固体比热容的测定研究资料

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1、华人论文网 1 固固体体比比热热容容的的测测定定研研究究 孙庆斌 摘摘要要：本文研究了 利用混合法测量固体比热容的测定原理以及改进方法，并用实验方法加以验证。 通过实验数据的分析处理，讨论了实验误差的来源，主要对热散失、质量测量 等方面引起的 实验偶然误差 提出实验改进方案， 从而提高实验精度。 关关键键词词： 固体比热容 混合法 热平衡原理 作者：孙庆斌（理学院06 级应用物理班） 指导教师： 马彦兵 华人论文网 2 Determination of specific heat of solid research Sun Qingbin Abstract: In this paper, we

2、 use the mixed measurement determination of specific heat of solid principles,and to improve methods and verified by experiment. Through the analysis of experimental data processing, we discuse the sources of experimental error, mainly adout the heat loss, such as the quality of measurement error ca

3、used by accidental proposed experimental test improvement program to improve the experimental precision. Key word: Specific heat of solid Mixed method Heat balance equation 华人论文网 3 目目 录录 第 1 章 绪 论 .3 第 2 章 混合法测量固体比热容4 2.1 实验原理 4 2.2 实验内容 7 2.2.1 按照公式测定系统中量热器的热容C7 2.2.2 按公式测定铜块的比热容c 8 2.3 实验数据记录与处理 8

4、 第 3 章 实验误差来源分析 .10 3.1 误差来源及补偿法修正温度.10 3.2 影响实验结果的因素 11 3.2.1 气体对流传热的影响 12 3.2.2 搅拌器搅拌的影响 12 3.2.3 水的质量大小对实验误差的影响13 3.2.4 水的初温高低对实验误差影响的分析.13 3.2.5 铜块入水时的温度高低对实验误差影响.14 第 4 章 混合法测定固体比热容的改进方法15 总 结 .17 致 谢 .17 主要参考文献 . .1 18 8 作者：孙庆斌（理学院06 级应用物理班） 指导教师： 马彦兵 华人论文网 4 第第 1 1 章章 绪绪 论论 比热容亦称比热，是指单位质量物质的热

5、容量，也是特定粒子（电子、原子、分 子等）结构及其运动特性的宏观表现。我们可以从特定微观粒子的结构出发求算比热 容，也可以根据实验测量比热容反过来联系和探索微观结构及其运动特性。比热容涉 及质量、温度、热量、物质四个因素。对于一定质量物体比热容的大小与物体的性质 有关，而且与物体的温度也有关。过程不同，比热容的值也不同。对于固态物质，在 温度变化时要保持其体积不变，这是相当困难的。固体中讨论的热容量一般指定容比 热容，它包括两方面的贡献：一是来源于金属振动的贡献，称为晶格比热容；一是来 源于金属中自由电子热运动的贡献，称为电子比热容。 比热容是化学家和物理学家共同关心的一个问题。比热容的测量对

6、了解晶格振动、 电子能带结构和能态密度、磁性材料中磁性离子的能级、固体中的相变（正常态和超 导态转变）等都是有力的工具。不少科学家在测量比热容及有关理论方面作出过贡献。 本文通过详细的资料收集以及严密的实验过程对固体比热容的测定做研究。 华人论文网 5 第第 2 2 章章 混混合合法法测测量量固固体体比比热热容容 2 2. .1 1 实实验验原原理理 温度不同的物体混合之后，热量从高温物体传给低温物体，如果在混合过程中与 外界无热量交换，最后将达到一均匀稳定的平衡温度，在这个过程中，高温物体放出 的热量等于低温物体所吸收的热量，此称为热平衡原理。根据热平衡原理用混合法测 定固体的比热。 将质量

7、为、温度为的金属投入量热器的水中。设量热器（包括搅拌器和温度 m 2 t 计插入水中的部分）的比热容为，其中水的质量为，比热容是，待测物投入水 C 0 m 0 c 中之前的水温为。在待测物投入水中以后，其混合温度为，则在不计量热器与外界的热交 1 t 换的情况下，将存在下列关系： （2.1.1） )()( 1002 tCcmtmc 即 （2.1.2） )( )( 2 100 tm tCcm c 量热器的热容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 C 质（铜）制成，其质量为，比热容为，则 1 m 1 c （2.1.3） 11 CcmC 式中为温度计插入水中部分的热容。的值可由下

8、式求出： C C 319 . 1 . cmJ VC 式中为温度计插入水中部分的体积。表示以为单位时的数值，而 V 1 . J C C 1 . J 表示以为单位时的数值。量热器的热容也可以用混合法测量。即先将量热器中 3 cm VV 3 cmC 加入质量为（以 g 为单位）的水，它和量热器的温度为，其次将质量为（以 g 为单位） 0 m 1 t 0 m 温度为的温水迅速倒入量热器中，搅拌后的混合温度为，则根据式（ 2.1.1） ，得 2 t )()( 1 0 0 20 0 tCcmtcm 即 作者：孙庆斌（理学院06 级应用物理班） 指导教师： 马彦兵 华人论文网 6 （2.1.4） 0 0 1

9、 2 0 )( cm t tm C 但是用混合法测量热器热容时，要注意使水的总质量和实际测比热容时水 C 0 0 mm 的质量大体相等，混合后的温度也应和实测时的混合温度尽量相近才好。 0 m 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，必须考虑如何防止或进行修正热散失的影响。热散失的 途径主要有三：第一是加热后的物体在投入量热器水中之前散失的热量，这部分热量 不易修正，应尽量缩短投放时间。第二是在投入待测物后，在混合过程中量热器由外 部吸热和高于室温后向外散失的热量。在本实验中由于测量的事导热良好的金属，从 投入物体到达混合温度所需时间较

10、短，可以采用热量出入相互抵消的方法，消除散热 的影响。即控制量热器的初温，使低于环境温度，混合后的末温则高于， 1 t 1 t 0 t 0 t 并使大体上等于。第三要注意量热器外部不要有水附着（可用干布擦干净） 10 tt 0 t ，以免由于水的蒸发损失较多的热量。 由于混合过程中量热器与环境有热交换，先是吸热，后是放热，致使由温度计读 出的初温和混合温度都与无热交换时的初始温度和混合温度不同。因此，必须对 1 t 和进行修正。可利用图解法进行，如图2.1.1 所示。 1 t 图 2.1.1 初温、末温修正图 实验时，从投物前五六分钟开始测水温，每10s 测一次，记下投物的时刻与温 度，记下达

11、到室温的时刻，水温达到最高点后继续测五六分钟，在图2.1.1 0 t 0t 中，过作一竖直线 MN，过作一水平线，二者交于O 点，然后描出投物前的吸热线 AB，与 MN 交于 B 点，混合后的放热线 CD 与 MN 交于 C 点。混合过程中的温升线 华人论文网 7 EF，分别与 AB、CD 交于 E 和 F。因水温 达室温前，量热器一直在吸热，故混合过 程的初温应是与 B 点对应的，此值高于 投物时记下的温度。同理，水温高于室温 1 t 后，量热器向环境散热，故混合后的最高 温度是 C 点对应的温度，此值也高于温 度计显示的最高温度。 在图 2.1.1 中，吸热用面积 BOE 表示，散热用面积

12、 COF 表示，当面积相等时， 说明实验过程中，对环境的吸热与放热相消。否则，试验将受环境影响。试验中，力 求两面积相等。 此外，要注意温度计本身的系统误差。设温度计在冰点事读数为，温度计 0 刻度值 1对应的真实值为，则温度计读数为时，其真实温度 a tatt)( 0 每支温度计的和值都标在仪器卡片上。 0 a 2 2. .2 2 实实验验内内容容 实验内容是测量铜块的比热容，实验装置如图2.2.1。 图 2.2.1 混合法测量铜块比热容实验装置 说明：1恒温水套； 2.搅拌器； 3.量热筒； 4.垫层和支架； 5.绝热盖； 6.温度计； 7.绝热套； 8.绝热橡皮圈 作者：孙庆斌（理学院0

13、6 级应用物理班） 指导教师： 马彦兵 华人论文网 8 2 2. .2 2. .1 1 按按照照公公式式测测定定系系统统中中量量热热器器的的热热容容C C 1、用纱布将量热器内筒、搅拌器、温度计以及其他一切有关用具擦洗干净。 2、称量内筒及搅拌器（去掉绝缘套）的质量，设为，同时用冰配置清洁冷 1 m 水，约低至室温 8. 3、把量程为 0-50的精密温度计插入塑料盖内，尽量使其测量温端位于水中部， 不要与筒壁及底部相碰。 4、将内筒中放入约占筒容积一半的冷水，不要放入冰块，称其总质量，设为 ，则冷水质量为，装好，且适当搅拌。 2 m 12 mm 5、与上述步骤同时，另一个人配置热清洁水，用0-

14、100温度计测热水温度， 待高出室温 18左右时，准备混合，混合前记下量热器中的A+B 和热水 C 的温度 与，立即混合。 1 t 2 t 6、混合时尽量把热水多倒入些，但不要太满，以免搅拌时溢出，热水倒入后， 立即盖上盖搅拌，当趋于平衡后，测下平衡温度。 CBA 7、取出温度计，注意尽量不让温度计带走水的质量，小心取出内筒及搅拌器，称 的质量为，测量热水质量为，最后按公式算出的值，且按单次测量误差及误 CBA 13 mm 差传递公式计算出来。 2 2. .2 2. .2 2 按按公公式式测测定定铜铜块块的的比比热热容容 c c 1、称待测物质量，煮一烧杯清洁沸水放入待测物加热以待用。用量程为

15、 m 100的温度计测量沸水温度（及待物测温），注意待测物要悬于水中，不要碰到 2 t 杯壁，否则将与沸水的温度不同。 2、称内壁及搅拌器质量 1 m 3、将已配好的冷水加入内筒 ,以能淹没待测物为好，不要太多，否则最后平衡 温度不易观测，称其质量，则冷水质量为 2 m 12 mm 4、将内筒放入外筒中，装好后，搅拌使之平衡，记下A+B、C 的各自温度和 1 t 后迅速混合，将待测物放入内筒中盖上盖。 2 t 5、平稳搅拌，使之迅速趋于平衡，记下平衡温度 注意：不要使温度计、待测物、烧杯等和有关物体彼此相碰，且轻拿轻放，以避 华人论文网 9 免玻璃仪器的损坏。 2 2. .3 3 实实验验数数据据记记录录与与处处理理 1、求量热器系统的比热容 C （g 1 m ） （g 2 m ） （） 1 t（） 2 t （） （g 3 m ） 第一次 74.03201.5218.579.539.2287.77 第二次 74.11214.481963.535.2330.30 表 2.3.1 测量量热器系统的比热容 C 由表中数据可以得出： 第一次时： ggm49.127)03.7452.201( 0 ggm25.86)52.20177.287( 0 由公式可得