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1、实验简介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）单位温度所吸收（或放出）的热量。比热容的测定对研究物质的宏观物理现象和微
2、观结构之间的关系有重要意义。本实验采用混合法测固体（锌粒）的比热容。在热学实验中，系统与外界的热交换是难免的。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，以提高实验精度。实验原理n 混合法测比热容设一个热力学孤立体系中有种物质，其质量分别为，比热容为（）。开始时体系处于平衡态，温度为，与外界发生热量交换后又达到新的平衡态，温度为，若无化学反应或相变发生，则该体系获得（或放出）的热量为假设量热器和搅拌器的质量为，比热容为，开始时量热器与其内质量为的水具有共同温度，把质量为的待测物加热到后放入量热器内，最后这一系统达到热平衡，终温为。如果忽略实验过
3、程中对外界的散热或吸热，则有式中为水的比热容。代表温度计的热容量，其中是温度计浸入到水中的体积。n 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，以至无法得到正确结果。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：l 要尽量减少与外界的热量交换，使系统近似孤立体系。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。l 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，但避免在两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
4、合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。l 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。l 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。l 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。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
5、物体放入量热器前4-5min就开始测度量热器中水的温度，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。直到升温停止后，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曲线（图5.3.3-1）。为了推出式（2）中的初温度和末温，在图5.3.3-1中，对应于室温曲线上之点作一垂直与横轴的直线。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，这两个焦点的温度坐标可看成是理想情况下的和，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n 称出质量为的锌
6、粒，放入试管中隔水加热（注意：水不能溅入）。在沸水中至少15min，才可认为锌粒与水同温。水沸腾后测出大气压强。n 在锌粒加热的同时，称出量热器内筒及搅拌器质量，然后倒入适量的水，并加入冰屑使水温降低到室温下（注意：不能使筒外表有水凝结），利用公式（2）估算出水的质量后，称出质量。n 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分钟后将加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：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
7、续10min左右为止。n 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，即下其体积，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，则温度计插入量热筒水中的体积（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）。n 查表5.3.3-1得到实验气压条件下水的沸点，即作为锌粒加热后的温度。n 作温度-时间曲线，求出和。n 根据式（2）求出锌的比热，并和锌的标准比热比较，求出相对误差。实验重点n 了解量热器的构造，如何保证量热器为孤立系统。n 如何对实验过程中的吸热、散热做出校正，尽量使二者相抵消，以提高实验的精度。思考题n 实验中采用什么实验条件来保障测比热容的条件成立？n 实验中质量称衡采用了精度较低的物理天平,为什么测量温度却采用分度值为0.1C的精密水银温度计?n 为了提高量热精度,实验中采取了哪些措施?若要进一步提高测量精度可用什么方法?
