法测量焦耳热功当量实验室证明能量守恒和转换定律的基础实验。焦耳从1840年起，花费了几十年的时间做了大量实验，论证了传热和作功一样，是能量传递的一种形式；热功当量是一个普适常数，与作功方式无关，从而为能量守恒和转换定律的确立奠定了坚实的实验基础。一、实验目的1、熟悉热学实验中的基本问题——量热和计温；2、研究电热法中作功与传热的关系；3、学习两种进行散热修正的方法——牛顿冷却定律法和一元线性回归法；4、了解热学实验中合理安排实验和选择参量的重要性；5、熟悉热学实验中基本仪器的使用。二、实验原理实验1．测量冰的熔解热实验：（1）一般概念一定压强下晶体物质溶解时的温度，也就是该物质的固态和液态可以平衡共存的温度，称为该晶体物质在此压强下的熔点。单位质量的晶体物质在熔点是从北京航空航天大学基础物理实验研究性报告4固态全部变为液态所需的热量，叫做该晶体物质的溶解潜热，亦称熔解热。本实验用混合量热法来测定冰的熔解热。其基本做法是：把待测的系统A和一个已知其热容的系统B混合起来，并设法使它们形成一个与外界没有热量交换的孤立系统C（C=A+B），这样A（或B）所放出的热量，全部为B(或A)所吸收，因为已知热容的系统在实验过程中所传递的热量Q，是可由其温度的改变T和热容C。计算出来的，即Q=CsT,因此，待测系统在实验过程中所传递的热量也就知道了。由此可见，保持系统为孤立系统，是混合量热法所要求的基本实验条件。这要从仪器装置、测量以及实验操作等各方面去保证。如果这样做以后，实验过程中与外界的热交换热不能忽略，就要进行散热或吸热修正。温度是是热学中的一个基本物理量，量热试验中必须测量温度。一个系统的温度，只有在平衡态时才有意义，因此计温时必须使系统各处温度达到均匀。用温度计的指示值代表系统温度，必须使系统雨温度计之间达到热平衡。（2）装置简介为了使实验系统（包括待测系统与已知其热容的系统）成为一个孤立系统，本实验采用了量热器。热量传递有3种方式：传导、对流和辐射。因此，热学实验应使系统与环境之间的传导、对流和辐射都尽量减小，量热器可以近似满足这样的要求。量热器的种类有很多，随测量的目的、要求、测量精度的不同而异，最简单的一种如图所示，它由良导体做成的内筒放在一较大的外筒中组成。通常在内筒中放水、温度计及搅拌器，它们（内筒、温度计、搅拌器及水）连同放进的待测物体就构成了我们所考虑的（进行实验的）系统，内筒、水、温度计和搅拌器的热容是可以计算出来或实测得到的，在此基础上，就可以用混合法进行量热实验了。内筒置于一绝热架上，外筒用绝热盖盖住，因此空76543121—温度计；2—带绝热柄的搅拌器；3—绝热盖；4—绝热架；5—空气；6—表面镀亮的金属外筒；7—表面镀亮的金属内筒北京航空航天大学基础物理实验研究性报告5气与外界对流很小，又因空气是不良导体，所以内、外筒靠传导方式传递的热量同样可以减至很小，同时由于内筒的外壁及外筒的内外壁都电镀的十分光亮，使得它们发射或吸收辐射热的本领变得很小，于是实验系统和环境之间因辐射而产生的热量传递也得以减小，这样的量热器就可以使实验系统粗略地接近于一个孤立系统了。（3）实验原理若有质量为M,温度为T1的冰（在实验室环境下其比热容为c1，熔点为T0），与质量为m，温度为T2的水（比热容为c0）混合，冰全部溶解为水后的平衡温度为T3，设量热器的内筒和搅拌器的质量分别为m1、m2，比热容分别为c1、c2，温度计的热容为m。如果实验系统为孤立系统，将冰投入盛水的量热器中，则热平衡方程式为c1M(T0-T1)+ML+c0M(T3-T0)=(c0m+c1m1+c2m2+m)(T2-T3)（4.5.1）式中，L为冰的熔解热。在本实验条件下，冰的熔点也可认为是0℃，即T0=0℃,所以冰的熔解热为L=M1(c0m+c1m1+c2m2+m)(T2-T3)-c0T3+cIT1（4.5.2）为了尽可能是系统与外界交换的热量达到最小，除了使用量热器以外，实验的操作过程中也必须予以注意，例如不应当直接用手去把握量热器的任何部分；不应当在阳光的直接照射下或空气流动太快的地方（如通风过道、风扇旁边）进行实验；冬天要避免在火炉或暖气旁做实验等。此外，由于系统与外界温度差越大时，在它们之间传递热量越快，而且时间越长，传递的热量越多，因此在进行量热实验时，要尽可能使系统与外界温度差小，并尽量使实验过程进行得迅速。尽管注意到了上述的各个方面，系统仍不可能完全达到绝热要求（除非系统与环境的温度时时刻刻完全相同）。因此，在作精密测量时，就需要采用一些办法来求出实验过程中实验系统究竟散失或吸收了多少热量，进而对实验结果进行修正。一个系统的温度如果高于环境温度它就要散失热量。实验证明，当温度差相当小时（例如不超过10—15℃），散热速率与温度差成正比，此即牛顿冷却定律，北京航空航天大学基础物理实验研究性报告6用数学形式表示可写成θ)K(Tδtδq（4.5.3）式中，q是系统散失的热量；t是时间间隔；K是散热常数，与系统表面积成正比，并随表面的吸收或发射辐射热的本领而变，T、分别是所考虑的系统及环境的温度；tq称为散热速率，表示单位时间内系统散失的热量。下面介绍一种根据牛顿冷却定律粗略修正散热的方法。已知当T时，tq0，系统向外散热；当T时，tq0，系统从环境吸热。可以取系统的初温T2,终温T3,以设法使整个实验过程中系统与环境间的热量传递前后彼此相抵消。考虑到实验的具体情况，刚投入冰时，水温高，冰的有效面积大，溶解快，因此系统表面温度T（即量热器中的水温）降低较快；随后，随着冰的不断熔化，冰块逐渐变小，水温逐渐降低，冰溶解变缓，水温的降低也就变慢起来。量热器中水温随时间的变化曲线如图所示。tTt2t3T3T2SASBt根据式（4.5.3），实验过程中，即系统温度从T2变为T3这段时间（t2—t3）内系统与环境间交换热量为tθt2t3tθt3t2θ)dt(TKθ)dt(TKθ)dtK(Tq前一项T-0，系统散热，对应于图中面积SA=ttT2)(dt；后一项T-0,系统吸热，对应于面积SB=3)(ttTdt。不难想见，面积SA与系统向外界散失的热量成正比，即q散=KSA；而面积SB与系统从外界吸收的热量成正比，即