用混合量熱法測定冰的熔解熱

1、用混合量熱法測定冰的熔解熱一 目的要求 正確使用量熱器，熟練使用溫度計； 用混合量熱法測定冰的熔解熱； 進行實驗安排和參量選取； 學(xué)會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。一定壓強下晶體開始熔解時的溫度稱為該晶體在此壓強下的熔點。對于晶體而言，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：。本實驗用混合量熱法測定冰的熔解熱。其基本做法如下：把待測系統(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)在實驗過程中所傳遞的熱量是可以由其溫度的改變及其熱容計算出來的： (18.2)于是，待測系統(tǒng)在實驗過程中所傳遞的熱量即可求得。冰的熔解熱也就可以據(jù)此測定。由上所述， 保持實驗系統(tǒng)為孤立系統(tǒng)是混合量熱法所要求的基本實驗條件。為此，整個實驗在量熱器內(nèi)進行，同時要求實驗者本人在測量方法及實驗操作等方面去設(shè)法保證。當(dāng)實驗過程中系統(tǒng)與外界的熱量交換不能忽略時，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)字式溫度計之測溫傳感器（鉑電阻測溫探頭）自身熱容甚小，可忽略不計；水及冰的比熱容分別為和（在400范圍內(nèi)，）；冰的熔點為。則由熱平衡方程可得： 本實驗條件下，冰的熔點可認(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，實際實驗系統(tǒng)并非嚴(yán)格的孤立系統(tǒng)，所以，在做精密測量時，就需設(shè)法求出實驗過程中系統(tǒng)與外界交換的熱量，以作適當(dāng)?shù)纳嵝拚?。本實驗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，它就要散失熱量。實驗證明：當(dāng)溫差較?。ㄒ话悴怀^）時，（非自然對流）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，表時間內(nèi)系統(tǒng)與外界交換的熱量。比例系數(shù)為一個與系統(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，單位時間的熱量損失。其單位為：。負(fù)號的意義表示當(dāng)系統(tǒng)溫度高于環(huán)境溫度時散失熱量，即：當(dāng)時，系統(tǒng)向外界放出熱量；反之，系統(tǒng)從外界吸收熱量。在實驗過程中，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：，并且使整個實驗過程中系統(tǒng)與外界的熱量傳遞前后彼此抵消，則可以達到散熱修正之目的。量熱器中水溫隨時間的變化應(yīng)該是一條指數(shù)下降的曲線，如圖-所示。對式(18.4)求積分，即可得到由到（對應(yīng)溫度及）時間內(nèi)，整個系統(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，實驗過程中系統(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)很好地近似為一個孤立系統(tǒng)。由曲線可知，欲使，就必須使。實驗前，應(yīng)做出明確的計劃，實驗中注意選取及適當(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，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，還可通過接口與計算機相連，用以采集數(shù)據(jù)。量熱器外形如圖18-3所示。它由一個半徑較

6、小的銅質(zhì)內(nèi)筒（容積約）和一個較大的銅質(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，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)、對流及輻射都盡可能地減到了最?。灰蚨?，它成為量熱實驗的常用儀器。使用時，通常是首先注入適量的水（約為容量的），并將溫度計、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、因此在進行精確的量熱實驗時還必須據(jù)牛頓冷卻定律進行散熱修正。五 實驗內(nèi)容測定冰熔解熱的操作步驟由學(xué)生自己安排。粗選參數(shù)，先進行一次實驗，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)實驗。為進行散熱修正，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，則可由微機自動記錄關(guān)系曲線。六 注意事項 室溫應(yīng)取實驗前、后的平均值；水的初溫，可高出室溫約；配置溫水時，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機。為測準(zhǔn)，可在投冰前每隔一定時間（如）讀，取個點，再記下冰著水面的時間，即可用外推法較準(zhǔn)確地確定出。 為使溫度計示值確實代表系統(tǒng)的真實溫度，整個實驗過程中（包括讀取前）要不斷輕輕地進行攪拌（攪拌的方式應(yīng)因攪拌器的形狀而異）。 注意維護停表，使用各按鈕時動作要輕。 上課時，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)、進行實驗。七 考查題 1混合量熱法所要求的基本實驗條件是什么？本實驗是如何得到滿足的？ 2本實驗中的“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、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？投冰時應(yīng)注意什么？ 4若粗測后發(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：及何時測量？怎樣測量？ 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？作圖時對應(yīng)末溫的時刻應(yīng)如何確定？ 7哪些因素會影響測量的準(zhǔn)確性？實驗中應(yīng)怎樣注意？ 8試定性說明下述情況給的測量結(jié)果帶來的影響。（） 測之前沒有攪拌；（） 測后到投冰之前相隔了一段時間；（） 攪拌過程中有水濺出；（） 冰未拭干就投入量熱器；（） 實驗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)，它們分別對實驗結(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：在僅已知水的比熱容的條件下，測定量熱器（包括攪拌器及溫度計浸沒水中的部分）熱容的一種方法，