李 磊，付睿麗，馬 鏞，吳修治

(河海大學(xué)，江蘇 南京 210098)

比熱容是表示物質(zhì)熱性質(zhì)的物理量，測量物質(zhì)的比熱容實(shí)驗(yàn)是物理實(shí)驗(yàn)的基本實(shí)驗(yàn)之一，具有重要意義。比熱容的測定能幫助了解該種物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與組成，進(jìn)而掌握運(yùn)用該物質(zhì)的各種性能，對生物化學(xué)、工業(yè)、新能源方面有重要作用。

目前，測量比熱容的方法主要有以下幾種:混合法、比較法、電熱法等?；旌戏ㄊ菍⒁阎獰崛莸奈镔|(zhì)和待測物質(zhì)相混合的方法進(jìn)行測定、比較法是將待測液體和已知比熱容的純水在同樣測量條件下相比較的方法進(jìn)行測定、電熱法是通過加熱電阻絲的方法使待測物質(zhì)升溫的方法進(jìn)行測定。傳統(tǒng)的電熱法電路連接較為復(fù)雜，并且實(shí)驗(yàn)時(shí)需要同時(shí)讀取電流表、電壓表、時(shí)間和溫度度數(shù)，非常不方便且較為浪費(fèi)能量。在改進(jìn)實(shí)驗(yàn)思路和裝置的基礎(chǔ)上，制作出了萬能比熱容測定裝置并且用作圖的方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出了誤差相對較小的結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的攪拌裝置是一根鋁制環(huán)形攪拌棒，用其攪拌時(shí)不僅攪拌困難，而且環(huán)形攪拌棒只能近似貼著杯壁上下運(yùn)動(dòng)，用該裝置進(jìn)行比熱容測定實(shí)驗(yàn)時(shí)，待測液體的溫度十分不均勻，電阻絲周圍和離電阻絲較遠(yuǎn)部分的液體溫度相差可達(dá)0.5℃，可見此時(shí)測量該待測液體內(nèi)部任意一點(diǎn)的溫度都不能代表該待測液體的真實(shí)溫度。同時(shí)鋁棒會(huì)從待測液體中吸收一部分熱量用于自身的升溫，這進(jìn)一步加大了實(shí)驗(yàn)的誤差，因此對該裝置的這部分不足進(jìn)行了改進(jìn):使用手動(dòng)式攪拌杯來作為承裝實(shí)驗(yàn)液體的容器。該攪拌杯底部可以裝卸電池，使用時(shí)只需將其作為容器承裝待測液體，然后其他步驟和原來的操作相同。實(shí)驗(yàn)時(shí)只需按下手柄上的攪拌按鈕，杯子底部的小環(huán)就會(huì)開始攪拌液體。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使用該裝置作為容器和攪拌裝置時(shí)，測量待測液體攪拌時(shí)不同位置的液體溫度，得出的讀數(shù)相差很小，與原設(shè)備相比，液體的溫度相對均勻了很多，從液體中無論哪一位置得出的溫度讀數(shù)都可以代表待測液體整體的溫度，這樣讀出的液體溫度更為準(zhǔn)確有利于后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理和總結(jié)。

2 實(shí)驗(yàn)思路

傳統(tǒng)的電熱法電路中既有電流表又有電壓表，不僅實(shí)驗(yàn)、讀數(shù)麻煩而且浪費(fèi)資源。

以往電熱法使用的公式為:

現(xiàn)將I=U/R帶入，則得到:

這樣加熱電阻絲的電路中就可以不連接電流表了，可以減少能量的消耗，而且可以減少工作量，使讀數(shù)更為快捷準(zhǔn)確。要想使用該公式，重點(diǎn)就在于要尋找到在一定溫度范圍內(nèi)阻值基本不變的恒定電阻。首先，自制一段鎳鉻電熱絲，然后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其阻值的變化，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)的20°～80°范圍內(nèi)，電阻絲的阻值基本保持不變，因此，在20°～80°范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，只需使用此種鎳鉻合金制成的電阻絲即可以應(yīng)用改進(jìn)后的計(jì)算公式(U2/R)t

3 數(shù)據(jù)處理方法

實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用作圖的方法解出待測物質(zhì)的比熱容。通過該實(shí)驗(yàn)裝置，可以寫出如下公式:

現(xiàn)將△T項(xiàng)移到左邊，得到:

將等式右邊的c系統(tǒng)m系統(tǒng)看成一個(gè)整體，用大寫字母Q表示，則等式成為:

上述等式中左邊各項(xiàng)均可由實(shí)驗(yàn)測得，為已知項(xiàng)，實(shí)驗(yàn)時(shí)只需改變每次測量的待測液體的質(zhì)量。每完成一組實(shí)驗(yàn)，就得到一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，做出等式左邊項(xiàng)和m測的關(guān)系，即可得出實(shí)驗(yàn)圖像。

根據(jù)理論知識(shí)分析可知，該圖像為一條一元一次函數(shù)圖像，橫坐標(biāo)為待測液體的質(zhì)量m測，豎該直線的斜率即為待測液體的比熱容，而該直線的截距即為c系統(tǒng)m系統(tǒng)，也即為Q。

利用以上所述實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)思路，分別測定質(zhì)量為 200 g，220 g，240 g，260 g，280 g的純水的比熱容，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出散點(diǎn)圖并進(jìn)行直線擬合，可得出圖1，圖中所得直線斜率即為實(shí)驗(yàn)所測得的水的比熱容，為4.102 1 kJ/(kg·℃)，系統(tǒng)所吸收的比熱為121.28 kJ/℃。

圖1 水比熱容測定

將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)值4.2 kJ/(kg·℃)進(jìn)行比較，誤差為2.331%，在5%以內(nèi)，證明該實(shí)驗(yàn)裝置和該實(shí)驗(yàn)思路具有較好的精度。

5 結(jié)束語

本試驗(yàn)對傳統(tǒng)的電熱法測定比熱容的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)思路和數(shù)據(jù)處理方法都進(jìn)行了改進(jìn)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方法具有較高的精度，在實(shí)際應(yīng)用方面具有一定價(jià)值。

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