一種新型比熱容測量儀

趙　敏，強(qiáng)曉明,章韋芳

(合肥師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院， 安徽 合肥　230601)

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一種新型比熱容測量儀

趙敏，強(qiáng)曉明,章韋芳

(合肥師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院， 安徽 合肥230601)

比熱容測量實驗是普通物理實驗中一個重要的基礎(chǔ)性實驗，常采用混合法測量，目前所用儀器產(chǎn)生的誤差較大，導(dǎo)致實驗結(jié)果偏離理論值較遠(yuǎn).本文給出一種混合法測量比熱容的新儀器，具有熱交換快、測溫準(zhǔn)確、熱損失少且可計算等特點.實踐證明，用該儀器測量固體比熱容可大幅提高測量精度，改善實驗操作性.

比熱容；混合法；熱交換

比熱容是單位質(zhì)量物質(zhì)升高(或降低)單位溫度所吸收(或放出)的熱量，是熱力學(xué)研究中和工程應(yīng)用中一個非常重要的物理參量.比熱容的測定對了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)，確定物質(zhì)相變及新能源和新材料的研制有著重要作用.目前測量比熱容常用的方法有混合法[1]、冷卻法[2]、電熱法[3].由于混合法原理清晰，實驗裝置簡便，目前使用最為普遍.

現(xiàn)用固體比熱容測量儀器的主體部分是量熱器，量熱器由保溫筒、內(nèi)筒、溫度計、攪拌器等組成.利用熱平衡原理進(jìn)行測量，在絕熱容器內(nèi)，高溫物體放出的熱等于低溫物體吸收的熱量.在保溫內(nèi)筒里，以已知比熱容的水作為低溫物體，投入高溫物體,當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時，即可求出高溫物體的比熱容.在以往的教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)量熱器普遍存在如下幾方面問題： 1) 高溫物體和水達(dá)到熱平衡的熱交換時間過長，對外散熱較多； 2) 水的導(dǎo)熱性較差,吸熱后雖經(jīng)攪拌，溫度分布仍不很均勻，造成水溫測量不準(zhǔn)；3) 高溫物體用蒸汽或水熱等方法加熱到較高溫度[5]，在移入量熱器過程中不可避免的存在熱損失；4) 保溫筒和內(nèi)筒等吸熱較大,使熱損失增加.以上這些原因，導(dǎo)致學(xué)生實驗結(jié)果往往誤差過大，難以滿足教學(xué)需要.

1　新型固體比熱容測量儀結(jié)構(gòu)和使用方法

1.1儀器設(shè)計思路及結(jié)構(gòu)介紹

針對以上問題我們設(shè)計一種新型的比熱容測量儀(中國專利號ZL201220114983.8)，其特點主要是：1) 通過減少水的質(zhì)量和改變水的形狀，大幅度減少達(dá)到熱平衡所需的熱交換時間，熱交換時間控制在5分鐘左右，從而大大降低散熱損失；2) 改變水的形狀為一個薄層，使高低溫物體與水盡可能增加接觸面積，改善水的溫度分布均勻性，以便準(zhǔn)確測定水溫；3) 采用導(dǎo)熱性能良好的金屬材料作為高溫物體，同時分別在高、低溫物體上設(shè)置溫度傳感器，實時測量并顯示溫度，高溫物體移動過程的散熱便可解決，而且便于估算熱損失；4) 采用隔熱性能良好的材料制成保溫筒，極大減小熱損失.

圖1　比熱容測量儀結(jié)構(gòu)圖

儀器主體部分如圖1所示，3為下部突起的圓柱形加熱塊、5為深度較淺的承物盤，4內(nèi)可存放一薄層液體.加熱塊和承物盤由同一種導(dǎo)熱性能良好的鋁制材料構(gòu)成，其內(nèi)部分別設(shè)置溫度傳感器.6為保溫筒，加熱塊頂部有提手1，保溫筒蓋2松套在提手上，提手、保溫筒、保溫筒蓋皆由隔熱材料構(gòu)成.加熱塊、承物盤與保溫筒之間留有間隙，利用空氣提升隔熱效果.

1.2儀器使用方法

首先確定測溫探頭已插入加熱塊3、承物盤5.將已知重量的水倒入置放在保溫筒內(nèi)的承物盤.旁設(shè)一加熱臺，對加熱塊進(jìn)行加熱，待加熱塊達(dá)到預(yù)定溫度，關(guān)掉加熱開關(guān)，將其提起，置于承物盤上方.記下加熱塊和承物盤合到一起前一瞬間各自的溫度，然后將兩者合到一起，保溫筒蓋與保溫筒閉合以隔熱.以后每隔一定時間(如10 s)記錄一次加熱塊和承物盤的溫度.當(dāng)高低溫物體溫度達(dá)到一致，系統(tǒng)達(dá)到了熱平衡.再延續(xù)紀(jì)錄溫度數(shù)十秒以估算系統(tǒng)對外散熱量.已知液體比熱容、加熱塊、承物盤的質(zhì)量后，即可通過測量結(jié)果計算出加熱塊和承物盤的比熱容.作為拓展內(nèi)容在承物盤內(nèi)放入其他液態(tài)或固態(tài)物質(zhì)，可用同樣方法測其比熱容.

2　實驗結(jié)果及分析

實驗過程中溫度變化如表1及圖2所示.

表1　各塊溫度隨時間變化表

圖2　溫度隨時間變化圖

加熱塊質(zhì)量m1=120.2 g，承物盤質(zhì)量m2=39.7 g，水的質(zhì)量m3=5.94 g，水的比熱容為c0=4.2 J/(g·℃).加熱塊初始溫度T10=80.0 ℃，水和承物盤的初始溫度T20=19.0 ℃，加熱塊、承物盤和水在ta=260 s時刻達(dá)熱平衡，三者溫度達(dá)到一致T1=T2=50.5 ℃，繼續(xù)散熱一段時間，tb=300 s時刻三者溫度同為T3=49.7 ℃.在實際實驗過程中，即使采取了隔熱措施，系統(tǒng)仍會向外散失熱量，因此當(dāng)在處于平衡時，系統(tǒng)已向外散失了熱量ΔQ.根據(jù)熱平衡原理：

m1c(T10-T1)=m2c(T1-T20)+m3c0(T1-T20)+ΔQ

(1)

ΔQ數(shù)值估算：假設(shè)系統(tǒng)在時刻0至ta這段時間里對外界的平均散熱程度近似的等于ta至tb這段時間里對外界的平均散熱強(qiáng)度，則

(2)

根據(jù)式(1)、式(2)可計算出所求固體的比熱容:

0.893 J/(g·℃)

(3)

與理論值相對誤差為

(4)

3　結(jié)束語

本文提出的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的新型比熱容測量儀，與現(xiàn)有儀器相比，具備顯著的不同特點，可以克服現(xiàn)有儀器的各種主要的不足之處，并且通過以上數(shù)據(jù)處理可以看出，

該儀器的測量精度非常高. 該儀器已

經(jīng)我院學(xué)生數(shù)年的實際使用，性能優(yōu)良，測量精度高，完全能夠滿足教學(xué)要求，具備普遍推廣應(yīng)用的價值.

[1]楊述武，趙立竹，沈國土.普通物理實驗(力學(xué)、熱學(xué))[M].北京：高等教育出版社，2007：162-166.

[2]韓修林，孫梅娟，丁智勇.固體比熱容測定實驗的研究[J].大學(xué)物理實驗,2010,23(6):12-15.

[3]呂建偉，鄢玉霞，宦強(qiáng)，等.電熱法測固體比熱容實驗的改進(jìn)[J].物理實驗，2001,21(9):10-12.

[4]潘福東，趙子珍，張欣蕊，等.熱電法測固體比熱容實驗裝置[J].實驗技術(shù)與管理，2012,29(3)：67-70.

[5]劉長虹，姚久明，王玉穎.混合法測量固體比熱容實驗的改進(jìn)[J].唐山師范學(xué)院學(xué)報，2007,29(5)：23-25.

A new type of heat capacity measurement instrument

ZHAO Min, QIANG Xiao-ming, ZHANG Wei-fang

(School of Electronic Information and Engineering, Hefei Normal University, Hefei, Anhui 230601, China)

Specific heat capacity measurement is an important basic experiment. The hybrid method is often used to measure, but the present instrument leads to a large error of experiment result. This paper proposes a hybrid method of measuring heat capacity of the new instrument, which has quick heat exchange, temperature measurement accuracy, less heat loss as well as the characteristics can be calculated, etc. The instrument improves accuracy of determination measurement and is easy to operate.

specific heat capacity；hybrid method；heat exchange

2015-01-19；

2015-09-21

大學(xué)物理及實驗教學(xué)團(tuán)隊(2014jxtd029)資助

趙敏(1980—)，女，山西祁縣人，合肥師范學(xué)院講師，碩士，主要從事物理實驗教學(xué)和薄膜材料研究工作.

物理實驗

O 551.1

A

1000- 0712(2016)02- 0030- 02