大學物理實驗-冷卻法測金屬比熱容

1、 大學物理實驗大學物理實驗(1)實驗目的實驗目的 學習使用冷卻法測量金屬比熱容。學習使用冷卻法測量金屬比熱容。 加深對比熱容、冷卻定律的理解。加深對比熱容、冷卻定律的理解。 掌握熱電偶測量溫度的原理與方法。掌握熱電偶測量溫度的原理與方法。實驗原理實驗原理 單位質量的物質，其溫度升高單位質量的物質，其溫度升高1K1K（11）所）所需的熱量叫做該物質的需的熱量叫做該物質的比熱容比熱容，其值隨溫，其值隨溫度而變化。度而變化。 tMctQ111國際單位：國際單位：J/(kgK)J/(kgK)常用單位：常用單位：cal/(kg)cal/(kg)、 J/(kg) J/(kg) 、cal/(g)cal/(g

2、) 根據冷卻定律，樣品因對流而損失的熱量根據冷卻定律，樣品因對流而損失的熱量為：為： )(SatQ0111熱交換熱交換系數系數樣品外表樣品外表面積面積樣品樣品溫度溫度環(huán)境環(huán)境溫度溫度常數常數強迫對強迫對流為流為1 1，自然對自然對流為流為1.251.25牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律- -降溫方程降溫方程: :這是一個 關于時間 的一階常微分方程。1t)(SatMc0111111對另外一金屬有：對另外一金屬有：兩式相比，整理有：兩式相比，整理有：)(SatMc0111111)(SatMc0222222)(SatM)(SatMcc0111220222111221SS 如果兩樣品形狀尺寸相同，如果兩樣品

3、形狀尺寸相同， 兩樣品表面狀況相同，周圍環(huán)境相同，兩樣品表面狀況相同，周圍環(huán)境相同， 21221112)t(M)t(Mcc那么，當周圍介質溫度不變（即室溫那么，當周圍介質溫度不變（即室溫 恒定而樣品恒定而樣品又處于相同溫度又處于相同溫度 時），上式可以簡化為：時），上式可以簡化為：0如果已知標準樣品的比熱容如果已知標準樣品的比熱容c1、質量、質量M1；待測樣品的；待測樣品的質量質量M2及兩樣品在溫度及兩樣品在溫度時冷卻速率之比，就可以求時冷卻速率之比，就可以求出待測的金屬材料的比熱容出待測的金屬材料的比熱容c2。測量樣品（測量樣品（FeFe和和AlAl）在）在100100時的比熱容。時的比熱容

4、。實驗內容實驗內容FeFeCuAlAl實驗儀器實驗儀器防護罩防護罩杜瓦杜瓦瓶瓶電烙鐵電烙鐵樣品室樣品室熱電勢熱電勢時間時間實驗步驟實驗步驟1.短接數字電壓表輸入接線柱，調零數字電壓表。短接數字電壓表輸入接線柱，調零數字電壓表。2.按實驗要求連接好加熱儀和熱電偶測試儀。按實驗要求連接好加熱儀和熱電偶測試儀。3.將實驗樣品套在容器內的熱電偶上，蓋上有機將實驗樣品套在容器內的熱電偶上，蓋上有機玻璃蓋，下降實驗架，使電烙鐵套在樣品上給玻璃蓋，下降實驗架，使電烙鐵套在樣品上給樣品加熱。把樣品加熱到樣品加熱。把樣品加熱到200（數字電壓表讀（數字電壓表讀數數8.20mV）時，斷開加熱開關。移去加熱源，）時

5、，斷開加熱開關。移去加熱源，使樣品在樣品室自然冷卻。使樣品在樣品室自然冷卻。4.記錄試驗樣品溫度從記錄試驗樣品溫度從102（數字電壓表讀數（數字電壓表讀數4.37mV）下降到）下降到98（數字電壓表讀數（數字電壓表讀數4.18mV）所需要時間）所需要時間t。5.可按鐵、銅、鋁的次序，分別測量其溫度下降可按鐵、銅、鋁的次序，分別測量其溫度下降速度，每一樣品重復測量速度，每一樣品重復測量5次。次。實驗步驟實驗步驟注意事項注意事項 取換樣品時取換樣品時, ,用鑷子拿取用鑷子拿取, ,注意不要燙到手或電注意不要燙到手或電線線 加熱器下降時注意樣品的位置加熱器下降時注意樣品的位置 測量降溫時間時，按鍵動

6、作要迅速，減小人為測量降溫時間時，按鍵動作要迅速，減小人為計時誤差計時誤差數據記錄數據記錄12345FeCuAl樣品從樣品從102102（數字電壓表讀數（數字電壓表讀數4.37mV4.37mV）下降到）下降到9898（數字電（數字電壓表讀數壓表讀數4.18mV4.18mV）所需要時間）所需要時間tt: :樣品次數時間已知樣品質量：已知樣品質量：M Mcucu=4.830g =4.830g M MFeFe= =4.028g 4.028g M MAlAl=1.500g=1.500g100 100 時銅的比熱：時銅的比熱：c ccucu=0.094 =0.094 calcal/(g)/(g)數據處理

7、數據處理1.1.對對t t取平均值，取平均值， =4 =4 ，分別計算，分別計算100 100 附近附近FeFe、CuCu、AlAl的降溫速率的降溫速率2.2.根據式（根據式（12-612-6），計算），計算FeFe、AlAl的比熱容。的比熱容。t思考題思考題1.1.比熱容的定義是什么？單位是什么？比熱容的定義是什么？單位是什么？2.2.根據式（根據式（12-612-6），測量比熱容的條件是什么？），測量比熱容的條件是什么？熱電偶測溫原理：熱電偶測溫原理： 熱電偶是利用溫差電效應制成的測溫元件，它是由兩種不同的金屬焊接而成的回路。當兩接點a、b的溫度不同時，在閉合回路中會產生電動勢，該電動勢稱

8、為溫差電動勢 。 熱電偶測溫原理圖0 TT 詳細介紹詳細介紹 兩種不同的導體或半導體兩種不同的導體或半導體A A和和B B組合成如圖所組合成如圖所示閉合回路，若導體示閉合回路，若導體A A和和B B的連接處溫度不同的連接處溫度不同（設（設T TT T0 0），則在此閉合回路中就有電流產生，），則在此閉合回路中就有電流產生，也就是說回路中有電動勢存在，這種現象叫做也就是說回路中有電動勢存在，這種現象叫做熱電效應。這種現象早在熱電效應。這種現象早在18211821年首先由西拜克年首先由西拜克（SeeSeebackback）發(fā)現）發(fā)現, ,所以又稱西拜克效應。所以又稱西拜克效應。熱電偶原理圖TT0A

9、B熱電偶回路中所產生的電回路中所產生的電動勢，叫熱電勢。動勢，叫熱電勢。熱電勢由兩部分組熱電勢由兩部分組成，即溫差電勢和成，即溫差電勢和接觸電勢。接觸電勢。熱端自由端1. 接觸電勢+ABTeAB(T)-接觸電勢的大小與溫度高低及導體中的電子密度有關。接觸電勢的大小與溫度高低及導體中的電子密度有關。AeA(T,To)ToT2. 溫差電勢 熱電偶回路熱電勢只與組成熱電偶的材料及熱電偶回路熱電勢只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關；與熱電偶的長度、粗細無關。兩端溫度有關；與熱電偶的長度、粗細無關。 導體材料確定后，熱電偶熱電勢的大小是熱端溫導體材料確定后，熱電偶熱電勢的大小是熱端溫度和冷端的函數差。度和冷端的函數差。0E TT為保證輸出熱電勢是被測溫度的單值函數，必為保證輸出熱電勢是被測溫度的單值函數，必須使冷端溫度保持恒定（一般保持須使冷端溫度保持恒定（一般保持0 ）。）。0C把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里，使把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里，使T0=0。為了避免冰水導電引起兩個連接點短路，必須把連接點為了避免冰水導電引起兩個連接點短路，必須把連接點分分別置于兩個玻璃試管里，浸入同一冰點槽，使相互絕別置于兩個玻璃試管里，浸入同一冰點槽，使相互絕緣。緣。mVABABTCC儀表銅導線