改進(jìn)液體比熱容實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量方法研究

陳賽艷

摘要：本文改進(jìn)了電熱法測(cè)量液體比熱容的實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量方法，使實(shí)驗(yàn)更為簡(jiǎn)單。利用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量方法，我們測(cè)量了水的比熱容，實(shí)驗(yàn)證明，用該裝置測(cè)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(cè)定；實(shí)驗(yàn)裝置

中圖分類(lèi)號(hào)：O4-33 G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(shí)需吸收的熱量，它的測(cè)量是物理學(xué)的基本測(cè)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(kāi)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(cè)量方法很多，如：混合法、冷卻法、比較法等[1]。本實(shí)驗(yàn)采用的是比較法中的一種——電熱法測(cè)定液體的比熱容。單量熱器加熱裝置是電熱法測(cè)量液體比熱容的實(shí)驗(yàn)中常用的，在測(cè)量過(guò)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(wú)疑影響了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。而用比較法測(cè)量液體的比熱容時(shí)，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(cè)量[2]。同時(shí)，溫度的測(cè)量一般采用的是酒精溫度計(jì)，存在溫度讀取誤差大、讀數(shù)不方便、單次測(cè)量引入隨機(jī)誤差的可能性大等諸多不良因素[3-6]。針對(duì)上述問(wèn)題，本文改進(jìn)了測(cè)定液體比熱容的實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量方法，并使用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置和方法測(cè)量了水的比熱容，實(shí)驗(yàn)證明，測(cè)量的準(zhǔn)確度有了很大的提高。

二、實(shí)驗(yàn)裝置

常用的測(cè)量液體比熱容的實(shí)驗(yàn)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(shí)，攪拌不均勻，且環(huán)形攪拌棒只能近似貼著杯壁上下運(yùn)動(dòng)。因此，待測(cè)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(jiàn)，溫度計(jì)測(cè)出的溫度并不能代表該待測(cè)液體的真實(shí)溫度[7]。同時(shí)，在測(cè)量過(guò)程中，鋁棒本身的溫度也會(huì)上升，這進(jìn)一步加大了實(shí)驗(yàn)誤差。因此，我們對(duì)該裝置的這些不足進(jìn)行了改進(jìn)：使用帶自動(dòng)攪拌機(jī)的攪拌杯來(lái)作為承裝實(shí)驗(yàn)液體的容器。該攪拌杯通過(guò)電纜線與測(cè)定儀相連接，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，只要按下測(cè)定儀上的“攪拌”按鈕，攪拌器就會(huì)自動(dòng)攪拌。同時(shí)，我們采用溫度傳感器來(lái)測(cè)量溫度，減少了讀取溫度計(jì)的讀數(shù)時(shí)產(chǎn)生的誤差。利用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置，我們測(cè)量了水的比熱容，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們可以得到，使用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(duì)均勻了很多，這樣，從液體中任意位置測(cè)出的溫度都可以代表待測(cè)液體整體的溫度，且利用溫度傳感器測(cè)出的溫度更加準(zhǔn)確，這使得測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度有了很大提高。

三、實(shí)驗(yàn)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(cè)液體（如水），當(dāng)通過(guò)電流I時(shí)，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(qiáng)度，U為電壓，t為通電時(shí)間。

如果量熱器中水（包括量熱器及其附件）的初始溫度為T(mén) ，在吸收了加熱器釋放的熱量Q后，終了的溫度為T(mén) 。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(shí)的比熱容c 為0.120cal·g-1·℃-1（或0.502J·g-1·℃-1），水在25℃時(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理

采用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置，我們測(cè)量了水的比熱容，具體的測(cè)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(jì)算，我們可以看出，水的比熱容的相對(duì)誤差為0.48%，小于1%，該結(jié)果說(shuō)明，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量方法具有非常高的精確度，說(shuō)明改實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法具有很好的精度。

結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)以往的電熱法測(cè)定比熱容的實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量方法進(jìn)行了改進(jìn)，并利用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置和方法測(cè)量了水的比熱容，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，利用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置和方法測(cè)量水的比熱容具有很高的精度，這在實(shí)際應(yīng)用上具有一定的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]李書(shū)光，王殿生.物理實(shí)驗(yàn)教程[M].東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2006：90-95.

[2]王文周.對(duì)電流量熱器法測(cè)定液體比熱容實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2001，21（8）：38-39.

[3]閻向宏，張亞萍.電熱法測(cè)液體比熱容實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].大學(xué)物理，1997，16（7）：23-24.

[4]張榮鵬，何中凱.氣體比熱容比的實(shí)時(shí)測(cè)量和數(shù)學(xué)分析[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2005，24（1）：72.

[5]趙小明，劉志剛.液體定壓比熱容的理論推算[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，1996，17（1）：17.

[6]趙小明，陸世豪.準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法測(cè)量液體比熱容的實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)，2004，25（增刊）：24.

[7]李磊，付睿麗，馬鏞，吳修治.改進(jìn)電熱法測(cè)定比熱容實(shí)驗(yàn)的研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2014，27（4）：63-65.