热学实验4-混合量热法测冰的溶解热

实验四用混合量热法测定冰的熔解热熔解是晶体物质从固态向液态转化的相变过程。一定压强下晶体开始熔解时的温度称为该晶体在此压强下的熔点。对于晶体而言，熔解是组成物质的晶粒由规则排列向不规则排列转变的过程，破坏晶体的点阵结构需要能量，因此，晶体在熔解过程中虽吸收能量，但其温度却保持不变。单位质量的某种物质晶体熔解成为同温度的液体所吸收的能量，叫做该晶体的熔解潜热。【实验目的】1．正确使用物理天平、量热器和温度计；2．用混合量热法测定冰的熔解热；3．实验中学习如何正确选取参量；4．学会一种粗略修正散热的方法——抵偿法【实验仪器和用具】量热器、温度计（0℃～50.00℃及0℃～100.0℃各一只）、物理天平（或电子天平)、电子表、量筒、烧杯、干拭布、冰及热水等。【实验原理】本实验用混合量热法测定冰的熔解热。其基本做法如下：把待测系统A与某已知热容的系统B相混合，并设法使其成为一个与外界无热量交换的孤立系统BAC。这样A（或B）所放出的热量将全部为B（或A）所吸收，因而满足热平衡方程：放吸QQ已知热容的系统在实验过程中所传递的热量Q是可以由其温度的改变T及其热容C计算出来的：即TCQ，于是，待测系统在实验过程中所传递的热量即可求得。冰的熔解热也就可以据此测定。设冰的质量为M、温度为/0T的冰块与质量m、温度1T的水相混合，冰全部熔解为水后，测得平衡温度为2T假定量热器内筒与搅拌器的质量分别为1m、2m，其比热容分别为1C和2C；温度计浸没在水中的热容为1.9V，V为温度计浸没水中的体积；水的比热容分别为C；则由热平衡方程可得：))(9.1()(212211/2TTVmCmCCmTTMCLM(3-1)本实验条件下，冰的熔点可认为是0℃，也可选取冰块的温度/0T=0℃。于是，冰的熔解热可由下式求出：2212211))(.91(1CTTTVmCmCCmML(3-2)由于量热器的绝热条件并不十分完善，实际实验系统并非严格的孤立系统，所以在做精密测量时，就需设法求出实验过程中系统与外界交换的热量，以作适当的散热修正。本实验介绍一种粗略散热修正及所谓的补偿法。其依据是牛顿冷却定律。当系统的温度T高于环境温度时，它就要散失热量。实验证明：当温差较小（一般不超过10℃-15℃）时，（非自然对流）系统的散热速率与温度差成正比。此即牛顿冷却定律：)(Tkdtdq(3-4)其中，dq表dt时间内系统与外界交换的热量。比例系数k为一个与系统表面积成正比并随表面辐射本领而变的常数，称为散热常数。其物理意义为：单位温差下，单位时间的热量损失。负号的意义表示当系统温度高于环境温度时散失热量，即：T时，0dtdq，系统向外界散热；反之，0dtdq，系统从外界吸热。在实验过程中，如果恰当地将系统的初温和末温分别选择在室温的两侧，即：21TT，并设法使整个实验过程中系统与外界的热量传递前后相互抵消，则可以达到散热修正的目的。量热器中水温随时间的变化应该是一条指数下降的曲线，如图3-1所示。对式(3-4)求积分，即可得到由t1到t2（对应温度1T及2T）时间内，整个系统与外界交换的热量：dtTkqtt)(21(3-5)21)()(ttttdtTkdtTkq(3-6)其中，BAkSkSq表示图3-1中的阴影面积。由上式可见，当BASS时，实验过程中系统与外界交换的热量q。因此，只要选择适当的参数，使曲线与环境温度T直线围成的两块面积近似相等，即：BASS，就可以使系统很好地近似为一个孤立系统。由曲线可知，欲使BASS，就必须使021TT。实验前，应做出明确的计划，实验中注意选取、调整适当的参数m,M及1T等，并满足上式。但应注意到02T的条件，否则，冰将不能全部熔解。【实验内容】测定冰熔解热的操作步骤由学生自己安排。粗选参数，先进行一次实验，在分析情况和结果的基础上，调整并确定m、1T及M的大致数值，然后仔细地重复实验。为进行散热修正，由投冰始，每间隔10-20s记录一次温度，直至由温度的变化可以确认冰已全部溶解为止。如改用温度传感器并配合适当接口，则可由微机自动记录T～t关系曲线。1．室温应取实验前、后的平均值；水的初温1T，可高出室温约10℃～15℃；配置温水时，又应略高于1T约1℃～2℃（为什么？）；水量约为内筒的21高度。2．严格遵守天平的操作规则，以保证测量的准确性。3．投冰前应将其拭干，且不得直接用手触摸；其质量不能直接放在天平盘上称衡，而应由投冰溶解后的质量，减去投冰前量热器连同水的质量差求得；冰和水的比例大约1:5为宜。4．注意掌握读取初温的时机。为测准，可在投冰前每隔一定时间（如1min）读1T，取4～5个点，再记下冰着水面的时间，即可用外推法较准确地确定温度1T。5．为使温度计示值确实代表系统的真实温度，整个实验过程中（包括读取1T前）要不断轻轻地进行搅拌（搅拌的方式应因搅拌器的形状而异）。6．注意维护停表，使用各按钮时动作要轻；分析数据、调整参数、进行实验。【数据记录与处理】1、冰的熔解热测量表21mm1mmm1Mmm1mM2T1TV1．冰的熔解热L的计算B类不确定度:0.02(g)mBC)0.1(T0B0.1(ml)VB结果：合LL2、冰的熔解t-T测量表时间)(st020406080100120140160180温度T2．为进行散热修正，由投冰开始每间隔10-20s记录一次温度，直至由温度的变化可以确认冰已全部溶解为止。作T～t关系曲线;3．计算散热系数:)()(CK21TTLntM水1T、2T为变化过程中的任意两点.【思考题】1．环境温度的变化会给实验结果带来什么影响？在实验操作过程中怎样做才能使系统与外界交换的热量最小？为什么？2．本实验中的“热力学系统”是由哪些组成的？量热器内筒、外筒、温度计、搅拌器等都属于该热力学系统吗？3．冰块投入量热器之前应做好哪些准备工作？投冰时应注意什么？4．若粗测后发现面积BASS，则它说明了什么？应怎样改变条件重做？5．下述诸量：1T及M何时测量？怎样测量？6．怎样由系统温度的变化推断冰已全部溶解？末温2T是如何确定的？作图时对应末温的时刻t2应如何确定？7．哪些因素会影响测量冰的质量M的准确性？分析其影响大小？8．试定性说明下述情况给测量结果带来的影响。（1）测1T之前没有搅拌；（2）测1T后到投冰之前相隔了一段时间；（3）搅拌过程中有水溅到量热器的盖子上；（4）冰未拭干就投入量热器；（5）实验过程中为什么冰和水的质量要有一定的比例。