用混合量熱法測(cè)定冰的熔解熱

1、用混合量熱法測(cè)定冰的熔解熱一 目的要求 正確使用量熱器，熟練使用溫度計(jì)； 用混合量熱法測(cè)定冰的熔解熱； 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)安排和參量選?。?學(xué)會(huì)一種粗略修正散熱的方法抵償法。二 引言物質(zhì)從固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗟南嘧冞^程稱為熔解。一定壓強(qiáng)下晶體開始熔解時(shí)的溫度稱為該晶體在此壓強(qiáng)下的熔點(diǎn)。對(duì)于晶體而言，熔解是組成物質(zhì)的粒子由規(guī)則排列向不規(guī)則排列的過程，破壞晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)需要能量，因此，晶體在熔解過程中雖吸收能量，但其溫度卻保持不變。物質(zhì)的某種晶體熔解成為同溫度的液體所吸收的能量，叫做該晶體的熔解潛熱。單位：。本實(shí)驗(yàn)用混合量熱法測(cè)定冰的熔解熱。其基本做法如下：把待測(cè)系統(tǒng)與某已知熱容的系統(tǒng)相混合，并設(shè)法使其成為一個(gè)與

2、外界無熱量交換的孤立系統(tǒng)。這樣（或）所放出的熱量將全部為（或）所吸收，因而滿足熱平衡方程： (18.1)已知熱容的系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過程中所傳遞的熱量是可以由其溫度的改變及其熱容計(jì)算出來的： (18.2)于是，待測(cè)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過程中所傳遞的熱量即可求得。冰的熔解熱也就可以據(jù)此測(cè)定。由上所述， 保持實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為孤立系統(tǒng)是混合量熱法所要求的基本實(shí)驗(yàn)條件。為此，整個(gè)實(shí)驗(yàn)在量熱器內(nèi)進(jìn)行，同時(shí)要求實(shí)驗(yàn)者本人在測(cè)量方法及實(shí)驗(yàn)操作等方面去設(shè)法保證。當(dāng)實(shí)驗(yàn)過程中系統(tǒng)與外界的熱量交換不能忽略時(shí)，就必須作一定的散熱修正。三 原理質(zhì)量、溫度的冰塊與質(zhì)量、溫度的水相混合，冰全部熔解為水后，測(cè)得平衡溫度為。假定量熱器內(nèi)筒與攪拌器的

3、質(zhì)量分別為、，其比熱容分別為和；數(shù)字式溫度計(jì)之測(cè)溫傳感器（鉑電阻測(cè)溫探頭）自身熱容甚小，可忽略不計(jì)；水及冰的比熱容分別為和（在400范圍內(nèi)，）；冰的熔點(diǎn)為。則由熱平衡方程可得： 本實(shí)驗(yàn)條件下，冰的熔點(diǎn)可認(rèn)為是，也可選取冰塊的溫度。于是，冰的熔解熱可由下式求出： (18.3)由于量熱器的絕熱條件并不十分完善，實(shí)際實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并非嚴(yán)格的孤立系統(tǒng)，所以，在做精密測(cè)量時(shí)，就需設(shè)法求出實(shí)驗(yàn)過程中系統(tǒng)與外界交換的熱量，以作適當(dāng)?shù)纳嵝拚?。本?shí)驗(yàn)介紹一種粗略修正散熱的所謂抵償法。其依據(jù)是牛頓冷卻定律。當(dāng)系統(tǒng)的溫度高于環(huán)境溫度時(shí)，它就要散失熱量。實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)溫差較?。ㄒ话悴怀^）時(shí)，（非自然對(duì)流）系統(tǒng)的散熱制冷速

4、率與溫差成正比。此即牛頓冷卻定律： (18.4)其中，表時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)與外界交換的熱量。比例系數(shù)為一個(gè)與系統(tǒng)表面積成正比并隨表面輻射本領(lǐng)而變的常數(shù)，稱為散熱常數(shù)。其物理意義為：單位溫差下，單位時(shí)間的熱量損失。其單位為：。負(fù)號(hào)的意義表示當(dāng)系統(tǒng)溫度高于環(huán)境溫度時(shí)散失熱量，即：當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)向外界放出熱量；反之，系統(tǒng)從外界吸收熱量。在實(shí)驗(yàn)過程中，如果恰當(dāng)?shù)貙⑾到y(tǒng)的初溫和末溫分別選擇在室溫的兩側(cè)，即：，并且使整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中系統(tǒng)與外界的熱量傳遞前后彼此抵消，則可以達(dá)到散熱修正之目的。量熱器中水溫隨時(shí)間的變化應(yīng)該是一條指數(shù)下降的曲線，如圖-所示。對(duì)式(18.4)求積分，即可得到由到（對(duì)應(yīng)溫度及）時(shí)間內(nèi)，整個(gè)系統(tǒng)與

5、外界交換的熱量： 其中，及表示圖-中的陰影面積。由上式可見，當(dāng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)過程中系統(tǒng)與外界交換的熱量。因此，只要適當(dāng)?shù)剡x擇參數(shù)，使曲線與環(huán)境溫度直線圍成的兩塊面積近似相等，即：，就可以使系統(tǒng)很好地近似為一個(gè)孤立系統(tǒng)。由曲線可知，欲使，就必須使。實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)做出明確的計(jì)劃，實(shí)驗(yàn)中注意選取及適當(dāng)調(diào)整參數(shù)及等，使?jié)M足上式。但應(yīng)注意到的條件，否則，冰將不能全部熔解。四 儀器用品包括量熱器，NTY-2A型數(shù)字式溫度計(jì)，物理天平（或電子天平)，玻璃皿，干拭布，冰及熱水等。數(shù)字式溫度計(jì)外形如圖18-2所示，其電源開關(guān)設(shè)置在后面板上，還可通過接口與計(jì)算機(jī)相連，用以采集數(shù)據(jù)。量熱器外形如圖18-3所示。它由一個(gè)半徑較

6、小的銅質(zhì)內(nèi)筒（容積約）和一個(gè)較大的銅質(zhì)外筒組成。內(nèi)筒置于環(huán)形絕熱架上，外筒又用絕熱蓋蓋住。因此，內(nèi)部空氣夾層與外界對(duì)流很小。又因空氣是熱的不良導(dǎo)體，故內(nèi)、外筒之間由傳導(dǎo)所傳遞的熱量可減到很小。同時(shí)，內(nèi)筒的外壁及外筒的內(nèi)、外壁都電鍍得十分光亮，使得它們發(fā)射或吸收熱量的本領(lǐng)變得很小。所以，因輻射而產(chǎn)生的熱量傳遞也可以減至最小。由上所述，量熱器的這種結(jié)構(gòu)，使將熱量傳遞的三種方式傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射都盡可能地減到了最小；因而，它成為量熱實(shí)驗(yàn)的常用儀器。使用時(shí)，通常是首先注入適量的水（約為容量的），并將溫度計(jì)、攪拌器等通過絕熱蓋的小孔插入，構(gòu)成所謂已知熱容的系統(tǒng)。應(yīng)當(dāng)指出，上述量熱器的絕熱條件并不十分完善，

7、因此在進(jìn)行精確的量熱實(shí)驗(yàn)時(shí)還必須據(jù)牛頓冷卻定律進(jìn)行散熱修正。五 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容測(cè)定冰熔解熱的操作步驟由學(xué)生自己安排。粗選參數(shù)，先進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)，在分析情況和結(jié)果的基礎(chǔ)上，調(diào)整并確定、及的大致數(shù)值，然后仔細(xì)地重復(fù)實(shí)驗(yàn)。為進(jìn)行散熱修正，由投冰始，每間隔記錄一次溫度，直至由溫度的變化可以確認(rèn)冰已全部溶解為止。如改用溫度傳感器并配合適當(dāng)接口，則可由微機(jī)自動(dòng)記錄關(guān)系曲線。六 注意事項(xiàng) 室溫應(yīng)取實(shí)驗(yàn)前、后的平均值；水的初溫，可高出室溫約；配置溫水時(shí)，又應(yīng)略高于約（為什么？）。 嚴(yán)守天平的操作規(guī)則。 投冰前應(yīng)將其拭干，且不得直接用手觸摸；其質(zhì)量不能直接放在天平盤上稱衡，而應(yīng)由投冰前、后量熱器連同水的質(zhì)量差求得。 注

8、意掌握讀取初溫的時(shí)機(jī)。為測(cè)準(zhǔn)，可在投冰前每隔一定時(shí)間（如）讀，取個(gè)點(diǎn)，再記下冰著水面的時(shí)間，即可用外推法較準(zhǔn)確地確定出。 為使溫度計(jì)示值確實(shí)代表系統(tǒng)的真實(shí)溫度，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中（包括讀取前）要不斷輕輕地進(jìn)行攪拌（攪拌的方式應(yīng)因攪拌器的形狀而異）。 注意維護(hù)停表，使用各按鈕時(shí)動(dòng)作要輕。 上課時(shí)，要備直角坐標(biāo)紙及鉛筆，以便分析數(shù)據(jù)、調(diào)整參數(shù)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。七 考查題 1混合量熱法所要求的基本實(shí)驗(yàn)條件是什么？本實(shí)驗(yàn)是如何得到滿足的？ 2本實(shí)驗(yàn)中的“熱力學(xué)系統(tǒng)”是由哪些組成的？量熱器內(nèi)筒、外筒、溫度計(jì)、攪拌器等都屬于該熱力學(xué)系統(tǒng)嗎？ 3冰塊投入量熱器之前應(yīng)做好哪些準(zhǔn)備工作？投冰時(shí)應(yīng)注意什么？ 4若粗測(cè)后發(fā)現(xiàn)

9、面積，則它說明了什么？應(yīng)怎樣改變條件重做？ 5下述諸量：及何時(shí)測(cè)量？怎樣測(cè)量？ 6怎樣由系統(tǒng)溫度的變化推斷冰已全部溶解？末溫是如何確定的？作圖時(shí)對(duì)應(yīng)末溫的時(shí)刻應(yīng)如何確定？ 7哪些因素會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性？實(shí)驗(yàn)中應(yīng)怎樣注意？ 8試定性說明下述情況給的測(cè)量結(jié)果帶來的影響。（） 測(cè)之前沒有攪拌；（） 測(cè)后到投冰之前相隔了一段時(shí)間；（） 攪拌過程中有水濺出；（） 冰未拭干就投入量熱器；（） 實(shí)驗(yàn)過程中打開量熱器蓋子看了看。八 思考題 假如冰內(nèi)有氣泡，小水泡，雜質(zhì)，它們分別對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有無影響？為什么？ 如果冰中含水量為，試求由此引起冰熔解熱的相對(duì)誤差。 若給定，試求的定值誤差。九 參考題試根據(jù)混合量熱法的基本原理設(shè)計(jì)：在僅已知水的比熱容的條件下，測(cè)定量熱器（包括攪拌器及溫度計(jì)浸沒水中的部分）熱容的一種方法，