實(shí)驗(yàn)一 金屬比熱容的測定

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1、實(shí)驗(yàn)一金屬比熱容的測定冷卻法測定金屬比熱容是一種量熱學(xué)中常用方法。通過做冷卻曲線可測量各種金屬在不同溫度時(shí)的比熱容。本實(shí)驗(yàn)以銅為標(biāo)準(zhǔn)樣品,測定鐵、鋁樣品在100℃或200℃時(shí)的比熱容。通過實(shí)驗(yàn)了解金屬的冷卻速率和它與環(huán)境之間的溫差關(guān)系以及進(jìn)行測量的實(shí)驗(yàn)條件。單位質(zhì)量的物質(zhì),其溫度升高1K(1℃)所需的熱量叫做該物質(zhì)的比熱容,其值隨溫度而變化。[實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯1、學(xué)會(huì)基本的量熱方法——冷卻法。2、測定金屬的比熱。3、學(xué)習(xí)熱學(xué)實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)散熱帶來得誤差的修正方法。[實(shí)驗(yàn)儀器]金屬比熱容測量儀、升降臺(tái)、熱源(電烙鐵)、銅-康銅熱電偶、金屬樣品(鐵、銅、鋁)、防風(fēng)筒[

2、實(shí)驗(yàn)原理]將質(zhì)量為的金屬樣品加熱后,放到溫度較低的介質(zhì)(例如:室溫中的空氣)中,樣品將會(huì)逐漸冷卻。其單位時(shí)間的熱量損失(Δ/Δt)與溫度下降的速率成正比,于是得到下述關(guān)系式:(1)(1)式中為該金屬樣品在溫度時(shí)的比熱容,Δ/Δt為金屬樣品在時(shí)的溫度下降速率。根據(jù)牛頓冷卻定律有:(2)(2)式中為熱交換系數(shù),為該樣品外表面的面積,為常數(shù),為金屬樣品的溫度,為周圍介質(zhì)的溫度。由式(1)、(2),可得:(3)同理,對質(zhì)量為,比熱容為的另一種金屬樣品,可有同樣的表達(dá)式:(4)由(3)、(4)兩式,可得:所以:如果兩樣品的形狀尺寸都相同(即),兩樣品的表面狀況也相

3、同(如涂層、色澤等)、且周圍介質(zhì)(空氣)的性質(zhì)在相同的情況下有。于是當(dāng)條件不變(即室溫恒定而樣品又處于相同溫度)時(shí),上式簡化為:(5)如果已知標(biāo)準(zhǔn)金屬樣品的比熱容為、質(zhì)量為、待測樣品的質(zhì)量為及兩樣品在溫度時(shí)的冷卻速率之比,就可以求出待測的金屬材料的比熱容。幾種金屬材料的比熱容見表1:比熱容溫度(℃)(℃)(℃)100℃4.489.043.850[實(shí)驗(yàn)內(nèi)容]1.溫度用銅-康銅熱電偶測量,熱電勢用三位半數(shù)字電壓表測量,數(shù)字電壓表的量程為20mv,根據(jù)讀出的mv數(shù)查本實(shí)驗(yàn)后面所列附錄:銅-康銅熱電偶分度表即可換算成溫度。2.選取長度、直徑、表面光潔度盡可能相同

4、的三種金屬樣品(銅、鐵、鋁)用物理天平分別測出其質(zhì)量、、。3.使熱電偶熱端的銅導(dǎo)線與數(shù)字表的正端相連;冷端的銅導(dǎo)線與數(shù)字表的負(fù)端相連。當(dāng)數(shù)字電壓表讀數(shù)為一定值即200℃(9.286)時(shí),切斷電源移去電爐,樣品繼續(xù)安放在與外界基本隔絕的金屬圓筒內(nèi)自然冷卻(筒口須蓋上蓋子)。當(dāng)溫度降到102℃(4.371mv)時(shí)開始,測出樣品從102℃(4.371mv)下降到98℃(4.184mv)所需要的時(shí)間。按鐵、銅、鋁的次序,分別測量其溫度下降速度,每一樣品得重復(fù)測量5次。因?yàn)楦鳂悠返臏囟认陆捣秶嗤?102℃-98℃=4℃)所以公式(5)可以簡化為[數(shù)據(jù)處理]實(shí)驗(yàn)

5、數(shù)據(jù)例:樣品質(zhì)量:=4.830g;=4.280g;=1.500g熱電偶冷端溫度:=0℃樣品由102℃下降到98℃所需時(shí)間(單位為S)次數(shù)樣品12345平均值Fe8.868.998.948.589.098.890.09Cu8.118.368.508.338.608.380.08Al8.266.226.356.296.446.310.04以銅為標(biāo)準(zhǔn):C=C=3.850℃鐵:=3.850=4.61℃鋁:=3.850=9.34℃[實(shí)驗(yàn)裝置]如圖1所示,其中A)熱源,采用75瓦電烙鐵改制而成,利用底盤支撐固定并可上下移動(dòng);B)實(shí)驗(yàn)樣品,是直徑5,長30的小圓柱,其

6、底部鉆一深孔用于安裝熱電偶,而熱電偶的冷端則安裝在冰水混合物內(nèi);C)銅-康銅熱電偶;D)熱電偶支架;E)防風(fēng)容器;F)三位半數(shù)字電壓表;G)冰水混合物。技術(shù)指標(biāo):1.數(shù)字電壓表:三位半,量程:0-20,分辨率:0.01mv,準(zhǔn)確度:0.3%讀數(shù)+1字。2.加熱器功率:75W.3.傳感器采用銅-康銅熱電偶。4.測量金屬在100℃時(shí)的比熱容與公認(rèn)值百分差小于5%。5.輸入交流電壓:220V10%.6.電源功率約:90W.7.重量:7.5Kg.[思考與討論]1.冷卻法測金屬比熱容的理論根據(jù)是什么?2.分析本實(shí)驗(yàn)中哪些因素會(huì)引起系統(tǒng)誤差?測量時(shí)應(yīng)怎樣減小誤差?3

7、.試比較冷卻法與傳統(tǒng)混合法在測定金屬比熱容時(shí)的優(yōu)劣。[注意事項(xiàng)]1.熱電偶的冷端必須安裝在冰水混合物內(nèi)(即保證熱電偶參考端溫度為℃),否則數(shù)字電壓表的讀數(shù)將與本書所列參考值不同。2.金屬樣品在自然冷卻時(shí)必須將熱源移去。3.金屬樣品加熱時(shí)溫度較高,取放時(shí)必須用鑷子,避免燙傷。實(shí)驗(yàn)三水的汽化熱的測定物質(zhì)由液態(tài)向氣態(tài)轉(zhuǎn)化的過程稱為汽化,液體的汽化有蒸發(fā)和沸騰兩種不同的形式。不管是那種汽化過程,它的物理過程都是液體中一些熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能較大的分子飛離表面成為氣體分子,而隨著這些熱運(yùn)動(dòng)較大分子的逸出,液體的溫度將要下降,若要保持溫度不變,在汽化過程中就要供給能量。通常定

8、義單位質(zhì)量的液體在溫度保持不變的情況下轉(zhuǎn)化為氣體時(shí)所吸收的熱量稱為該氣體的汽化熱

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