液體比熱容的測定實驗報告

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FD-LCD-A液體比熱容試驗儀說明書曾編2022.9.20

一、儀器簡介

液體的比熱容是一個重要的熱學(xué)物理量。用冷卻法測液體比熱容試驗在國內(nèi)很多綜合性高校、工科高校作為基礎(chǔ)熱學(xué)試驗開設(shè)。

FD—LCD—A液體比熱容試驗儀是通過冷卻比較法測定液體比熱容的試驗裝置。它具有以下優(yōu)點：

1．設(shè)計了單片機掌握的數(shù)字式精密溫度測量儀，該溫度測量儀可同時測量試驗裝置內(nèi)筒和外筒溫度，并有定時報時、自動保存數(shù)據(jù)功能，有利于試驗測量精確?????讀數(shù)或查閱試驗數(shù)據(jù)。

2．對待測液體量杯及外圍恒溫裝置進行優(yōu)化設(shè)計，能更好地滿意待測液體自然冷卻的規(guī)律，減小試驗誤差。

二、儀器用途

1)冷卻法測定液體的比熱容，并了解比較法的優(yōu)點和條件；2)最小二乘法求閱歷公式中直線的斜率；

3)用試驗的方法考察熱學(xué)系統(tǒng)的冷卻速率同系統(tǒng)與環(huán)境間溫度差的關(guān)系。三、儀器組成

儀器主要由試驗容器和試驗主機組成，其示意圖見圖1所示。試驗容器是具有內(nèi)、外筒的專用量熱器。外筒是一個很大的有機玻璃筒，外筒及其中水熱容量比量熱器熱容量大得相當(dāng)多，以保持恒溫，并以此作為試驗的“環(huán)境”。內(nèi)筒是用金屬銅制作的，內(nèi)盛待測液體(或已知液體)，內(nèi)筒和液體(或已知液體)組成我們所要考慮的系統(tǒng)。

該裝置基本上滿意了試驗系統(tǒng)需在溫度恒定環(huán)境中冷卻的條件。

圖1試驗裝置示意圖

1、試驗主機2、溫度顯示表3、查閱按鈕4、復(fù)位按鈕5、電源開關(guān)6、試驗外筒7、試驗內(nèi)筒8、環(huán)境水9、傳感器TB10、被測液體11、傳感器TA12、結(jié)實螺絲四、試驗原理

由牛頓冷卻定律知，一個表面溫度為?的物體，在溫度為?0的環(huán)境中自然冷卻(???0)，在單

位時間里物體散失的熱量?q

t與溫度差（???0）有下列關(guān)系：

?q

?k????0??t

當(dāng)物體溫度的變化是準(zhǔn)靜態(tài)過程時，上式可改寫為：

??k

????0?（1）?

?tCS

(1)式中

??

為物體的冷卻速率，Cs為物質(zhì)的熱容，k為物體的散熱常數(shù)，與物體的表面性質(zhì)、?t

表面積、物體四周介質(zhì)的性質(zhì)和狀態(tài)以及物體表面溫度等很多因素有關(guān)，?和?0分別為物體的溫度和環(huán)境的溫度，k為負(fù)數(shù)，???0的數(shù)值應(yīng)當(dāng)很小，大約在1O一15℃之間。

假如在試驗申使環(huán)境溫度?0保持恒定(即?0的變化比物體溫度?的變化小許多)，則可以認(rèn)為?0是常量，對式(1)進行數(shù)學(xué)處理，可以得到下述公式：㏑(???0)?

k

t?b（2）(式中b為積分常數(shù))。CS

可以將式(2)看成為兩個變量的線性方程的形式：自變量為t，應(yīng)變量為ln(???0)，直線斜率為kCS，本試驗利用式(2)進行測量，試驗方法是：通過比較兩次冷卻過程，其中一次含有待測液體，另一次含有已知熱容的標(biāo)準(zhǔn)液體樣品，并使這兩次冷卻過程的試驗條件完全相同，從而測量式(2)中未知液體的比熱容。

在上述試驗過程中，使試驗系統(tǒng)進行自然冷卻，測出系統(tǒng)冷卻過程中溫度隨時間的變化關(guān)系，并從中測定未知熱學(xué)參量的方法，叫做冷卻法；對兩個試驗系統(tǒng)在相同的試驗條件下進行對比，從而確定未知物理量，叫做比較法。比較法作為一種試驗方法，有廣泛的應(yīng)用。

利用冷卻法和比較法來測定待測液體(如飽和食鹽水)的熱容的詳細(xì)方法如下：

利用式(2)分別寫出對已知標(biāo)準(zhǔn)液體(即水)和待測液體(即飽和食鹽水)進行冷卻的公式，如下：

ln????0?W?ln????0?S

kCS

t?b（3）

k

?t?b（4）CS

以上兩式中CS和CS分別是系統(tǒng)盛水和鹽水時的熱容。假如能保證在試驗中用同一個容器分別盛水和鹽水，并保持在這兩種狀況下系統(tǒng)的初始溫度、表面積和環(huán)境溫度等基本相同，則系統(tǒng)盛水和鹽水時的系數(shù)k與k相等，即：k?k?k令S和S分別代表由(3)式和(4)式畫出的兩條直線的斜率，即

S?

kk

,可得S?CSCS

SCS?SCS（5）式中S和S的值可由最小二乘法得出，熱容CS和CS分別為CS?mc?m1c1?m2c2??C，CS

?mcX?m1c1?m2c2??C，

其中m,m,c,cX分別為水和鹽水的質(zhì)量及比熱容；m1，m2，c1，c2分別為量熱器內(nèi)筒和攪拌器的質(zhì)量及比熱容；?C和?C分別為溫度計浸入已知液體和待測液體部分的等效熱容。由于數(shù)字溫度計測溫按著浸入液體部分的等效熱容相對系統(tǒng)的很小，故可以忽視不計，利用式(5)，有

1

cX?

m

其中水的比熱容為

?SCS?

?(mc?mc)?1122?（6）

???S?

c?4.18?103J?kg?K?

量熱器內(nèi)筒和攪拌器通常用金屬銅制作，其比熱容為：c1?c2?0.389?10Jkg?K?

3

五、試驗內(nèi)容

1．用冷卻法測定飽和食鹽水的熱容

(1)將外筒冷卻水加至適當(dāng)高度(要求?0的波動幅度不超過±0.5℃)(2)用內(nèi)部干燥的量熱器內(nèi)筒取純潔水。

要求：純潔水體積約占內(nèi)筒的2／3體積、溫度?約比

?0高10～15℃。稱其質(zhì)量后，放入隔離

?0，共測20分鐘。

筒，開頭試驗。每隔1min分別記錄一次純潔水溫度?和外筒冷卻水的溫度

(3)用清洗過的內(nèi)筒盛取飽和食鹽水。

要求：食鹽水的體積約占內(nèi)筒的2／3體積、飽和食鹽水的初溫與純潔水初溫之差不超過1℃。稱其質(zhì)量后，放入隔離筒，開頭試驗。每隔1分鐘記錄一次食鹽水溫度?和外筒冷卻水的溫度?0，共測20min。

2、對數(shù)據(jù)處理的要求

(1)在同一張直角坐標(biāo)紙中，對純潔水及鹽水分別作“l(fā)n(???0)—t”圖，檢驗得到的是否為一條直線。假如是，則可以認(rèn)為檢驗了式(2)，并間接檢驗了式(1)，也就是說，被討論的系統(tǒng)的冷卻速

率同系統(tǒng)與環(huán)境之間溫度差成正比。

(2)對水和鹽水分別取ln(???0)及相應(yīng)的t的數(shù)據(jù)，用最小二乘法分別求出兩條直線的斜率S和

S，并由此得出未知飽和食鹽水的比熱容cX。

3．提示：儀器的聯(lián)機軟件可以讓試驗過程簡化。通過儀器內(nèi)置的串行接口和電腦聯(lián)機，運行聯(lián)機軟件。聯(lián)機軟件每隔固定時間，自動從試驗儀獵取數(shù)據(jù)。試驗后，可以通過該軟件對數(shù)據(jù)進行處理。詳細(xì)的使用方法，請看聯(lián)機軟件的使用手冊。六、留意事項

1)要避開直接用火對內(nèi)筒加熱，這樣會引起內(nèi)筒表面的氧化，以致其表面性質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而使散熱常數(shù)k發(fā)生變化。

2)待測液體與水的初溫相關(guān)不超過1℃，它們所處的環(huán)境溫度應(yīng)當(dāng)相同，體積應(yīng)取得大致相等。3)試驗過程中，通過旋動兩個溫度傳感器攪拌液體，可以使其溫度勻稱。4)被測液體溫度較高時，謹(jǐn)防燙傷。七、儀器的技術(shù)指標(biāo)和功能簡介1．電源要求

儀器對工作電源的要求是：單相三線220V±5％50Hz。2．定時報時功能

開機運行后，主機會在每分鐘的最終兩秒啟動內(nèi)置的蜂嗚器發(fā)聲，表示一分鐘時間到了。3．?dāng)?shù)字溫度傳感器。

儀器配備有兩個DS18B20溫度傳感器，溫度量程0～100℃，顯示辨別率：0.1℃。這兩個溫度傳感器分別測量內(nèi)筒液體溫度TA、外筒液體溫度TB。

試驗時，根據(jù)儀器后面板的標(biāo)簽，把〖外筒溫度傳感器〗放入外筒“環(huán)境水”中，把〖內(nèi)筒溫度傳感器〗放入內(nèi)筒被測液體中。開機運行后，溫度顯示表會自動切換顯示TA、TB的值。

切換的規(guī)律：每分鐘的前58秒顯示TA，最終2秒顯示TB。顯示TA時，第一位數(shù)碼管顯示成“A”。顯示Tb時，第一位數(shù)碼管顯示成“b’’。留意：顯示Tb時，蜂嗚器會發(fā)聲報警，不要慌張。4．自動保存數(shù)據(jù)功能

試驗過程中，儀器有自動記錄溫度的功能：開機或復(fù)位的前20分鐘，儀器會每分鐘的最終1秒自動保存TA的溫度值。試驗結(jié)束后，您在儀器前面板上按“查詢”鍵，就可以查閱這些數(shù)據(jù)。5．教據(jù)查閱功能

每次試驗開頭的前2O分鐘，在每分鐘末，TA值被自動保存一次。

試驗結(jié)束后，按“查詢”鍵，即可依次讀取保存的TA值。查詢時，第一位數(shù)碼管表示溫度值的編號。舉例：

“O”表示第1分鐘未時記錄的TA值“1”表示第2分鐘末時記錄的TA值?“8”表示第9分鐘末時記錄的TA值

“9”表示第lO分鐘未時記錄的TA值??

“0.”表示第11分鐘末時記錄的TA值“1．”表示第12分鐘末時記錄的TA值?“8．”表