电热法测定比热容实验的探讨

陈华

摘要：本文通过比热容的基本概念与测量方法介绍；基于万能比热容测量装置的电热法测定比热容实验研究，证明了改良后电热法在测定比热容方面的进步性和实际应用价值。

关键词：比热容；温度；测量方法

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一、比热容的基本概念与测量方法介绍

比热容主要反映物体的热性质这一物理量，它的表示单位就是以单位质量范围内物质温度每升高1℃单位温度所吸收的热量，它的具体单位为J/（kg·℃）。比热容实验也是物理实验室内物质测量方面的基础实验之一。从物理学角度讲，比热容测量能帮助研究者了解物质的内部结构组成，同时深入掌握其物质性能，所以它在生化、轻重工业以及新能源研究方面都有涉猎。

就目前科研技术来看，测量比热容的方法主要包括了比较法、混合法、电热法等等。客观讲，这些方法虽然实用但都存在弊端。以电热法为例，它就需要通过加热电阻丝来促使待测物质升温再进行测量，这就涉及到较为复杂的电热电路，且实验过程中要同时读取电流表、电压表、温度计以及时间表等等计量仪表，不但工序复杂还容易分心，在浪费资源能量的同时也很可能无法把握测量精确性。因此需要对传统电热测定方法进行装置及思路创新改进，提出万能比热容测定装置，基于它来展开比热容实验过程。

二、基于万能比热容测量装置的电热法测定比热容实验研究

（一）实验仪器介绍及改造

所谓万能比热容测量装置就是自行改装的比热容测量仪，它的实验仪器还包括了比热容测量仪、合金电阻丝、万用电表、液体温度传感器、秒表、单刀双掷开关、直流输出电源、量筒、容量瓶、玻璃棒、导线以及胶头滴管。

该装置中主要对传统实验铝制环形搅拌棒进行了改良，希望解决铝棒吸收待测液体热量造成自升温而导致实验误差的问题，采用了新设计的手动式搅拌杯来代替搅拌棒盛装实验液体。新的搅拌杯在底部安置了电池槽，在实验过程中它可以作为容器来盛装待测液体。且搅拌杯内壁选择用PC塑料，外部则采用了防水防腐蚀的不锈钢金属材质，能够实现较好的保温特性，降低待测液体热量无端损失。在搅拌杯中还加入了两个铜电极，镍铬合金加热电阻丝，它的电阻在0℃～100℃范围内基本保持内阻值恒定不变。搅拌叶轮所采用的是静音构造，它的均匀转速可以达到250rad/s，能够将搅拌杯内部液体热量均匀分配，这就解决了传统人工搅拌棒搅拌所存在的待测液体受热不均问题。另外设备中还加入了具有良好吸热能力的泡沫绝热层以及锡箔纸，而绝热盖板的设计也能从一定程度上起到隔热保温作用，确保搅拌杯内外部热量交换的有效减少。整体来看，该搅拌杯被设计为孤立系统，但它与实验过程的联动内容还是非常丰富的。

其它步骤则和传统实验没有区别。实验搅拌杯在搅拌液体过程方面类似于家庭用榨汁机，只要按下搅拌杯手柄上的按钮就可以开启搅拌模式。在实验实践中也证明，该搅拌杯在搅拌过程中对不同位置的待测液体搅拌较为均匀，且测量数据读数相差不大。相比于传统设备的人工搅拌，待测液体的实际温度也变现得更加均匀，无论是哪一位置的液体温度读数都能代表待测液体整体温度。这样精确的测量过程也让后期实验技术处理更加方便。

（二）实验原理改良

相比于传统电热法所体现的电路既有电流及电压表并存，从某种程度上增加了实验负担，让实验读数更加复杂，容易阻碍精确测量结果的释出。这里给出传统电热法的测量公式：

对其测量公式进行改良，可以避免设备加热电阻丝电路直接连接电流表，也能极大程度降低系统能耗，减少工作量，读数也更加快捷精确。在比热容测量过程中使用上述公式，需要首先找到在一定温度范围内的恒定电阻，可以选择手工制作一段镍铬电热丝，并通过实验验证来观察电热丝的阻值变化，具体来说它的实验数据如表1。

（三）数据处理方法研究

在改进电热法来测定比热容实验过程中，应该首先基于实验装置来给出以下公式：

根據上述实验思路，可以分别测量不同质量待测液体的纯水比热容。

三、结论：

如果以纯水常温常压下的比热容标准值4.2kJ/（kg·℃）为例，一般通过上述改造设备、公式及实验方法所测量出的数值误差都能小于5%（约2.221%～2.483%范围内），测量精度较高。它基本证明了改良后电热法在测定比热容方面的进步性和实际应用价值。

参考文献：

[1]陈东生，周嘉源，钱军，宦强；混合法测固体比热容仪器的研制[J]；物理实验；2005年01期

[2]马骏；物理实验教学改革与学生创新能力培养的探讨[J]；达县师范高等专科学校学报；2003年02期