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1、5.3.3固体比热容的测量I三(本文内容选自高等教育出版社大学物理实验)19世纪，随着工业文明的建立与发展，特别是蒸汽机的诞生，量热学有了巨大的进展。经过 多年的实验研究，人们精确地测定了热功当量，逐步认识到不同性质的能量(如热能、机械能、电 能、化学能等)之间的转化和守恒这一自然界物质运动的最根本的定律，成为19世纪人类最伟大 的科学进展之一。从今天的观点看，量热学是建立在“热量”或“热质”的基础上的，不符合分子 动理论的观点，缺乏科学内含。但这无损量热学的历史贡献。至今，量热学在物理学、化学、航空 航天、机械制造以及各种热能工程、制冷工程中都有广泛的应用。比热容是单位质量的物质升高(或降低
2、)单位温度所吸收(或放出)的热量。交换是难免的。 因此要努力创造一个热力学孤立体系，同时对实验过程中的其他吸热、散热做出校正，尽量使二者 相抵消，以提高实验的精度。实验原理1. 混合法测比热容设一个热力学孤立体系中有n种物质，其质量分别为m比热容为匕(i=1,2,.,n)。开始时体 系处于平衡态，温度为CT1，与外界发生热量交换后又达到新的平衡态，温度为T2。若体系中无 化学反应或相变发生，则该体系获得(或放出)的热量为Q - (m c + m c +. + m c )(T T)(1)1 12 2n n 21假设量热器和搅拌器的质量为m1,比热容为，开始时量热器与其内质量为m的水具有共同 温度
3、T1，把质量为mx的待测物加热到T后放入量热器内，最后这一系统达到热平衡，终温为T2。 如果忽略实验过程中对外界的散热或吸热，则有m c (TT ) = (mc + m c + 2.0VJ - K-1 - cm -3)(T T)(2)x x21 121式中c为水的比热容。2.0VJ - K-1 -cm-3代表温度计的热容量，其中V是温度计浸入到水中的体积。2. 系统误差的修正在量热学实验中，由于无法避免系统与外界的热交换，实验结果总是存在系统误差，有时甚至 很大，以全无法得到正确结果。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
4、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 避免在量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。这样混和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
5、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表5.3.3-1 查出沸点的温度。哀5.3-3-I水的沸点+压强的变化D1234S67&973。邮卵瓣成9&一99皿。399.07994199,1494.IB99.2274。9?. 2699,2999.3399.3799,4199.44皱q99.5299.5899.5975093,6393-6799.7095.7499.7899.8299.998999.9399.96倾IW-O1佃皿10007lOfl.li100 15IWJS1W.22100.26100.29100.33770W-361的一皿100.441
6、CK1.47I0G.51tnn.55100.58100.62100.65100.69在采取以上措施后，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45min就开始测读量热器中水的温度，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。直道升温停止后，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T-t曲线（图 5.3.3-1）。为了推出式（2）中的初温T1和末温T2，在图
7、5.3.3-1中，对应于室温T室曲线上之G点作一 垂直于横轴的直线。然后将曲线上升部分AB及下降部分CD延长，与此垂线分别相交于E点和F 点，这两个交点的温度坐标可看成是理想情况下的T1和丁2，即相当于热交换无限快时水的初温与末温。实验内容实验内容是测量锌粒的比热容，实验装置如图5.3.3-2。图5.3.3-2液体比热容测抵装宣示意图 恒温水套位一愧拌器=3量熟筒垫屋却支架；5绝格靠温 度计口一绝热蠢遇一笔热椽皮圈1. 称出质量为mx的锌粒，放入试管中隔水加热（注意：水不能溅入）。在沸水中至少15min， 才可以认为锌粒与水同温。水沸腾后测出大气压强p。2. 在锌粒加热的同时，称出量热器内筒及
8、搅拌器质量m1,然后倒入适量的水，并加入冰屑使 水温降低到室温下34C（注意：不能使筒外表有水凝结），利用公式（2）估算出水的质量 m后，称出质量m1+mo3. 在倒入锌粒前，一面用棒轻轻搅动，一面每隔一分钟测一次水温（注意：一定要待冰屑全部 融化后才能开始测温），计时5分钟后将热好的锌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（注意：搅拌不能太 使劲），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. 温度计浸没在水下的体积可用一个小量筒测得，先将水注入小量筒中，记下其体积V1，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V2,则温度计插入量热筒水中的体 积V = V - V 21（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5.3.3-1得到实验气压条件下水的沸点T，即作为锌粒加热后的温度。6. 作温度-时间曲线，求出T1和T2。7. 根据式(2)求出锌的比热cx，并和锌的标准比热0.386J/(g K)比较，求出相对误差。思考题为使系统从外界吸热与向外界放热大体相抵，你采取了哪些措施？结果怎样？
