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物理實驗二冰的溶解熱的測定

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1、實驗二 冰的溶解熱的測定 【實驗目的】 1.掌握熱學兩個基本量-------溫度與熱量的測量方法。 2.學習用混合法測定冰的溶解熱。 3.了解修正散熱的方法。 【實驗儀器】 量熱器、物理天平、溫度計、吸水紙、量筒、燒杯。 【實驗原理】 在一定的壓強下,對晶體加熱,晶體升高到一定的溫度才溶解。這個溫度稱為晶體的溶點。在整個溶解過程中,晶體需要吸收熱量,但是溫度卻保持不變。晶體全部溶解成液體以后,仍然繼續(xù)加熱,溫度才會上升。單位質(zhì)量的某一晶體在溶點溶解成液體所需吸收的熱量,叫做該晶體的溶解熱。 本實驗根據(jù)熱平衡原理,用混合量熱法測定冰的溶解熱?;旌狭繜岱ǖ幕咀龇ㄊ菍⒋郎y系統(tǒng)A

2、與一個已知熱容的系統(tǒng)B相混合,組成一個系統(tǒng),并設法使它成為一個與外界沒有熱量交換的孤立系統(tǒng)。A(或B)所放出的熱量全部為B(或A)所吸收。因為已知熱容的系統(tǒng)在實驗過程中所傳遞的熱量Q是可以由其溫度的改變和其熱容計算出來的,即,因此待測系統(tǒng)在實驗過程中所產(chǎn)生的熱量也就知道了。實驗中把一定量的冰放在一定量的水中,由水溫的變化來求得冰的溶解熱。 若將質(zhì)量為M的水放入量熱器的內(nèi)筒,有水、內(nèi)筒、攪拌器和溫度計組成已知熱容的系統(tǒng)B,測出其溫度,再將質(zhì)量為m、溫度為的純冰放入內(nèi)筒,冰就是待測系統(tǒng)A。使兩系統(tǒng)混合,冰吸收熱量全部溶解成水,最后兩系統(tǒng)達到熱平衡,測出它們最終的溫度。在此過程中,冰由溶解并升溫

3、到,所吸收的總熱量為,其中L為冰的溶解熱,為水的比熱容。若量熱器內(nèi)筒及攪拌器材料相同,質(zhì)量為,比熱容為,則該系統(tǒng)在實驗中放出的熱量為。當系統(tǒng)與外界的熱交換可以忽略時,B放出的熱量等于A吸收的熱量,即 (1) 或 (2) 式中為溫度計插入水中部分的熱容,V為溫度計插入水中部分的體積,單位用。由(2)式可得冰的溶解熱為 (3) 這就是求冰的溶解熱的公式。 導出公式(1

4、)時,我們是假定系統(tǒng)為一孤立系統(tǒng)的,但實際上并非如此。只要系統(tǒng)與外界之間有溫差,兩者就有熱量交換。溫差越大,實驗時間越長,交換的熱量就越多。為了減小誤差,要盡可能減小兩者之間的溫差并且加快實驗進程;注意不要直接用手握量熱器的任何地方,不要在陽光直接照射下或空氣流動太快的地方進行實驗;冬天不要在火爐或暖氣旁實驗。 盡管如此,仍不能使系統(tǒng)成為真正孤立的系統(tǒng)。因此,作精密測量時就需要采用一些辦法,以求出實驗過程中系統(tǒng)散失或吸收的熱量。在系統(tǒng)與環(huán)境溫度差不大時,這種修正是根據(jù)牛頓冷卻定律來進行的。由牛頓定律知,當系統(tǒng)溫度與外界溫度相差不大時,系統(tǒng)散熱速度與溫度成正比,即

5、 (4) 式中K是比例常數(shù),稱為散熱系數(shù),其大小與系統(tǒng)的表面積和表面的熱輻射本領有關。 圖1是系統(tǒng)的冷卻曲線(溫度隨時間變化的關系曲線)。圖中為外界溫度,和分別為系統(tǒng)的初始溫度和最終溫度。由圖可見,在時間段內(nèi),系統(tǒng)溫度高于外界溫度,即,系統(tǒng)釋放熱量為,根據(jù)(4)式可得 圖1 (5) 在段,系統(tǒng)溫度低于外界溫度,,系統(tǒng)從外界吸收熱量為,則 (6) 在這段時間內(nèi),系統(tǒng)溫度從降到,它與外界交換的總熱量為

6、 (7) 將(5)、(6)代入(7),得 (8) 由圖1可知,積分和分別為面積和。若能使,則,即在實驗過程中系統(tǒng)對外界的散熱和吸熱相互抵消,總的效果相當于系統(tǒng)與外界并無熱量交換,從而相當于一個孤立系統(tǒng)。 由此可見,實驗時使系統(tǒng)的初始溫度高于外界溫度,而使其最終溫度低于,就可以設法使整個實驗過程中系統(tǒng)與環(huán)境間的熱量傳遞前后彼此抵消。 考慮到剛投入冰塊時,水溫高,冰的有效面積大,降溫快,隨著水溫下降,冰塊變小,降溫會越來越慢。所以使,必須。至于高出多少才合適,可在實驗中通過預選數(shù)據(jù)的分析

7、而定。 【實驗內(nèi)容與步驟】 秤出量熱器內(nèi)筒及攪拌器的質(zhì)量。 測定水的質(zhì)量。在內(nèi)筒中裝入溫水,水約占內(nèi)筒容積的,稱出內(nèi)筒、攪拌器和水的總質(zhì)量,測得水的質(zhì)量。 測出冰在溶解過程中水溫與時間的關系。 完成上述稱衡后,從冰水混合物中取出的純冰,冰要透明,無氣泡,質(zhì)量約為溫水質(zhì)量的,用吸水紙吸干冰表面的水,測出內(nèi)筒水溫和對應時間,立即將冰塊投入內(nèi)筒,蓋上絕熱蓋,以后輕輕攪拌,每隔20秒記錄一次水溫和對應時間,直到水溫不再下降為止,記錄下最低溫度和對應時間。 測量內(nèi)筒、攪拌器及水的總質(zhì)量,算出冰的質(zhì)量。 測得玻璃水銀溫度計的熱容量。 玻璃的比熱容為,密度為,水銀的比熱容為,密度為。因此的玻

8、璃的熱容為,得水銀的熱容為,兩者可認為近似相等。所以式(3)中溫度計的熱容為。用盛水的小量筒量出水銀溫度計浸入水中部分的體積V,就可以算出它的熱容。 將測出的有關數(shù)據(jù)代入式(3),算出冰的溶解熱。 冰在一個大氣壓下的溶解熱為。分析數(shù)據(jù)和實驗誤差,重新選擇適當?shù)?,溫水及冰的質(zhì)量,再做一次。 【實驗數(shù)據(jù)處理】 表一 質(zhì)量 總質(zhì)量 水質(zhì)量 總質(zhì)量 冰的質(zhì)量 表二 加冰前水溫 時間 冰溶解過程中溫度 加冰后水最低溫 時間 0s 20s 40s 60s 80s 100s 120s …… 表三 溫度計的熱容 浸入水中溫度計的體積V 浸入水中溫度計吸收的熱量Q 【分析與討論】 為什么要設法使實驗系統(tǒng)成為孤立系統(tǒng)? 定性說明以下情況對實驗結果有何影響? 冰中含有水或冰沒有用吸水紙吸干;(2)投入冰塊后才測初溫;(3)投入冰塊或攪拌時將水濺出。 根據(jù)內(nèi)容3所記錄的數(shù)據(jù)作實驗過程的曲線,并標出面積。比較的大小,看實驗所選的初始溫度是否合適。

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