冰的熔解热报告

测定冰的熔解热【引言】一定压强下的晶体开始熔解时的温度称为该晶体在此压强下的熔点，质量为1g的某种物质的晶体熔解为相同温度的液体所吸收的热量叫做该晶体的熔解热。本实验采用混合量热测定冰的熔解热，其基本原理是：把待测系统和一个已知其热容的系统混合起来，并使它们形成一个与外界没有热量交换的孤立系统。于是，在此孤立系统中已知其热容的系统吸收(或放出)的热量也就是待测系统放出(或吸收)的热量。已知其热容的系统吸收(或放出)的热量可通过其温度的变化及其热容来求得，于是待测系统放出(或吸收)的热量也便可求得由此可见，保持系统为孤立系统，是混合量热法所要求的基本实验条件，着要从一汽装置、测量方法以及实验操作等方面去保证。如果实验过程中玉外界的热交换不能忽略，就要做散热活吸热修正。温度是热学的一个基本量，量热实验中必须测量温度。一个系统的温度，只有在平衡时才有意义，因此计温时必须使系统温度达到稳定而且均匀，永温度计的指示值代表系统温度，必须使系统与温度计之间达到平衡。【方法介绍】混合发是热学实验中的一种常用方法，其基本原理可用热平衡方程来描述，即在一个孤立系统中，一部分物体所吸收的热量等于该系统中其他物体所放出的热量。本实验用混合法测冰的熔解热，关键的必须保证系统为孤立系统。【实验目的】1．掌握用混合法测定冰的熔解热的方法。2．学习散热修正的一种方法。【实验器材】量热器、物理天平、温度计、水、冰块、秒表、取冰夹子、量筒、玻璃皿、干抹布等。【仪器介绍】为了使实验系统（待测系统与已知其熔解热的系统二者合一）成为以一个孤立系统，我们采用量热器。传递热量的方法有三种：传导、对流和辐射。以此，必须使实验系统与环境之间的传导、对流和辐射都尽量减少，量热器即能满足这样的要求。量热器的种类很多，随测量的目的、要求、测量精度的不同而异。最简单的一种如图4-4-1所示，它是由热的良导体做成的内筒，放在一较大的外筒中组成。通常在内筒中放水、温度计及搅拌器，这些东西(内筒、温度计、搅拌器及水)连同放进的待测物体就构成了我们所考虑的(进行实验的)系统，内筒、水、温度计和搅拌器的热容可以测知。量热器的内筒置于一绝热架上，外筒用绝热盖盖住，因此其内的空气与外界对流很小。又因空气是不良导体，所以内、外筒间通过热传导传递的热量便可减至很少。同时由于内筒的外壁及外筒的内外壁都十分光亮，使得它们向外辐射热或吸收辐射热的本领变得很小，因而，我们进行实验的系统和环境之间因辐射而产生热量的传递也可减至很小。这样，量热器就可粗略地被看作一个孤立系统了。

外壁及外筒的内外壁都十分光亮，使得它们向外辐射热或吸收辐射热的本领变得很小，因而，我们进行实验的系统和环境之间因辐射而产生热量的传递也可减至很小。这样，量热器就可粗略地被看作一个孤立系统了。【实验原理】一、用混和法测定冰的熔解热将质量为、温度为（以表示）的冰放入质量为、温度为的温水中（温水盛在量热器的内筒里），通过搅拌待冰全部熔解后，其平衡温度为。在此交换过程中，冰先吸收热量（为冰的熔解热）而熔解为的水，再从升温到，又吸收热量为，为水的比热容。量热器系统（内筒、搅拌器、温度计）与原来的温水放出的热量可表示为（+++）。其中、分别为铝的比热容和内筒的质量，、分别为铜的比热容和搅拌器的质量，为温度计温度降所放出的热量，它相当于质量为的水温度降所放出的热量，的值由实验室给出（习惯上称为温度计的水当量）。根据平衡原理有+=（+++）（4-4-1）即=（4-4-2）、、的值分别为、、（它们随温度的变化可忽略不计）。图4-4-1量热器结构示意图可以看出，本实验的关键是必须保持系统为孤立系统，即系统与外界环境没有热交换，热传递有三种方式：①热传导；②热对流；③热辐射。实验中考虑了整个“热学系统”的吸热与放热，“热学系统图4-4-1量热器结构示意图量热器的结构如图4-4-1所示，为防止热传递，内筒放在外筒内的绝热支架上可防止热传导，外筒用绝热盖盖住，因此可防止空气与外界对流，而且空气是热的不良导体，所以内、外筒间因对流传递的热量可减至很小。内筒的外壁及外筒的内壁都电镀得十分光亮，使得它们发射或吸收辐射热的本领变得很小，因此可以减小（本实验的热学系统和环境之间）因辐射而产生热量的传递。这样的量热器可以使实验的热学系统粗略地接近于一个绝热的孤立系统了。二、散热修正保持实验系统为孤立系统是混合法测定冰的熔解热的必要条件，但是，把冰块投入量热器的温水中，冰块不可能立即熔解，在整个实验过程中，系统必然要与外界交换热量。换言之，系统不是一个严格的孤立系统，这就破坏了式（4-4-2）的成立条件。所以按式（4-4-2）计算出来的熔解热必然存在相当大的误差，为此必须对热量损失进行修正。根据“牛顿冷却定律”，在系统温度与室温相差不大时，系统与环境之间的传热速率与温差（-）成正比，即=（4-4-3）图4-4-2热量补偿示意图图4-4-3散热修正示意图（4-4-4图4-4-2热量补偿示意图图4-4-3散热修正示意图式中是常量，系统温度是时间的函数，室温认为是基本不变的。如果我们以横轴代表时间，以纵轴代表温度，作出—图，则—曲线与等温线所包围的面积可代表传热量（相差一个比例常数），如图4-4-2所示。图中为投入冰块的时刻，为温度最低的时刻。曲边三角形的面积可代表系统向外界散发的热量，曲边三角形可代表系统从外界吸收的热量。把水的初温预热到室温以上，而使冰熔解后系统的末温在室温以下。以室温为界，把整个过程分为放热和吸热两个阶段，这样，就能使在第一阶段和第二阶段不免要发生的热量交换得到一定的补偿。一般说来，系统向外界散发的热量不会等于它从外界吸收的热量，因为这涉及到的因素很多，诸如水的初温，水的质量，冰块的质量等。为了获得更准确的测量结果，还必须进行散热修正。图4-4-3表示系统温度随时间的变化曲线，图中段是投入冰前温水的自然降温曲线（由于温度高于室温，系统向外界散热，温度逐渐降低），在点（温度）将冰投入水中，段是投冰后水的降温曲线，到点冰全部熔解并升温至与量热器中水的温度相等，此时温度低于室温，系统将从外界吸收热量而逐渐升温，如图中段所示。 段水的温度由降至是由两个因素共同造成的，一个是系统与外界有热交换导致水温变化（其中系统向外界散发的热量可用面积表示，从外界吸收的热量可用面积（）表示，系统从外界吸收的净热量表示为（-），图中是与等温线的交点）。另一个是冰的吸热引起水温下降。因此，只是因为冰的吸热引起的水温下降并不等于（），用和分别代替式（4-4-2）中的和显然是不妥当的。下面我们设计一个与实际过程等价的过程，即图4-4-3中的过程（点为理想投冰点），来将上述两个因素分开，将系统与外界的热交换引起的温度变化限制在段和段，所交换热量与段系统与外界实际交换的热量相等。为此，我们在曲线上找一点，过点做时间轴的垂线，交的延长线与，交的反向延长线于，使曲边三角形的面积（）与曲边三角形的面积相等，即-，那么，过程从外界吸收的净热量为，这与实际过程从外界吸收的净热量相等。在过程中，设想冰从点投入，在点全部熔解且升温至系统温度最低点，是瞬间进行的“冰的吸热”过程，没有与外界进行热量交换，这样，过程就把上述两个因素分别用过程和过程表示了。因此，投冰时水的初温是，末温是。（-）单纯由于冰吸收热量引起，用它们分别代替（4-4-2）中的和即可得到较为准确的测量结果，即式（4-4-2）可写为=（4-4-5）【实验内容】1.测出量热器内筒的质量和搅拌器的质量。2.测出室温。3.配制温水，水温高于室温左右。4.测出温水的质量，其水位约为内筒高度的三分之二。5.当水温高于室温左右时测自然降温曲线（）段,每记录一次温度值。6.尽快投冰，用搅拌器不断轻轻搅拌，每记录一次温度值，直到温度不再下降。7.测自然升温曲线（段）,每记录一次温度值。8.测出冰块的质量。9.自己拟定数据记录表格，记录测量数据。10.用坐标纸作图，用查小方格个数的方法确定面积，求出、，求出冰的熔解热，并与标准值比较，求出相对误差，并进行误差分析。【数据记录】（已知、、的值分别为、、（它们随温度的变化可忽略不计）。搅拌器的质量为m2=6.24g冰的熔解热参考值L=3.335*10^J/kg）数据1表1实验表格名称水的质量冰的质量搅拌器质量初始温度平衡温度环境温度冰的温度符号(g)(g)(g)()()T()()数值282.7863.86.2429.914.312.50表2温度随时间变化的实验表格（时间间隔15s）时间(s)153045607590105120温度()21.617.415.414.514.314.314.314.3数据2表1实验表格名称水的质量冰的质量搅拌器质量初始温度平衡温度环境温度冰的温度符号(g)(g)(g)()()T()()数值201.827.716.2431.818.312.50表2温度随时间变化的实验表格（时间间隔15s）时间(s)153045607590105120温度()27.420.618.618.318.318.318.318.3数据3表1实验表格名称水的质量冰的质量搅拌器质量初始温度平衡温度环境温度冰的温度符号(g)(g)(g)()()T()()数值246.9742.586.2429.814.912.50表2温度随时间变化的实验表格（时间间隔15s）时间(s)153045607590105120温度20.216.415.115.014.914.914.914.9【数据处理】463213L=(201.84.186+6.240.38)(31.8-18.3)/27.71-18.3=394.40(J/g)L=(282.74.186+6.240.38)(29.9-14.3)/63.8-14.3=275.75(J/g)L=(246.974.186+6.240.38)(29.8-14.9)/42.58-14.9=347.69(J/g)=(275.75+394.40+347.69)/3=339.28(J/g)测定结果的相对误差U(λ)=实验图示【实验结论】由以上测量结果可见，用混合法测量冰的熔解热为λ=339.28(J/g)，其相对误差为1.587%，在大学物理实验要求的误差允许范围内，所以本次实验成功.【误差分析】实验所取水的体积大于量热筒的2/3。投冰前未将冰拭干或者用手触摸冰造成操作误差。将水倒入量热器后未及时测量水的温度。倒入冰前所测量的水温未达到稳定值。倒入冰后未及时读出温度值。每个时间间隔内所读的温度值有人为的读数误差。实验仪器的保温条件不够，造成的散热误差。实验次数少所造成的偶然误差。【注意事项】1．整个测量过程盖子应盖好，还要不停地用搅拌器轻轻地搅拌内筒中的水，以保证热学系统的温度均匀，同时防止内筒中的水搅出内筒外和桌面上，以保持内筒中水的质量不减小。2．冰的质量应在测出末温后再称量。3．热学系统的末温不能选得太低，以免内筒外壁出现凝结水而改变其散热系数。4.时间连续计时，秒表不能停止。5.室温应取实验前后平均值；水的初温可高于室温约10-15，配置温水时，又应略高于约1-2。6．严守天平的操作规则。7．投冰前应将其拭干，且不得直接用手触摸8.注意维护温度计，玻璃液体（水银或酒精）温度计容易折断，水银泡更易破碎，水银溢出会造成严重污染。9.先做一次实验，在分析器情况和结果的基础上，确定温度及冰的质量等值大体应以多少为宜，然后仔细的重复实验。10.测定实验过程中系统温度随时间的变化每隔一定时间（如15s）测量一下系统温度，做出T-t图，从而：为了使系统散热、吸热大体抵消，适当选取初始温度和平衡温度。【思考题】1．根据本实验装置以及操作的具体情况，分析误差产生的主要因素有哪些？2．冰块投入量热器内筒时，若冰块外面附有水，将对实验结果有何影响（只需定性说明）？3．整个实验过程中为什么要不停地轻轻搅拌？分别说明投冰前后搅