固体比热容的测量.doc

实验报告

P王主光

实验题目：固体比热容的测量

实验目的：通过测量固体比热容，加深对热力学第一定律的理解

实验原理：

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mi，比热容为ci（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

（1）

假设量热器和搅拌器的质量为m1，比热容为c1，开始时量热器与其内质量为m的水具有共同温度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

（2）

式中c为水的比热容。代表温度计的热容量，其中V是温度计浸入到水中的体积。

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：

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。

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。

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。

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。

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。

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4~5min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T2，即相当于热交换无限快时水的初温与末温。

实验步骤：

该实验测量的是锌粒的比热容，实验装置如下：

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。

在锌粒加热的同时，称出量热器内筒及搅拌器质量m1，然后倒入适量的水，并加入冰屑使水温降低到室温下3~4℃（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

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。

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

（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）

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。

作温度-时间曲线，求出T1和T2。

根据式（2）求出锌的比热cx，并和锌的标准比热比较，求出相对误差。

实验数据的分析与处理：

由实验室提供的数据：

搅拌器和量热器内筒的比热容：c1=0.093cal/(g·oc)=0.3906J/(g·K)

水的比热容：c=4.2J/(g·K)

在当时的实验条件下，读得：

室温：27.50oC

大气压强P0：753.40m