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实验十二冷却法测量金属比热容
一实验目的
掌握用冷却法测定金属的比热容,测量金属在室温至200℃温度时的比热容。
2 了解金属的冷却速率与环境之间的温差关系,以及进行测量的实验条件。
二实验原理
单位质量的物质,其温度升高或降低1K(1℃)所需的热量,叫做该物质的比热容,其值随温度而变化。根据牛顿冷却定律,用冷却法测定金属的比热容是量热学常用方法之一。若已知标准样品在不同温度的比热容,通过作冷却曲线可测量各种金属在不同温度时的比热容。本实验以铜为标准样品,测定铁、铝样品在100℃或200℃时的比热容。将质量为的金属样品加热后,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()与温度下降的速率成正比,于是得到下述关系式:
(1)
式中为该金属样品在温度时的比热容,为金属样品在的温度下降速率,根据冷却定律有:
(2)
式中为热交换系数为该样品外表面的面积,m为常数,为金属样品的温度,为周围介质的温度。由式(1)和(2),可得
(3)
同理对质量为,比热容为的另一种金属样品,可有同样的表达式:
(4)
由(3)和(4)式,可得:
(5)
所以(6)
如果两样品的形状尺寸都相同,即;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(即室温恒定而样品又处于相同温度)时,上式可以简化为:
(7)
如果已知标准金属样品的比热容质量;待测样品的质量及两样品在温度时冷却速率之比,就可以求出待测的金属材料的比热容。几种金属材料的比热容见表1,实验装置(图1所示)。
表1
比热容
温度
100℃



三实验内容
用铜一康铜热电偶测量温度,而热电偶的热电势采用温漂极小的放大器和三位半数字电压表,经信号放大后输入数字电压表显示的满量程为20mV,读出的mV数查表即可换算成温度。
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。再根据这一特点,把它们区别开来。
图1冷却法测量金属比热容实验装置
使热电偶端的铜导线数字表的正端相连;冷端铜导线与数字表的负端相连。当本隔绝的有机玻璃圆筒内自然冷却(筒口须盖子)。当温度降到接近102℃时开始记录,测量样品102℃下降到98℃所需要时间。按铁、铜、铝的次序,分别测量其温度下降速度,每一样品得重复测量5次。因为各样品的温度下降范围相同(Δθ=102℃-98℃=4℃)所以公式(7)可以简化为:
(8)
仪器红色指示灯亮,表示连接线未连好或加热温度过高(超过200℃)已自动保护。
注意: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。
四实验数据
例:样品质量:。热电偶冷端温度:0℃样品由120℃下降到98℃所需时间(单位为S)
表2
次数
样品
1
2
3
4
5
平均值
Fe






Cu






A





13.