2 固体比热容的测量

PAGE固体比热容的测量一、实验原理单位质量的物质，其温度升高1K（或1℃）所需的热量称为该物质的比热容，其值随温度而变化。将质量为M1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（△Q/△（1）（1）式中C1为该金属样品在温度θ1时的比热容，为金属样品在θ1的温度下降速率，根据冷却定律有：（2）（2）式中为热交换系数，S1为该样品外表面的面积，m为常数，θ1为金属样品的温度，θ0为周围介质的温度。由式（1）和（2），可得（3）同理，对质量为M2，比热容为C2的另一种金属样品，可有同样的表达式：（4）由式（3）和（4），可得：所以假设两样品的形状尺寸都相同（例如细小的圆柱体），即S1=S2；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θ0恒定），两样品又处于相同温度时，上式可以简化为：（5）本实验中采用热电偶测量温度，热电偶的温度通过热电势表示，热电动势与温度的关系在同一小温差范围内可以看成线性关系，即，式（5）可以简化为：如果已知标准金属样品的比热容C1、质量M1；待测样品的质量M2及两样品在温度θ时冷却速率之比，就可以求出待测的金属材料的比热容C2。二、实验仪器图1DH4603型冷却法金属比热容测量仪本实验装置由加热仪和测试仪组成。加热仪的加热装置可通过调节手轮自由升降。被测样品安放在有较大容量的防风圆筒即样品室内的底座上，测温热电偶放置于被测样品内的小孔中。当加热装置向下移动到底后，对被测样品进行加热；样品需要降温时则将加热装置移上。仪器内设有自动控制限温装置，防止因长期不切断加热电源而引起温度不断升高。测量试样温度采用常用的铜－康铜做成的热电偶(其热电势约为)，将热电偶的冷端置于空气中，同时在旁边放置温度计，监测气温变化，整个测量过程气温变化应小于1℃。带有测量扁叉的一端接到测试仪的“输入”端。热电势差的二次仪表由高灵敏、高精度、低漂移的放大器放大加上满量程为20mV的三位半数字电压表组成。三、实验内容开机前先连接好加热仪和测试仪，共有加热四芯线和热电偶线两组线。1.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M0。再根据MCu＞MFe＞MA1这一特点，把它们区别开来。2.使热电偶端的铜导线与数字表的正端相连；冷端铜导线与数字表的负端相连。当样品加热到150℃（此时热电势查表可知）时，切断电源移去加热源，样品继续安放在与外界基本隔绝的有机玻璃圆筒内自然冷却（筒口须盖上盖子），记录样品的冷却速率。所需的时间为对应于100℃至95℃降温所需的时间（这两个温度对应的电动势可查表）。按铁、铜、铝的次序，分别测量其温度下降时间，每一样品应重复测量6次。3.已知铝的比热容为C=0.230cal/g℃，计算铁和铜的比热容。注意事项1.仪器的加热指示灯亮，表示正在加热；如果连接线未连好或加热温度过高（超过200℃2.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。3.加热装置向下移动时，动作要慢，应注意要使被测样品垂直放置，以使加热装置能完全套入被测样品。附录Ⅰ铜—康铜热电偶分度表温度℃0123456789热电动势mV-40-30-20-100-0+102030405060708090100110120130140150160170180-1.475-1.121-0.757-0.383-0.0000.0000.3910.7891.1961.6112.0352.4672.9083.3573.8134.2774.7495.2275.7126.2046.7027.2077.7188.235-1.510-1.157-0.794-0.421-0.0390.0390.4300.8301.2371.6532.0782.5112.9533.4023.8594.3244.7965.2755.7616.2546.7537.2587.7698.287-1.544-1.192-0.830-0.458-0.0770.0780.4700.8701.2791.6952.1212.5552.9973.4473.9064.3714.8445.3245.8106.3036.8037.3097.8218.339-1.579-1.228-0.867-0.495-0.1160.1170.5100.9111.3201.7382.1642.5993.0423.4933.9524.4184.8915.3725.8596.3536.8537.3607.8728.391-1.614-1.263-0.903-0.534-0.1540.1560.5490.9511.3611.7802.2072.6433.0873.5383.9984.4654.9395.4205.9086.4036.9037.4117.9248.443-1.648-1.299-0.904-0.571-0.1930.1950.5890.9921.4031.8222.2502.6873.1313.5844.0444.5124.9875.4695.9576.4526.9547.4627.9758.495-1.682-1.334-0.976-0.602-0.2310.2340.6291.0321.4441.8652.2942.7313.1763.6304.0914.5595.0355.5176.0076.5027.0047.5138.0278.548-1.717-1.370-1.013-0.646-0.2690.2730.6691.0731.4861.9072.3372.7753.2213.6764.1374.6075.0835.5666.0566.5527.0557.5648.0798.600-1.751-1.405-1.049-0.683-0.3070.3120.7091.1141.5281.9502.3802.8193.2663.7214.1844.6545.1315.6156.1056.6027.1067.6