水當量法測量液體比熱容的改進*

靳亞康 范瀟帥 張亞萍 鄭志佳

(中國石油大學(華東)理學院 山東 青島 266580)

1 引言

液體比熱容作為重要的熱力學參量，在生產實踐中具有十分重要的作用，例如油氣運輸等，因此，精確地測量待測液體的比熱容則顯得尤為重要．液體比熱容的測定常用冷卻法和電流量熱法[1，2]，目前實驗室教學中，大多數采用單量熱器電熱法測量液體比熱容，文獻[3]改進單量熱器為雙量熱器后，實驗精度有所提高，但仍存在耗材多，操作復雜等問題，針對上述情況，經過大量的實驗探究，采用以水作為基準物質并結合電壓比較法，同時改進雙量熱器法和水當量法，不僅實驗精度有進一步提高，且耗材少，實驗操作也有所簡化．

2 實驗原理

由于雙量熱器法測量液體比熱容存在計算量大、耗費待測液體多、操作復雜等缺陷，本文在大量實驗探究的基礎上，采用將水作為基準物質來測量液體比熱容的水當量法，其實驗原理如下．

分別稱取質量為m1的待測溶液，質量為m2的水，加入兩量熱器內筒中，根據焦耳定律，在t時間內電流I通過電阻R1產生的熱量為

Q1=I2R1t=U01It

(1)

對于另外一個量熱器有類似的表達式

Q2=I2R2t=U02It

(2)

圖1 水當量法實驗原理示意圖

由于兩加熱電阻串聯在電路中，所以電流均為I．

根據比熱容的定義有

(3)

同樣有

(4)

設量熱器內筒、攪拌器和電流導入銅棒的質量之和為mx，比熱容為cx[銅質材料的比熱容[4]為

cx=0.3873 J/(g·℃)]，則其水當量為[5]

(5)

比較(1)、(3)兩式，得

(6)

同樣可得

(7)

由式(6)、(7)可得

(8)

實驗中保證溫度與電橋輸出電壓間為線性關系，則有

(9)

將式(8)代入式(7)解得

(10)

設加入待測液體的量熱器內筒、攪拌器和電流導入棒的質量之和為M1，而加入水的量熱器內筒、攪拌器和電流導入捧的質量之和為M2，代入式(5)、(10)可得

(11)

3 實驗結果與討論

實驗中以甘油為待測液體，分別用水當量法和雙量熱器法測量其比熱容．

3.1 改進的水當量法測量甘油比熱容

在通電電壓分別為U01=9.55 V，U02=9.47 V時，測得橋路電壓隨時間變化的關系曲線，如圖2所示.

由圖2可得，U1和U2隨時間變化基本滿足良好的線性關系，其斜率分別為

k1=1.925k2=1.518

(12)

將數據代入公式(9)得到

c測1=2.60 J/(g·℃)

相對誤差為

備注：m1=245.0 g;m2=194.4 g;

3. 2 雙量熱器法測量甘油比熱容[3]

在通電電壓分別為U01=7.74 V，U02=7.82 V時，測得橋路電壓隨時間變化的關系如圖3所示.

備注：m1=225.3 g;m2=235.6 g;

將數據代入文獻[5]中公式得

c測2=2.70 J/(g·℃)

相對誤差為

3.3 兩種方法比較

實驗中分別用改進的水當量法和雙量熱器法測定乙醇、甘油、松節油的比熱容，實驗結果如表1所示．

表1 兩種方法測量不同液體比熱容結果精度表[比熱容單位均為J/(g·℃)]

表1所得結果表明，改進后的水當量法測量精度比雙量熱器法有所提高．

4 應用前景展望

在油氣運輸過程中，比熱容的實時測量尤為重要，例如當輸油管道所輸混合原油的混合比有變化時，必須及時確定所輸混合油的比熱容[6]．下面給出利用水當量法實時監測輸油管道內所輸油品比熱容的示意圖．

圖4 水當量法實時監測輸油管道內所輸油品比熱容系統示意圖

如圖4所示，通過油品采樣系統定時對油氣輸送管道進行采樣，將油品樣本與水用電熱法加熱，并在加熱過程中用微型電動機進行攪拌，通過非平衡電橋系統監測油品及水的溫度變化情況，通過電壓實時測量系統監測兩者內置加熱電阻兩端電壓，控制系統，綜合分析各系統傳輸信號，按照水當量法測量原理經過編程處理計算得出油品比熱容，以供工作人員制定管道輸油計劃．

5 結束語

本文在雙量熱器法測量液體比熱容的基礎上，采用水作為測量基準物質，同時改進水當量法和雙量熱器法，改進后的方法不僅實驗精度得到提高，實驗操作也有所簡化，而且會更加方便地應用于生產實踐．相比雙量熱器法與傳統的水當量法，改進的水當量法有以下優勢.

(1)精度較高．由表1結果可知，水當量法由于用水作為基準測量物質，使得測量結果更加準確穩定．對于不同液體比熱容的測量，雖然改進的方法所測甘油和松節油的實驗結果精度比乙醇高，但是整體而言，改進后的方法要比傳統的雙量熱器法精度高，因此更加易于在生產實踐中應用．

(2)耗材較少．相比雙量熱器法，水當量法只需少量待測液，便于在生產線等自動檢測中使用．在自動檢測中，如若兩量熱器內均盛裝待測液，則需在生產線中考慮的影響因素相應增多，這樣一來，耗材增多，且不利于生產線控制．

(3)操作簡化．由于雙量熱器兩個內筒中都需盛裝待測液，實驗操作難度較水當量法中只有一個內筒盛裝待測液難度大．

在傳統的雙量熱器法中，很多待測液的粘滯系數較大，不易于攪拌，改進后，只有一個量熱器盛裝待測液，實驗操作的難度有所降低．

參考文獻

1 閻向宏，張亞萍．電熱法測液體比熱容實驗的改進 ．大學物理，1997，16(7)：23～24

2 王青獅．大學物理實驗學．北京：科學出版社，2001.105～

108

3 孟軍華，牛法富，張亞萍．新型液體比熱容測量裝置與方法的設計．實驗室研究與探索，2011，30(4)：14～16

4 宋小龍，安繼儒．新編中外金屬手冊．北京：化學工業出版社，2008.1094

5 王延興，郭山河，文立君，等．大學物理實驗．北京：高等教育出版社，2003.118～125

6 李才,蘇仲勛．混合原油比熱容的測定及其計算方法．油氣儲運，1992，11(3)：9～18