大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)-冷卻法測(cè)金屬比熱容

1、 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)(1)實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)習(xí)使用冷卻法測(cè)量金屬比熱容。學(xué)習(xí)使用冷卻法測(cè)量金屬比熱容。 加深對(duì)比熱容、冷卻定律的理解。加深對(duì)比熱容、冷卻定律的理解。 掌握熱電偶測(cè)量溫度的原理與方法。掌握熱電偶測(cè)量溫度的原理與方法。實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理 單位質(zhì)量的物質(zhì)，其溫度升高單位質(zhì)量的物質(zhì)，其溫度升高1K1K（11）所）所需的熱量叫做該物質(zhì)的需的熱量叫做該物質(zhì)的比熱容比熱容，其值隨溫，其值隨溫度而變化。度而變化。 tMctQ111國(guó)際單位：國(guó)際單位：J/(kgK)J/(kgK)常用單位：常用單位：cal/(kg)cal/(kg)、 J/(kg) J/(kg) 、cal/(g)cal/(g

2、) 根據(jù)冷卻定律，樣品因?qū)α鞫鴵p失的熱量根據(jù)冷卻定律，樣品因?qū)α鞫鴵p失的熱量為：為： )(SatQ0111熱交換熱交換系數(shù)系數(shù)樣品外表樣品外表面積面積樣品樣品溫度溫度環(huán)境環(huán)境溫度溫度常數(shù)常數(shù)強(qiáng)迫對(duì)強(qiáng)迫對(duì)流為流為1 1，自然對(duì)自然對(duì)流為流為1.251.25牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律- -降溫方程降溫方程: :這是一個(gè) 關(guān)于時(shí)間 的一階常微分方程。1t)(SatMc0111111對(duì)另外一金屬有：對(duì)另外一金屬有：兩式相比，整理有：兩式相比，整理有：)(SatMc0111111)(SatMc0222222)(SatM)(SatMcc0111220222111221SS 如果兩樣品形狀尺寸相同，如果兩樣品

3、形狀尺寸相同， 兩樣品表面狀況相同，周圍環(huán)境相同，兩樣品表面狀況相同，周圍環(huán)境相同， 21221112)t(M)t(Mcc那么，當(dāng)周圍介質(zhì)溫度不變（即室溫那么，當(dāng)周圍介質(zhì)溫度不變（即室溫 恒定而樣品恒定而樣品又處于相同溫度又處于相同溫度 時(shí)），上式可以簡(jiǎn)化為：時(shí)），上式可以簡(jiǎn)化為：0如果已知標(biāo)準(zhǔn)樣品的比熱容如果已知標(biāo)準(zhǔn)樣品的比熱容c1、質(zhì)量、質(zhì)量M1；待測(cè)樣品的；待測(cè)樣品的質(zhì)量質(zhì)量M2及兩樣品在溫度及兩樣品在溫度時(shí)冷卻速率之比，就可以求時(shí)冷卻速率之比，就可以求出待測(cè)的金屬材料的比熱容出待測(cè)的金屬材料的比熱容c2。測(cè)量樣品（測(cè)量樣品（FeFe和和AlAl）在）在100100時(shí)的比熱容。時(shí)的比熱容

4、。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容FeFeCuAlAl實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器防護(hù)罩防護(hù)罩杜瓦杜瓦瓶瓶電烙鐵電烙鐵樣品室樣品室熱電勢(shì)熱電勢(shì)時(shí)間時(shí)間實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟短接數(shù)字電壓表輸入接線柱，調(diào)零數(shù)字電壓表。短接數(shù)字電壓表輸入接線柱，調(diào)零數(shù)字電壓表。按實(shí)驗(yàn)要求連接好加熱儀和熱電偶測(cè)試儀。按實(shí)驗(yàn)要求連接好加熱儀和熱電偶測(cè)試儀。將實(shí)驗(yàn)樣品套在容器內(nèi)的熱電偶上，蓋上有機(jī)將實(shí)驗(yàn)樣品套在容器內(nèi)的熱電偶上，蓋上有機(jī)玻璃蓋，下降實(shí)驗(yàn)架，使電烙鐵套在樣品上給玻璃蓋，下降實(shí)驗(yàn)架，使電烙鐵套在樣品上給樣品加熱。把樣品加熱到樣品加熱。把樣品加熱到200（數(shù)字電壓表讀（數(shù)字電壓表讀數(shù)數(shù)8.20mV）時(shí)，斷開加熱開關(guān)。移去加熱源，）時(shí)，斷開加熱開

5、關(guān)。移去加熱源，使樣品在樣品室自然冷卻。使樣品在樣品室自然冷卻。記錄試驗(yàn)樣品溫度從記錄試驗(yàn)樣品溫度從102（數(shù)字電壓表讀數(shù)（數(shù)字電壓表讀數(shù)4.37mV）下降到）下降到98（數(shù)字電壓表讀數(shù)（數(shù)字電壓表讀數(shù)4.18mV）所需要時(shí)間）所需要時(shí)間t?？砂磋F、銅、鋁的次序，分別測(cè)量其溫度下降可按鐵、銅、鋁的次序，分別測(cè)量其溫度下降速度，每一樣品重復(fù)測(cè)量速度，每一樣品重復(fù)測(cè)量5次。次。實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟注意事項(xiàng)注意事項(xiàng) 取換樣品時(shí)取換樣品時(shí), ,用鑷子拿取用鑷子拿取, ,注意不要燙到手或電注意不要燙到手或電線線 加熱器下降時(shí)注意樣品的位置加熱器下降時(shí)注意樣品的位置 測(cè)量降溫時(shí)間時(shí)，按鍵動(dòng)作要迅速，減小人為測(cè)

6、量降溫時(shí)間時(shí)，按鍵動(dòng)作要迅速，減小人為計(jì)時(shí)誤差計(jì)時(shí)誤差數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)記錄12345FeCuAl樣品從樣品從102102（數(shù)字電壓表讀數(shù)（數(shù)字電壓表讀數(shù)4.37mV4.37mV）下降到）下降到9898（數(shù)字電（數(shù)字電壓表讀數(shù)壓表讀數(shù)4.18mV4.18mV）所需要時(shí)間）所需要時(shí)間t:t:樣品次數(shù)時(shí)間已知樣品質(zhì)量：已知樣品質(zhì)量：M Mcucu=4.830g M=4.830g MFe=Fe=4.028g M4.028g MAlAl=1.500g=1.500g100 100 時(shí)銅的比熱：時(shí)銅的比熱：c ccucu=0.094 cal/(g)=0.094 cal/(g)數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理對(duì)對(duì)t t取平均值，

7、取平均值， =4 =4 ，分別計(jì)算，分別計(jì)算100 100 附近附近FeFe、CuCu、AlAl的降溫速率的降溫速率根據(jù)式（根據(jù)式（12-612-6），計(jì)算），計(jì)算FeFe、AlAl的比熱容。的比熱容。t思考題思考題比熱容的定義是什么？單位是什么？比熱容的定義是什么？單位是什么？根據(jù)式（根據(jù)式（12-612-6），測(cè)量比熱容的條件是什么？），測(cè)量比熱容的條件是什么？熱電偶測(cè)溫原理：熱電偶測(cè)溫原理： 熱電偶是利用溫差電效應(yīng)制成的測(cè)溫元件，它是由兩種不同的金屬焊接而成的回路。當(dāng)兩接點(diǎn)a、b的溫度不同時(shí)，在閉合回路中會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)稱為溫差電動(dòng)勢(shì) 。 熱電偶測(cè)溫原理圖0 TT 兩種不同的導(dǎo)體或

8、半導(dǎo)體兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A A和和B B組合成如圖所組合成如圖所示閉合回路，若導(dǎo)體示閉合回路，若導(dǎo)體A A和和B B的連接處溫度不同的連接處溫度不同（設(shè)（設(shè)T TT T0 0），則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，），則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說回路中有電動(dòng)勢(shì)存在，這種現(xiàn)象叫做也就是說回路中有電動(dòng)勢(shì)存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)。這種現(xiàn)象早在熱電效應(yīng)。這種現(xiàn)象早在18211821年首先由西拜克年首先由西拜克（SeeSeebackback）發(fā)現(xiàn)）發(fā)現(xiàn), ,所以又稱西拜克效應(yīng)。所以又稱西拜克效應(yīng)。熱電偶原理圖TT0AB熱電偶回路中所產(chǎn)生的電回路中所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，叫熱電勢(shì)。動(dòng)勢(shì)，叫熱電勢(shì)。熱電勢(shì)

9、由兩部分組熱電勢(shì)由兩部分組成，即溫差電勢(shì)和成，即溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)。接觸電勢(shì)。熱端自由端1. 接觸電勢(shì)+ABTeAB(T)-接觸電勢(shì)的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。接觸電勢(shì)的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。AeA(T,To)ToT2. 溫差電勢(shì) 熱電偶回路熱電勢(shì)只與組成熱電偶的材料及熱電偶回路熱電勢(shì)只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長(zhǎng)度、粗細(xì)無關(guān)。兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長(zhǎng)度、粗細(xì)無關(guān)。 導(dǎo)體材料確定后，熱電偶熱電勢(shì)的大小是熱端溫導(dǎo)體材料確定后，熱電偶熱電勢(shì)的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差。度和冷端的函數(shù)差。0E TT為保證輸出熱電勢(shì)是被測(cè)溫度的單值函數(shù)，必為保證輸出熱電勢(shì)是被測(cè)溫度的單值函數(shù)，必須使冷端溫度保持恒定（一般保持須使冷端溫度保持恒定（一般保持0 ）。）。0C把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里，使把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里，使T0=0。為了避免冰水導(dǎo)電引起兩個(gè)連接點(diǎn)短路，必須把連接點(diǎn)為了避免冰水導(dǎo)電引起兩個(gè)連接點(diǎn)短路，必須把連接點(diǎn)分分別置于兩個(gè)玻璃試管里，浸入同一冰點(diǎn)槽，使相互絕別置于兩個(gè)玻璃試管里，浸入同一冰點(diǎn)槽，使相互絕緣。緣。mVABABTCC儀表銅導(dǎo)線試管