冷却法测金属比热容.doc

冷却法测金属比热容实验十二冷却法测量金属比热容一实验目的 1 掌握用冷却法测定金属的比热容, 测量金属在室温至 200 ℃温度时的比热容。 2 了解金属的冷却速率与环境之间的温差关系, 以及进行测量的实验条件。二实验原理单位质量的物质, 其温度升高或降低 1K(1℃) 所需的热量, 叫做该物质的比热容,其值随温度而变化。根据牛顿冷却定律, 用冷却法测定金属的比热容是量热学常用方法之一。若已知标准样品在不同温度的比热容,通过作冷却曲线可测量各种金属在不同温度时的比热容。本实验以铜为标准样品,测定铁、铝样品在 100 ℃或 200 ℃时的比热容。将质量为的金属样品加热后,放到较低温度的介质(例如室温的空气)中,样品将会逐渐冷却。其单位时间的热量损失( 1MtQ ΔΔ/ )与温度下降的速率成正比,于是得到下述关系式: tMCtQ ΔΔ= ΔΔ 111 θ(1) 式中为该金属样品在温度 1C1 θ时的比热容, t ΔΔ 1θ为金属样品在 1θ的温度下降速率,根据冷却定律有: msatQ)(0111 θθ.= ΔΔ(2) 式中为热交换系数为该样品外表面的面积, m 为常数, 1a1S1 θ为金属样品的温度, 0θ为周围介质的温度。由式( 1 )和( 2 ),可得 msatMC)(0111111 θθθ.= ΔΔ(3) 同理对质量为,比热容为的另一种金属样品,可有同样的表达式: 2M2C msatMC)(0222222 θθθ.= ΔΔ(4) 由( 3 )和( 4 )式,可得: mmsasatMCtMC)( )( 101********** θθθθθθ. .= ΔΔΔΔ(5) 所以 m)(011122)( 12022211 θθθθθθ. ΔΔ=. ΔΔ(6) 如果两样品的形状尺寸都相同,即 21ss= ; 两样品的表面状况也相同(如涂层、色泽等),而周围介质(空气) 的性质当然也不变, 则有。于是当周围介质温度不变( 即室温 21aa=0 θ恒定而样品又处于相同温度θθθ=.21 )时,上式可以简化为: 122112.. . .. . ΔΔ.. . .. . ΔΔ= θθ(7) 如果已知标准金属样品的比热容质量; 待测样品的质量及两样品在温度 1C1M2M θ时冷却速率之比, 就可以求出待测的金属材料的比热容。几种金属材料的比热容见表1, 实验装置(图 1 所示)。 2C 表1 比热容温度)/(CgcalCoFe )/(CgcalCoAl )/(CgcalCocu 100 ℃ 0. 110 0. 230 0. 0940 三实验内容 1. 用铜一康铜热电偶测量温度, 而热电偶的热电势采用温漂极小的放大器和三位半数字电压表,经信号放大后输入数字电压表显示的满量程为 20mV , 读出的 mV 数查表即可换算成温度。 2. 选取长度、直径、表面光洁度尽可能相同的三种金属样品(铜、铁、铝)用物理天平或电子天平秤出它们的质量。再根据这一特点, 把它们区别开来。 OMAlFeCuMMM>> 3. 使热电偶端的铜导线数字表的正端相连;冷端铜导线与数字表的负端相连。当本隔绝的有机玻璃圆筒内自然冷却(筒口须盖子)。当温度降到接近 102 ℃时开始记录,测量样品 102 ℃下降到 98℃所需要时间。按铁、铜、铝的次序,分别测量其温度下降速度,每一样品得重复测量 5 次。因为各样品的温度下降范围相同( Δθ=102 ℃-98 ℃=4℃) 所以公式( 7 )可以简化为: OtΔ 122112)( )( ΔΔ=(8) 4. 仪器红色指示灯亮,表示连接线未连好或加热温度过高(超过 200 ℃)已自动保护。 5. 注意:测量降温时间时,按“计时”或“暂停”按钮应迅速、准确,以减小人为计时误差。四实验数据例:样品质量: ;;=== 。热电偶冷端温度: 0℃样品由 120 ℃下降到 98℃所需时间(单位为 S) 表2 次数样品 1234 5 平均值 tΔ Fe Cu Al 以铜为标准: )/(== 铁: )/()( )( o= ××× = ΔΔ= 铝: )/()( )( o= ××× = ΔΔ= 二、技术指标 1. 数字电压表:三位半,量程: 0-20mV ,分辨率: 0。 01mV ,准确度:读% ± 数+1 字。 2. 加热器功率: 50W 。 3.