一种新型比热容测量仪

赵　敏，强晓明,章韦芳

(合肥师范学院 电子信息工程学院， 安徽 合肥　230601)



一种新型比热容测量仪

赵敏，强晓明,章韦芳

(合肥师范学院 电子信息工程学院， 安徽 合肥230601)

比热容测量实验是普通物理实验中一个重要的基础性实验，常采用混合法测量，目前所用仪器产生的误差较大，导致实验结果偏离理论值较远.本文给出一种混合法测量比热容的新仪器，具有热交换快、测温准确、热损失少且可计算等特点.实践证明，用该仪器测量固体比热容可大幅提高测量精度，改善实验操作性.

比热容；混合法；热交换

比热容是单位质量物质升高(或降低)单位温度所吸收(或放出)的热量，是热力学研究中和工程应用中一个非常重要的物理参量.比热容的测定对了解物质结构，确定物质相变及新能源和新材料的研制有着重要作用.目前测量比热容常用的方法有混合法[1]、冷却法[2]、电热法[3].由于混合法原理清晰，实验装置简便，目前使用最为普遍.

现用固体比热容测量仪器的主体部分是量热器，量热器由保温筒、內筒、温度计、搅拌器等组成.利用热平衡原理进行测量，在绝热容器内，高温物体放出的热等于低温物体吸收的热量.在保温内筒里，以已知比热容的水作为低温物体，投入高温物体,当系统达到热平衡时，即可求出高温物体的比热容.在以往的教学实践中发现量热器普遍存在如下几方面问题： 1) 高温物体和水达到热平衡的热交换时间过长，对外散热较多； 2) 水的导热性较差,吸热后虽经搅拌，温度分布仍不很均匀，造成水温测量不准；3) 高温物体用蒸汽或水热等方法加热到较高温度[5]，在移入量热器过程中不可避免的存在热损失；4) 保温筒和内筒等吸热较大,使热损失增加.以上这些原因，导致学生实验结果往往误差过大，难以满足教学需要.

1　新型固体比热容测量仪结构和使用方法

1.1仪器设计思路及结构介绍

针对以上问题我们设计一种新型的比热容测量仪(中国专利号ZL201220114983.8)，其特点主要是：1) 通过减少水的质量和改变水的形状，大幅度减少达到热平衡所需的热交换时间，热交换时间控制在5分钟左右，从而大大降低散热损失；2) 改变水的形状为一个薄层，使高低温物体与水尽可能增加接触面积，改善水的温度分布均匀性，以便准确测定水温；3) 采用导热性能良好的金属材料作为高温物体，同时分别在高、低温物体上设置温度传感器，实时测量并显示温度，高温物体移动过程的散热便可解决，而且便于估算热损失；4) 采用隔热性能良好的材料制成保温筒，极大减小热损失.

图1　比热容测量仪结构图

仪器主体部分如图1所示，3为下部突起的圆柱形加热块、5为深度较浅的承物盘，4内可存放一薄层液体.加热块和承物盘由同一种导热性能良好的铝制材料构成，其内部分别设置温度传感器.6为保温筒，加热块顶部有提手1，保温筒盖2松套在提手上，提手、保温筒、保温筒盖皆由隔热材料构成.加热块、承物盘与保温筒之间留有间隙，利用空气提升隔热效果.

1.2仪器使用方法

首先确定测温探头已插入加热块3、承物盘5.将已知重量的水倒入置放在保温筒内的承物盘.旁设一加热台，对加热块进行加热，待加热块达到预定温度，关掉加热开关，将其提起，置于承物盘上方.记下加热块和承物盘合到一起前一瞬间各自的温度，然后将两者合到一起，保温筒盖与保温筒闭合以隔热.以后每隔一定时间(如10 s)记录一次加热块和承物盘的温度.当高低温物体温度达到一致，系统达到了热平衡.再延续纪录温度数十秒以估算系统对外散热量.已知液体比热容、加热块、承物盘的质量后，即可通过测量结果计算出加热块和承物盘的比热容.作为拓展内容在承物盘内放入其他液态或固态物质，可用同样方法测其比热容.

2　实验结果及分析

实验过程中温度变化如表1及图2所示.

表1　各块温度随时间变化表

图2　温度随时间变化图

加热块质量m1=120.2 g，承物盘质量m2=39.7 g，水的质量m3=5.94 g，水的比热容为c0=4.2 J/(g·℃).加热块初始温度T10=80.0 ℃，水和承物盘的初始温度T20=19.0 ℃，加热块、承物盘和水在ta=260 s时刻达热平衡，三者温度达到一致T1=T2=50.5 ℃，继续散热一段时间，tb=300 s时刻三者温度同为T3=49.7 ℃.在实际实验过程中，即使采取了隔热措施，系统仍会向外散失热量，因此当在处于平衡时，系统已向外散失了热量ΔQ.根据热平衡原理：

m1c(T10-T1)=m2c(T1-T20)+m3c0(T1-T20)+ΔQ

(1)

ΔQ数值估算：假设系统在时刻0至ta这段时间里对外界的平均散热程度近似的等于ta至tb这段时间里对外界的平均散热强度，则

(2)

根据式(1)、式(2)可计算出所求固体的比热容:

0.893 J/(g·℃)

(3)

与理论值相对误差为

(4)

3　结束语

本文提出的创新结构的新型比热容测量仪，与现有仪器相比，具备显著的不同特点，可以克服现有仪器的各种主要的不足之处，并且通过以上数据处理可以看出，

该仪器的测量精度非常高. 该仪器已

经我院学生数年的实际使用，性能优良，测量精度高，完全能够满足教学要求，具备普遍推广应用的价值.

[1]杨述武，赵立竹，沈国土.普通物理实验(力学、热学)[M].北京：高等教育出版社，2007：162-166.

[2]韩修林，孙梅娟，丁智勇.固体比热容测定实验的研究[J].大学物理实验,2010,23(6):12-15.

[3]吕建伟，鄢玉霞，宦强，等.电热法测固体比热容实验的改进[J].物理实验，2001,21(9):10-12.

[4]潘福东，赵子珍，张欣蕊，等.热电法测固体比热容实验装置[J].实验技术与管理，2012,29(3)：67-70.

[5]刘长虹，姚久明，王玉颖.混合法测量固体比热容实验的改进[J].唐山师范学院学报，2007,29(5)：23-25.

A new type of heat capacity measurement instrument

ZHAO Min, QIANG Xiao-ming, ZHANG Wei-fang

(School of Electronic Information and Engineering, Hefei Normal University, Hefei, Anhui 230601, China)

Specific heat capacity measurement is an important basic experiment. The hybrid method is often used to measure, but the present instrument leads to a large error of experiment result. This paper proposes a hybrid method of measuring heat capacity of the new instrument, which has quick heat exchange, temperature measurement accuracy, less heat loss as well as the characteristics can be calculated, etc. The instrument improves accuracy of determination measurement and is easy to operate.

specific heat capacity；hybrid method；heat exchange

2015-01-19；

2015-09-21

大学物理及实验教学团队(2014jxtd029)资助

赵敏(1980—)，女，山西祁县人，合肥师范学院讲师，硕士，主要从事物理实验教学和薄膜材料研究工作.

物理实验

O 551.1

A

1000- 0712(2016)02- 0030- 02