改進(jìn)液體比熱容實驗裝置和測量方法研究

陳賽艷

摘要：本文改進(jìn)了電熱法測量液體比熱容的實驗裝置和測量方法，使實驗更為簡單。利用改進(jìn)后的實驗裝置和測量方法，我們測量了水的比熱容，實驗證明，用該裝置測定液體的比熱容具有很好的確度。

關(guān)鍵詞：液體比熱容；改進(jìn)；測定；實驗裝置

中圖分類號：O4-33 G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）37-0265-02

一、引言

比熱容是單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度升高1℃時需吸收的熱量，它的測量是物理學(xué)的基本測量之一，屬于量熱學(xué)的范疇。量熱學(xué)在許多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，特別是在新能源的開發(fā)和新材料的研制中，量熱學(xué)的方法是不可缺少的。比熱容的測量方法很多，如：混合法、冷卻法、比較法等[1]。本實驗采用的是比較法中的一種——電熱法測定液體的比熱容。單量熱器加熱裝置是電熱法測量液體比熱容的實驗中常用的，在測量過程中由于攪拌器的攪拌作用使回路中的電流不太穩(wěn)定，這無疑影響了測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。而用比較法測量液體的比熱容時，為了消除因電阻的不同而產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，需要進(jìn)行交換測量[2]。同時，溫度的測量一般采用的是酒精溫度計，存在溫度讀取誤差大、讀數(shù)不方便、單次測量引入隨機誤差的可能性大等諸多不良因素[3-6]。針對上述問題，本文改進(jìn)了測定液體比熱容的實驗裝置和測量方法，并使用改進(jìn)后的實驗裝置和方法測量了水的比熱容，實驗證明，測量的準(zhǔn)確度有了很大的提高。

二、實驗裝置

常用的測量液體比熱容的實驗裝置中的攪拌裝置是一根鋁制環(huán)形攪拌棒，用該攪拌棒進(jìn)行攪拌時，攪拌不均勻，且環(huán)形攪拌棒只能近似貼著杯壁上下運動。因此，待測液體的溫度很不均勻，量熱器內(nèi)液體的溫度差可達(dá)0.5℃，由此可見，溫度計測出的溫度并不能代表該待測液體的真實溫度[7]。同時，在測量過程中，鋁棒本身的溫度也會上升，這進(jìn)一步加大了實驗誤差。因此，我們對該裝置的這些不足進(jìn)行了改進(jìn)：使用帶自動攪拌機的攪拌杯來作為承裝實驗液體的容器。該攪拌杯通過電纜線與測定儀相連接，進(jìn)行實驗時，只要按下測定儀上的“攪拌”按鈕，攪拌器就會自動攪拌。同時，我們采用溫度傳感器來測量溫度，減少了讀取溫度計的讀數(shù)時產(chǎn)生的誤差。利用改進(jìn)后的實驗裝置，我們測量了水的比熱容，通過實驗，我們可以得到，使用改進(jìn)后的實驗裝置和測量方法進(jìn)行實驗時，攪拌非常均勻，攪拌杯中不同位置的液體溫度相差非常小。與原設(shè)備相比，液體的溫度相對均勻了很多，這樣，從液體中任意位置測出的溫度都可以代表待測液體整體的溫度，且利用溫度傳感器測出的溫度更加準(zhǔn)確，這使得測量結(jié)果的準(zhǔn)確度有了很大提高。

三、實驗公式

如圖1所示，在量熱器中裝入質(zhì)量為m，比熱容為c 的待測液體（如水），當(dāng)通過電流I時，根據(jù)焦耳-楞次定律，量熱器中電阻產(chǎn)生的熱量為

Q=IUt （1）

式中，I為電流強度，U為電壓，t為通電時間。

如果量熱器中水（包括量熱器及其附件）的初始溫度為T ，在吸收了加熱器釋放的熱量Q后，終了的溫度為T 。m 為不銹鋼量熱器內(nèi)筒的質(zhì)量，c 為其比熱容，攪拌器和溫度傳感器等用水當(dāng)量ω表示，水的比熱容為c ，則有

IUt=（m c +m c +ωc ）（T -T ）

c = -m c /（m +ω） （2）

不銹鋼在25℃時的比熱容c 為0.120cal·g-1·℃-1（或0.502J·g-1·℃-1），水在25℃時的比熱容c 為0.9970cal·g-1·℃-1（或4.173J·g-1·℃-1）。本量熱器的水當(dāng)量ω=6.68g。

四、實驗數(shù)據(jù)及處理

采用改進(jìn)后的實驗裝置，我們測量了水的比熱容，具體的測量數(shù)據(jù)如表1所示。

c = -m c /（m +ω）

= -69.9×0.502/（150+6.68）

=4.193（J·g ·℃ ） （3）

E = ×100%= ×100%=0.48% （4）

由上面的計算，我們可以看出，水的比熱容的相對誤差為0.48%，小于1%，該結(jié)果說明，改進(jìn)后的實驗裝置和測量方法具有非常高的精確度，說明改實驗裝置和實驗方法具有很好的精度。

結(jié)束語

本文對以往的電熱法測定比熱容的實驗裝置和測量方法進(jìn)行了改進(jìn)，并利用改進(jìn)后的實驗裝置和方法測量了水的比熱容，實驗發(fā)現(xiàn)，利用改進(jìn)后的實驗裝置和方法測量水的比熱容具有很高的精度，這在實際應(yīng)用上具有一定的價值。

參考文獻(xiàn)：

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