实验五、冰的熔化热的测定(混合法).ppt

热学实验涉及到对基本物理量之一的温度的测量 因为只有在热平衡条件下系统各部分的温度才相同 所以测定系统的温度时 必须使系统处于热平衡状态 实验五 冰的熔化热的测定 混合法 实验五 冰的熔化热的测定 混合法 实验目的实验内容实验重点实验仪器设备及材料 实验装置实验原理实验步骤思考 一 实验目的1 学习温度和热量的初步测定方法 掌握用混合法测定冰的熔解热 2 学习用牛顿冷却定律补偿散热 二 实验内容学习温度和热量的初步测定方法 掌握用混合法测冰的熔解热 三 实验重点1 学习用牛顿冷却定律补偿散热 2 掌握对测量结果的标准不确定度进行评定 四 实验主要仪器设备及材料分析天平 量热器 温度计 烧杯 水 电热杯 冰箱 量筒 搅拌器 秒表 镊子 五 量热器量热器种类很多 因测量目的不同 有不同结构 本实验如图所示 由绝热材料制成的外筒 和由良导体材料制成的内筒 构成 容纳液体的内筒固定在由保温材料构成的绝热架 上 外筒口用胶木盖 盖住 胶木盖的中央孔用来插温度计 旁边的小孔用来插搅拌器 量热器这种内外筒封闭结构减少了对流和热传导 内筒壁又很光洁减少了热辐射 从而减少了筒内液体与周围环境的热交换 六 实验原理1 用混合法测定冰的熔解在一定的压强下 晶体熔解过程中的温度 称为熔点 是不变的 单位质量的某种晶体熔解成同温度的液体所吸收的热量称为该晶体的熔解热 熔解热用 表示 单位为J kg 混合量热法就是将待测子系统 在本实验中是冰块 和已知热容为的子系统 在本实验中是量热器内筒 搅拌器 温度汁浸没在水中的部分及水 混合 和 组成一个近似与外界无热交换的孤立系统 根据热平衡原理 于是 放出的热量全部被 吸收 这就是混合量热法的基本原理 设冰块的质量为M 温度为 本实验只测温度差 因此单位用 方便 且在实验室条件下 冰块从冰水混合物中取出时 0 与质量为m 温度为的水混合 冰全部熔解后系统达到热平衡时的温度为 量热器内筒和搅拌器的质量分别为和 比热容分别为和 水的比热容为 温度计的热容为Cw 由混合量热法的基本原理得到因此冰的溶解热为 1 温度计的热容Cw可这样计算 水银温度汁由玻璃 密度 比热容为J kg 和水银 密度为 比热容为J kg 根据热容 两者的比热容与密度的乘积基本相同 那么温度汁浸入液体部分的体积V 立方米单位 对应的热容为 2 将此值代人 1 式 并取J kg 0 和都取摄氏度 可得 3 2 根据牛顿冷却定律补偿散热a 牛顿冷却定律热量的测量是热学中的另一个基本测量 当系统由于吸收 或放出 一微小热量dQ而温度升高或降低 这个量C就定义为该系统的热容 实验中测出 在已知系统的热容情况下就可测出系统吸收 或放出 的热量 在一些实验中 为了测量实验系统内各个子系统之间的热量交换 要求整个实验系统为一个与外界无热量交换的孤立系统 量热器 参见本实验的装置介绍 就是为此而设计的实验装置 但量热器只能使实验系统粗略地接近一个孤立系统 因此应该估计实验过程中系统从外界环境中吸收 或放出 的热量及其对实验结果的影响 当系统与外界环境的温度差相当小的情况下 系统单位时间内散失的热量与系统温度和环境温度的差成正比 数学表达式为 4 这就是从大量实验总结出来的牛顿冷却定律 式中k为散热系数 其数值与系统表面的热辐射本领和面积有关 在系统表面状态变化不大的情况下 k为一常量 设系统的热容为C 即 4 式还可写成 5 式中称为系统的冷却速率 b 补偿散热混合量热法要求实验系统应该是一个孤立系统 除了使用量热器外 在实验操作过程中应注意 不要用手握量热器 在远离热源及空气流动太快的地方进行实验 不能随便打开量热器的盖子 尽可能使系统与外界温差小 尽量使实验迅速完成等 即使这样 实验过程中无法达到系统与外界完全绝热 量热器内筒还会与周围环境有热交换 因此我们需要根据牛顿冷却定律对散热进行修正 设量热器内筒及筒内的水 冰块 搅拌器等为系统 系统表面的温度 即量热器内筒的温度 可近似为筒内水的温度 为 设量热器内筒以外即为环境 环境的温度可近似认为不变 当时 系统向环境散热 当时 系统从环境吸热 我们根据牛顿冷却定律 选择合适的系统初温和终温 使 而 并使整个实验过程中系统与环境之间的散热与吸热的代数和为零 使系统的散热得到补偿 在实验过程中 刚投入冰时 水温高 冰块与水的接触面积大 熔解快 水温下降也快 随着冰的不断熔化 冰块逐渐变小 水温变低 冰熔解放慢 水温下降也慢 量热器内筒的温度 即简内的水温 随时间t变化的曲线如图所示 与量热器内筒温度所对应的时刻分别为 根据 4 式 系统温度从变为这段时间系统向外界散失的热量 系统温度从变为这段时间系统从外界吸收的热量 从图3 1 1可知面积 面积 因此 如果 系统的散热和吸热就前后抵消 而要使 关键在于选择适当的和 因此可设计几组和都不同的条件下进行实验 并测出它们各自的 t图线 选其中最接近的那组实验数据代人 3 式来计算 七 实验步骤1 将量热器内筒和搅拌器擦干 分别称出质量和 如果两者材料相同可直接称总质量 记录室温 2 取比室温高出15 左右的纯净水注入量热器内筒 水温可用质量不同的冷水与热水相混合的方法来调节 使水约占内筒容积的2 3 称出水与内筒 搅拌器的总质量 将内筒放在绝热架上 插好搅拌器和温度计 盖好胶木盖 3 轻轻搅拌内筒里的水 熟悉温度计的读数方法 视线应正对水银柱上端 对于分度值为0 1 的水银温度计 应估读到0 01 从盛有冰水混合物的冰箱中 用竹夹子取出一小块冰 0 01kg左右 用纱布将冰决上的水吸干后 在将冰投入内筒前的一瞬间记下水的初温及初始时刻 注意投冰要快速 小心 不要溅出水珠 再迅速盖好胶木盖 4 用搅拌器轻轻搅拌水的同时 每隔一定时间 如5s 记录下相应的水温 所测的最低温度就是系统的终温 与对应的时刻就是终了时刻 时刻以后 系统将从外界吸收热量以致温度回升 5 取出温度计 避免带出水珠 用小量筒测出它浸入水中的体积V 称出熔解后冰 水 内筒和搅拌器的总质量 6 要实现散热补偿 重新选择M m和 重复再测2次 用坐标纸绘出3次实验的 t图线 计算坐标纸的格子数以估算和 选取与最接近的那组数据代入 3 式计算 为溶解热的最佳测得值 7 测量结果的标准不确定度的估算 由 3 式得知实验水的放热远大于量热器内筒 搅拌器 温度计浸没部分的放热 3 式可简化为 8 数据表格记录表1 表2 t关系数据 3组格式相同 加冰前 室温 八 思考题1 混合量热法应保证什么实验条件 本实验的 热学系统 由哪些研究对象组成 2 实验时为什么不先直接称出冰块的质量 3 为什么把冰块投入量热器内筒前 必须吸干冰上面的水 若冰中带水或水没有被吸干就投入 测出的熔解热是偏大还是偏小 若投冰或搅拌过程中把水溅出 测出的熔解热是偏大还是偏小 4 为什么把最低温度当作冰熔解完时系统的温度 为什么不能打开盖子看冰是否熔解完 谢谢 thanks