改进液体比热容实验装置和测量方法研究

陈赛艳

摘要：本文改进了电热法测量液体比热容的实验装置和测量方法，使实验更为简单。利用改进后的实验装置和测量方法，我们测量了水的比热容，实验证明，用该装置测定液体的比热容具有很好的确度。

关键词：液体比热容；改进；测定；实验装置

中图分类号：O4-33 G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）37-0265-02

一、引言

比热容是单位质量的物质温度升高1℃时需吸收的热量，它的测量是物理学的基本测量之一，属于量热学的范畴。量热学在许多领域都有广泛应用，特别是在新能源的开发和新材料的研制中，量热学的方法是不可缺少的。比热容的测量方法很多，如：混合法、冷却法、比较法等[1]。本实验采用的是比较法中的一种——电热法测定液体的比热容。单量热器加热装置是电热法测量液体比热容的实验中常用的，在测量过程中由于搅拌器的搅拌作用使回路中的电流不太稳定，这无疑影响了测量结果的准确度。而用比较法测量液体的比热容时，为了消除因电阻的不同而产生的系统误差，需要进行交换测量[2]。同时，温度的测量一般采用的是酒精温度计，存在温度读取误差大、读数不方便、单次测量引入随机误差的可能性大等诸多不良因素[3-6]。针对上述问题，本文改进了测定液体比热容的实验装置和测量方法，并使用改进后的实验装置和方法测量了水的比热容，实验证明，测量的准确度有了很大的提高。

二、实验装置

常用的测量液体比热容的实验装置中的搅拌装置是一根铝制环形搅拌棒，用该搅拌棒进行搅拌时，搅拌不均匀，且环形搅拌棒只能近似贴着杯壁上下运动。因此，待测液體的温度很不均匀，量热器内液体的温度差可达0.5℃，由此可见，温度计测出的温度并不能代表该待测液体的真实温度[7]。同时，在测量过程中，铝棒本身的温度也会上升，这进一步加大了实验误差。因此，我们对该装置的这些不足进行了改进：使用带自动搅拌机的搅拌杯来作为承装实验液体的容器。该搅拌杯通过电缆线与测定仪相连接，进行实验时，只要按下测定仪上的“搅拌”按钮，搅拌器就会自动搅拌。同时，我们采用温度传感器来测量温度，减少了读取温度计的读数时产生的误差。利用改进后的实验装置，我们测量了水的比热容，通过实验，我们可以得到，使用改进后的实验装置和测量方法进行实验时，搅拌非常均匀，搅拌杯中不同位置的液体温度相差非常小。与原设备相比，液体的温度相对均匀了很多，这样，从液体中任意位置测出的温度都可以代表待测液体整体的温度，且利用温度传感器测出的温度更加准确，这使得测量结果的准确度有了很大提高。

三、实验公式

如图1所示，在量热器中装入质量为m，比热容为c 的待测液体（如水），当通过电流I时，根据焦耳-楞次定律，量热器中电阻产生的热量为

Q=IUt （1）

式中，I为电流强度，U为电压，t为通电时间。

如果量热器中水（包括量热器及其附件）的初始温度为T ，在吸收了加热器释放的热量Q后，终了的温度为T 。m 为不锈钢量热器内筒的质量，c 为其比热容，搅拌器和温度传感器等用水当量ω表示，水的比热容为c ，则有

IUt=（m c +m c +ωc ）（T -T ）

c = -m c /（m +ω） （2）

不锈钢在25℃时的比热容c 为0.120cal·g-1·℃-1（或0.502J·g-1·℃-1），水在25℃时的比热容c 为0.9970cal·g-1·℃-1（或4.173J·g-1·℃-1）。本量热器的水当量ω=6.68g。

四、实验数据及处理

采用改进后的实验装置，我们测量了水的比热容，具体的测量数据如表1所示。

c = -m c /（m +ω）

= -69.9×0.502/（150+6.68）

=4.193（J·g ·℃ ） （3）

E = ×100%= ×100%=0.48% （4）

由上面的计算，我们可以看出，水的比热容的相对误差为0.48%，小于1%，该结果说明，改进后的实验装置和测量方法具有非常高的精确度，说明改实验装置和实验方法具有很好的精度。

结束语

本文对以往的电热法测定比热容的实验装置和测量方法进行了改进，并利用改进后的实验装置和方法测量了水的比热容，实验发现，利用改进后的实验装置和方法测量水的比热容具有很高的精度，这在实际应用上具有一定的价值。

参考文献：

[1]李书光，王殿生.物理实验教程[M].东营：中国石油大学出版社，2006：90-95.

[2]王文周.对电流量热器法测定液体比热容实验的改进[J].物理实验，2001，21（8）：38-39.

[3]阎向宏，张亚萍.电热法测液体比热容实验的改进[J].大学物理，1997，16（7）：23-24.

[4]张荣鹏，何中凯.气体比热容比的实时测量和数学分析[J].实验室研究与探索，2005，24（1）：72.

[5]赵小明，刘志刚.液体定压比热容的理论推算[J].工程热物理学报，1996，17（1）：17.

[6]赵小明，陆世豪.准稳态法测量液体比热容的实验研究[J].工程热物理学，2004，25（增刊）：24.

[7]李磊，付睿丽，马镛，吴修治.改进电热法测定比热容实验的研究[J].大学物理实验，2014，27（4）：63-65.