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文檔簡(jiǎn)介
1、圖3-1 焦耳子秒表或機(jī)械秒表等。圖3-2量熱器圖3-3量熱器結(jié)構(gòu)圖圖3-4電子天平混合法測(cè)冰的熔化熱【實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介】溫度測(cè)量和量熱技術(shù)是熱學(xué)實(shí)驗(yàn)的中最基本問(wèn)題。本實(shí)驗(yàn)主要學(xué)習(xí)利用量熱學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法混合法測(cè)量冰的熔化熱。量熱學(xué)是以熱力學(xué)第一定律為理論基礎(chǔ)的,它所研究的范圍就是如何計(jì)量物質(zhì)系統(tǒng)隨溫度變化、相變、化學(xué)反應(yīng)等吸收和放出的熱量。量熱學(xué)的常用實(shí)驗(yàn)方法有混合法、穩(wěn)流法、冷卻法、潛熱法、電熱法等。本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用混合發(fā)測(cè)冰的熔化熱,使用 的基本儀器為量熱器。由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中量熱器不可避免地要參與外界環(huán)境的熱交換而散失對(duì) 熱量,因此,本實(shí)驗(yàn)采用牛頓冷卻定理克服和消除熱量散失對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響,以減小實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差。
2、詹姆斯 普雷斯科特 焦耳一一生平簡(jiǎn)介(1818-1889)焦耳是英國(guó)著名物理學(xué)家,1818年12月24日生于英國(guó)曼徹斯特。他研究 的實(shí)驗(yàn)成果有焦耳-楞次定律,焦耳氣體自由膨脹實(shí)驗(yàn)、焦耳 -湯姆孫效應(yīng)、焦耳熱 功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)、焦耳熱等。焦耳于18401850年進(jìn)行的熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)為熱力學(xué)第一定律的科學(xué)表述奠定了基礎(chǔ)。1889年10月11日焦耳在塞爾逝世,終年71歲為了紀(jì)念他對(duì)科學(xué)發(fā)展的貢獻(xiàn),國(guó)際計(jì)量大會(huì)將能量、功、熱量的單位命名為焦耳?!緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、掌握基本的量熱方法 一一混合法;2、測(cè)定冰的熔化熱;3、學(xué)習(xí)消除系統(tǒng)與外界熱交換影響量熱的方法?!緦?shí)驗(yàn)儀器和用具】量熱器(BDI-302A型),數(shù)字溫度
3、計(jì)(SN2202或DM-T )或水銀溫度計(jì)(050C , 0.1 C)、 燒杯、電子天平(YJ6601 )、冰柜、或恒溫?cái)?shù)顯水浴鍋、保溫桶、小量筒(10ml,0.5ml)、電【實(shí)驗(yàn)原理】(3-1)電子天平圖3-5(3-2)1、熱平衡方程式在一定壓強(qiáng)下,固體發(fā)生熔化時(shí)的溫度稱(chēng)為熔化溫度或熔點(diǎn),單位質(zhì)量的固態(tài)物質(zhì)在熔點(diǎn)時(shí)完全 熔化為同溫度的液態(tài)物質(zhì)所需要吸收的熱量稱(chēng)為熔 化熱,用L表示,單位為J/Kg或J/ g。將質(zhì)量m,溫度為0 c的冰塊置入量熱器內(nèi), 與質(zhì)量為m0,溫度為t0的水相混合,設(shè)量熱器內(nèi)系 統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)溫度為 t1。若忽略量熱器與外界的 熱交換,根據(jù)熱平衡原理可知,冰塊熔化成水并升
4、 溫吸熱與水和內(nèi)筒等的降溫放熱相等。即:mL mC0tl =(m0C0 m1cl m2C2)(t0 -t1) 解得冰的熔化熱為:,1 ,L = (m0C0 EG m2c2)(t0-ti)-C0ti mC0 =4.18J/(g 0C)為水,m2C2是溫度計(jì)插入上式中:m為冰的質(zhì)量,為量熱器內(nèi)筒中所取溫水的質(zhì)量, 的比熱,m1, C1為量熱器內(nèi)筒及攪拌器的質(zhì)量和比熱(二者同材料)水中部分的熱容(對(duì)水銀溫度計(jì) m2C2=1.9V,V數(shù)值上等于溫度計(jì)插入水中體積的毫升數(shù),單位為J/°C ;對(duì)數(shù)字溫度計(jì)的 m2c2可不計(jì)。),t0,t1為投冰前、后系統(tǒng)的平衡溫度。實(shí)驗(yàn)中可測(cè)出m,八,m, m2
5、c2, t。%的值,G, G為已知量,故可以求出 L的值。2、初溫與末溫的修正上述結(jié)論是在假定冰熔化過(guò)程中,系統(tǒng)與外界沒(méi)有熱交換的條件。實(shí)際上,只要有溫度差異就必然有熱交換的存在。因此必須考慮如何防止或進(jìn)行修正熱散失的影響。第一,冰塊在投入量熱器水中之前要吸收熱量,這部分熱量不容易修正,應(yīng)盡量縮短投放時(shí)間。第二,引起測(cè)量誤差最大的原因是10,匕這兩個(gè)溫度值,這是由于混合過(guò)程中量熱器與環(huán)境有熱交換。若to大于環(huán)境溫度9 , t1小于9 ,則混合過(guò)程中,系統(tǒng)對(duì)外先是放熱, 后是吸熱,至使溫度計(jì)讀出的初溫t0和混合溫度t1都與無(wú)熱交換時(shí)的初溫度和混合溫度有差 異,因此,必須對(duì)to和t1進(jìn)行修正。修正
6、方法用圖解法進(jìn)行??疾焱侗?、冰融化過(guò)程和冰 全部融化后持續(xù)的三個(gè)階段內(nèi)的水溫隨時(shí)間的變化情況,作出時(shí)間溫度曲線(ABCDE)。實(shí)驗(yàn)時(shí),從投冰前5分鐘開(kāi)始,每30秒測(cè)一次水溫,直至冰完全熔化后 5分鐘為止, 中間測(cè)時(shí)、測(cè)溫不間斷。將記錄的時(shí)間溫度,在二維坐標(biāo)上先描出點(diǎn),再將點(diǎn)連成連續(xù)的曲線ABCDE ,如圖3-6示:圖中AB為投冰前的放熱線(近似為直線),BCD為熔化 時(shí)的曲線,DE為熔化后的吸熱線(近似為直線),B、D兩點(diǎn)為為溫度計(jì)實(shí)測(cè)的投冰前后 的系統(tǒng)初、末溫度。下面討論對(duì)曲線ABCDE的處理方法,可以采取兩種方法。方法一、在BCD段找出與室溫0對(duì)應(yīng)的點(diǎn)C,過(guò)C作一 條垂直于時(shí)間軸的垂線
7、FG,分別與AB、ED的延長(zhǎng)線交于 F、 Go在冰熔化的過(guò)程中,當(dāng)水溫高于室溫前( BC段),量熱器 一直在放熱,故混合前的理論初溫值應(yīng)該低于投冰前的測(cè)量溫 度值(B點(diǎn)值);同理,水溫低于室溫后(CD段),量熱器從 環(huán)境吸熱,故熔化完的理論溫度要低于溫度計(jì)顯示的最低溫度 值(D點(diǎn)值)。如果圖中BCF , CDG兩部分的面積近似相等 (一 般需要多次實(shí)驗(yàn)改變參數(shù),才可以達(dá)到較好的近似),根據(jù)牛頓冷卻定律,可近似認(rèn)為系統(tǒng)與環(huán)境的吸、放熱相消,從而達(dá)到良好的減小系統(tǒng)誤差的效果。此時(shí),可取F點(diǎn)和G點(diǎn)的溫度值表示冰塊熔化前和熔化后的系統(tǒng)溫度t0和t。方法二、若方法一作出的 BCF, CDG兩部分面積相差
8、叫大,我們可以采取以下方法: 作線段FG垂直于時(shí)間軸,分別與 AB、ED的延長(zhǎng)線交于 F、G,且使BCF與CDG兩部分面積相等,也可取 F點(diǎn)和G點(diǎn)的溫度值表示冰塊熔化前和熔化后的系統(tǒng)溫度 b和匕1。其道理是,新的溫度曲線ABFGDE (折線)與實(shí)驗(yàn)溫度曲線 ABCDE是等價(jià)的,而表示熔化過(guò)程的FG段過(guò)程極短,故可以認(rèn)為是絕熱的。1、用天平稱(chēng)量熱器內(nèi)筒及攪拌器的質(zhì)量mi ,并確認(rèn)其材料性質(zhì),若為銅制取【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求】Ci = 0.39J /(g oC),若為鋁制取 Ci = 0.90J /(goC)。2、在內(nèi)筒中注入高于室溫恰當(dāng)溫度的水,約為內(nèi)筒容積3/5,稱(chēng)量其總質(zhì)量 mi+m。,求出所取水
9、的質(zhì)量 m0,安裝好儀器裝置,并放置三分鐘左右。(注:取水溫和室溫之差,與 C0mo+C1mm、環(huán)境及儀器裝置等有關(guān).)3、研究投冰前、冰融化過(guò)程和冰全部融化后系統(tǒng)內(nèi)水溫的變化情況。不斷地、輕輕地用攪拌器攪拌內(nèi)筒中的水,當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)溫度相對(duì)穩(wěn)定時(shí),開(kāi)始測(cè)量筒中水溫的變化并計(jì)時(shí),即在讀出第一個(gè)溫度值的那一刻作為秒表的計(jì)時(shí)零點(diǎn),以后每 30秒記錄一次 水溫,直至測(cè)溫結(jié)束。在秒表顯示約5分鐘時(shí),敏捷地將擦干水的 0C的冰放在量熱器內(nèi),然后將量熱器按裝好,動(dòng)作要迅速,繼續(xù)攪拌、測(cè)溫,直至溫度降到最低,再緩慢回升45分鐘為止,才停止計(jì)時(shí)、測(cè)溫。特別注意,在整個(gè)測(cè)溫過(guò)程中:要用量熱器不斷的緩慢攪拌內(nèi)筒中的水;
10、從測(cè)溫開(kāi)始到測(cè)溫結(jié)束這段時(shí)間內(nèi),秒表開(kāi)始計(jì)時(shí)后,不可回零,也不可以暫停。4、稱(chēng)量m, +n +m總質(zhì)量,求出冰的質(zhì)量;找出溫度計(jì)浸入水中的位置,用小量筒 測(cè)出其浸入水中部分的體積;交指導(dǎo)教師檢查數(shù)據(jù)后,將儀器擦干水,整理復(fù)原。5、根據(jù)上述第3步記錄的數(shù)據(jù),在二維直角坐標(biāo)紙上作出類(lèi)似于原理圖的時(shí)間溫度曲線,由圖讀出F、G點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度值分別為 品和11的值。6、求出冰的熔化熱及其相對(duì)誤差(與標(biāo)準(zhǔn)值334J/g相比),并分析誤差來(lái)源,提出改進(jìn)辦法?!緮?shù)據(jù)記錄與處理1、測(cè)質(zhì)量m、V:mi = ,mi / =,m0 =(叫+m0) -m( = , m(+m0+m= m = +m0 +m) -(mi +m
11、0) = ,(做完實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3以后再測(cè)m)V= (J/°C)。2、冰塊熔化前后水溫隨時(shí)間的變化:(打時(shí)間(min)00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.07.5溫度(C)時(shí)間(min)8.08.59.09.510.010.511.011.512.012.513.013.514.014.515.015.5溫度(C)由以上數(shù)據(jù)作圖可得:t0 =, t1=。(要附上你所測(cè)的原始數(shù) 據(jù)和所作的圖);3、計(jì)算L ;【實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)】1、如果電子天平的移動(dòng),需重新調(diào)平和校準(zhǔn),稱(chēng)量物體時(shí),待測(cè)物應(yīng)放在秤盤(pán)中央,嚴(yán)禁 放置超過(guò)最大稱(chēng)量的物體,嚴(yán)禁用手按壓秤盤(pán)
12、。2、量熱器中溫度計(jì)位置要適中,可適當(dāng)插入水中深一點(diǎn),因?yàn)楸鶋K浮在水面,致使水面局 部溫度較低。3、整個(gè)測(cè)溫過(guò)程中,攪拌器都應(yīng)持續(xù)地緩慢攪拌,動(dòng)作不應(yīng)過(guò)大過(guò)快,以防止有水濺出, 投冰應(yīng)迅速且無(wú)水濺出。4、測(cè)溫過(guò)程的計(jì)時(shí)是持續(xù)的,不間斷的。5、實(shí)驗(yàn)應(yīng)遠(yuǎn)離熱源,要保持環(huán)境溫度基本恒定?!舅伎碱}】1、分析一下,在本實(shí)驗(yàn)中還有哪些具體原因使你的測(cè)量產(chǎn)生誤差?2、你認(rèn)為如何實(shí)現(xiàn)投冰前使冰處于冰點(diǎn)溫度0C?3、試設(shè)計(jì)一個(gè)用混合法測(cè)定金屬塊比熱的實(shí)驗(yàn)方法?附錄3-1電子天平的使用說(shuō)明電子天平使用各種壓力傳感器將壓力變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出,放大后再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換直接用數(shù)字顯示出來(lái)。電子天平使用方便,操作簡(jiǎn)單,現(xiàn)
13、在市售電子天平精密天平的分度值為 1mg,電子分析天平的分度值達(dá)到0.1mg,本校實(shí)驗(yàn)使用的電子天平的分度值為0.1g ,稱(chēng)量1000g。操作規(guī)則:1、天平的負(fù)載不得超過(guò)其最大稱(chēng)量。2、使用前進(jìn)行校準(zhǔn)3、稱(chēng)量時(shí)物放中央附錄3-2 DM-T數(shù)字溫度計(jì)使用說(shuō)明DM-T 數(shù)字溫度計(jì)是由單片機(jī)和 DS18B20字溫度傳感器組成。它具有反應(yīng)快、低能耗、 高性能、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。適合實(shí)驗(yàn)室中對(duì)溫度作較精確的測(cè)量。(1)主要技術(shù)指標(biāo)輸入電壓:AC220V ± 10%、50Hz 測(cè)量范圍:-50C125c 分辨率:0.06C(2)儀器結(jié)構(gòu)及使用說(shuō)明前面板由三部分組成,從右到左依次為電源開(kāi)關(guān)、傳感器接口、數(shù)字顯示器,后面板上 有保險(xiǎn)和電源插座。1、電源開(kāi)關(guān):電源開(kāi)關(guān)扳向上,電源接通,數(shù)碼管點(diǎn)亮,儀器工作; 開(kāi)關(guān)扳向下,電源斷開(kāi),儀器停止工作。2、連接溫度傳感器:將溫度傳感
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