实验五冷却法测金属比热容

-15-实验五冷却法测量金属比热容一、实验目的：1、了解金属的冷却速率和它与环境之间的温差关系以及进行测量的实验条件2、研究热学实验成败的原因。二、实验原理：根据牛顿冷却定律，用冷却法测定金属的比热容是量热学中常用方法之一。若已知标准样品在不同温度的比热容，通过作冷却曲线可测量各种金属在不同温度时的比热容。本实验以铜为标准样品，测定铁、铝样品在100Co或200Co时的比热容。通过实验了解金属的冷却速率和它与环境之间的温差关系以及进行测量的实验条件。单位质量的物质，其温度升高1K(1Co)所需的热量叫做该物质的比热容，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(tQ)与温度下降的速率成正比，于是得到下述关系式：tMCtQ111(1)(1)式中C1为该金属样品在温度1时的比热容，t1为金属样品在1时的温度下降速率。根据冷却定律有：msatQ)(0111(2)(2)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为金属样品的温度，0为周围介质的温度。由式(1)和(2)，可得：msatMC)(0111111(3)同理，对质量为M2，比热容为C2的另一种金属样品，可有同样的表达式：msatMC)(0222222(4)由上式(3)和(4)，可得：-16-mmsasatMCtMC)()(01110222111222所以：mmsatMsatMCC)()(01112202221112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:221112)()(tMtMCC(5)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及两样品在温度时冷却速率之比，就可以求出待测的金属材料的比热容C2。几种金属材料的比热容见表1：表1比热容温度CoCFe(cal/(gCo))CAl(cal/(gCo))CCu(cal/(gCo))100Co0.1100.2300.0940三、实验仪器：(如图5－1所示)1、仪器简介本实验装置对加热装置、金属样品室及金属样品的温度的测量和安放上进行改进和提高。测量试样温度采用常用的铜－康铜做成的热电偶，当冷端为冰点时，测量热电偶热电势差的二次仪表由高灵敏、高精度、低漂移的放大器放大加上三位半数字电压表组成，由数字电压表显示的ｍV数即对应待测温度值。本仪器的数字电压表包括放大电路的满量程为20ｍV。加热装置可自由升降和左右移动。被测样品安放在有较大容量的防风圆筒内即样品室，其作用保持高于室温的样品自然冷却。这样结果重复性好，可以减少测量误差，提高实验准确度。本实验可测量金属在室温到图5－1-17-200Co温度时，各种温度的比热容。其中：A)热源,采用75瓦电烙铁改制而成，利用底盘支掌固定并可上下移动；B)实验样品，是直径5mm，长30mm的小圆柱，其底部钻一深孔便于安放热电偶，而热电偶的冷端则安放在冰水混合物内；C)铜-康铜热电偶；D)热电偶支架；E)防风容器；F)三位半数字电压表，显示用三位半面板表；G)冰水混合物。2、技术指标（1）数字电压表：三位半，量程：0-20mV，分辨率：0.01mV，准确度：±0.3%读数+1字。（2）加热器功率：75W。（3）传感器采用铜-康铜热电偶。（4）测量金属在100Co时的比热容与公认值百分差小于5%。（5）输入交流电压：220V±10%。（6）电源功率约：90W。（7）重量：7.5Kg。国产的康铜丝，各厂生产成分配方和工艺略有不同，因而制成的铜-康铜热电偶在100Co温度时(参考0Co)，测量的温差电势差有4.10mV和4.25mV等几种，用户使用时须自己定标，以下铜-康铜热电偶热势差表仅供参考(引自国家计量局，中华人民共和国，国家计量检定规程汇编，温度(一)，中国计量出版社，1987)。四、实验步骤：1、用铜-康铜热电偶测量温度，而热电偶的热电势采用温漂极小的放大器和三位半数字电压表，经信号放大后输入数字电压表显示的满量程为20mV，读出的mV数查表即可换算成温度。2、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CuM＞FeM＞AlM这一特点，把它们区别开来。3、使热电偶热端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200Co时，切断电源移去电炉，样品继续安放在与外界基本隔绝的金属圆筒内自然冷却(筒口须盖上盖子)。当温度降到接近102Co时开始记录，测量样品由102Co下降到98Co所需要时间0t。按铁、铜、铝的次序，分别测量其温度下降速度，每一样品得重复测量5次。因为各样品的温度下降范围相同-18-(CC000498C102)，所以公式(5)可以简化为：122112)()(tMtMCC五、实验数据：样品质量：CuM=4.830g;FeM=4.280g;AlM=1.500g。热电偶冷端温度：0=0Co。样品由102Co下降到98Co所需时间(单位为S)表2次数样品12345平均值ttFe8.868.998.948.589.098.980.09Cu8.118.368.508.338.608.380.08Al8.266.226.356.296.446.310.04以铜为标准：C1=CCu=0.0940cal/(gCo)。铁：C2=)/(113.038.8280.489.8830.40940.0)()(012211CgCaltMtMC。铝：C3=)/(228.038.8500.131.6830.40940.0)()(013211CgCaltMtMC。-19-附录：铜－康铜热电偶分度表（参考端温度为0℃）分度号：CK温度0℃012345678910温度0℃热电动势（mV）00.0000.0390.0780.1170.1560.1950.2340.2730.3120.3510.3910100.3910.4300.4700.5100.5490.5890.6290.6690.7090.7490.78910200.7890.8300.8700.9110.9510.9921.0321.073101141.1551.19620301.1961.2371.2791.3201.3611.4031.4441.4861.5281.5691.61130401.6111.6531.6951.7381.7801.8221.8651.9071.9501.9922.03540502.0352.0782.1212.1642.2072.2502.2942.3372.3802.4242.46750602.4672.5112.5552.5992.6432.6872.7312.7752.8192.8642.90860702.9082.9532.9973.0423.0873.1313.1763.2213.2663.3123.35770803.3573.4023.4473.4933.5383.5843.6303.6763.7213.7673.81380903.8133.8593.9063.9523.9984.0444.0914.1374.1844.2314.277901004.2774.3244.3714.4184.4654.5124.5594.6074.6544.7014.7491001104.4794.7964.8444.9814.9394.9875.0355.0835.1315.1895.2271101205.2275.2755.3245.3725.4205.4695.5175.5665.6155.6635.7121201305.7125.7615.8105.8595.9085.9576.0076.0566.1056.1556.2041301406.2046.2546.3036.3536.4036.4526.5026.5526.6026.6526.7021401506.7026.7536.8036.8536.9036.9547.0047.0557.1067.1567.2071501607.2077.2587.3097.3607.4117.4627.5137.5647.6157.6667.7181601707.7187.7697.8217.8727.9247.9758.0278.0798.1318.1838.2351701808.2358.2878.3398.3917.4438.4958.5488.6008.6528.7058.7571801908.7578.8108.8638.9158.9689.0219.0749.1279.1809.2339.2861902009.2869.3399.3929.4469.4999.5539.6069.6599.7139.7679.830200