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1、关于实验五冰的熔化热的测定混合法第1页，讲稿共21张，创作于星期日实验五、冰的熔化热的测定（混合法）实验五、冰的熔化热的测定（混合法）实验目的实验目的实验内容实验内容实验重点实验重点实验仪器设备及材料实验仪器设备及材料实验装置实验装置实验原理实验原理实验步骤实验步骤思考思考第2页，讲稿共21张，创作于星期日一、实验目的一、实验目的 1.1.学习温度和热量的初步测定方法，掌握用混合法学习温度和热量的初步测定方法，掌握用混合法 测定冰的熔解热。测定冰的熔解热。2.2.学习用牛顿冷却定律补偿散热。学习用牛顿冷却定律补偿散热。二、实验内容二、实验内容 学习温度和热量的初步测定方法，掌握用混合学习温度和
2、热量的初步测定方法，掌握用混合 法测冰的熔解热。法测冰的熔解热。三、实验重点三、实验重点 1.1.学习用牛顿冷却定律补偿散热。学习用牛顿冷却定律补偿散热。2.2.掌握对测量结果的标准不确定度进行评定。掌握对测量结果的标准不确定度进行评定。四、实验主要仪器设备及材料四、实验主要仪器设备及材料 分析天平，量热器分析天平，量热器 ，温度计，烧杯，水，电热杯，冰，温度计，烧杯，水，电热杯，冰箱箱,量筒量筒,搅拌器，秒表，镊子。搅拌器，秒表，镊子。第3页，讲稿共21张，创作于星期日第4页，讲稿共21张，创作于星期日 五、量热器五、量热器 量热器种类很多，因测量目的不同，有不同结构量热器种类很多，因测量目
3、的不同，有不同结构.本实验如本实验如图所示：由绝热材料制成的外筒图所示：由绝热材料制成的外筒和由良导体材料制成的内筒和由良导体材料制成的内筒构成构成.容纳液体的内筒固定在由保温材料构成的绝热架容纳液体的内筒固定在由保温材料构成的绝热架上，上，外筒口用胶木盖外筒口用胶木盖盖住，胶木盖的中央孔用来插温度计盖住，胶木盖的中央孔用来插温度计，旁，旁边的小孔用来插搅拌器边的小孔用来插搅拌器.量热器这种内外筒封闭结构减少了对量热器这种内外筒封闭结构减少了对流和热传导，内筒壁又很光洁减少了热辐射，从而减少了筒内液流和热传导，内筒壁又很光洁减少了热辐射，从而减少了筒内液体与周围环境的热交换体与周围环境的热交换
4、.第5页，讲稿共21张，创作于星期日六、实验原理六、实验原理 1 1、用混合法测定冰的熔解、用混合法测定冰的熔解 在一定的压强下，晶体熔解过程中的温度在一定的压强下，晶体熔解过程中的温度(称为熔点称为熔点)是不变是不变的。单位质量的某种晶体熔解成同温度的液体所吸收的热量的。单位质量的某种晶体熔解成同温度的液体所吸收的热量称为该晶体的熔解热。熔解热用称为该晶体的熔解热。熔解热用表示，单位为表示，单位为J Jkgkg。混合量热法就是将待测子系统混合量热法就是将待测子系统(在本实验中是冰块在本实验中是冰块)和和已知热容为已知热容为 的子系统的子系统(在本实验中是量热器内筒、搅在本实验中是量热器内筒、
5、搅拌器、温度汁浸没在水中的部分及水拌器、温度汁浸没在水中的部分及水)混合，混合，和和组成组成一个近似与外界无热交换的孤立系统，根据热平衡原理，一个近似与外界无热交换的孤立系统，根据热平衡原理，于是于是放出的热量放出的热量 全部被全部被吸收，这就是混合吸收，这就是混合量热法的基本原理。量热法的基本原理。第6页，讲稿共21张，创作于星期日 设冰块的质量为设冰块的质量为M M、温度为、温度为 (本实验只测温度差，因此本实验只测温度差，因此单位用单位用方便，且在实验室条件下，冰块从冰水混合物中方便，且在实验室条件下，冰块从冰水混合物中取出时取出时 =0)=0)，与质量为，与质量为m m、温度为、温度为
6、 的水混合。冰全部的水混合。冰全部熔解后系统达到热平衡时的温度为熔解后系统达到热平衡时的温度为 。量热器内筒和搅拌器。量热器内筒和搅拌器的质量分别为的质量分别为 和和 ，比热容分别为，比热容分别为 和和 ，水的比热容为，水的比热容为 ，温度计的热容为，温度计的热容为C Cw w。由混合量。由混合量热法的基本原理得到热法的基本原理得到 因此冰的溶解热为因此冰的溶解热为 (1)(1)第7页，讲稿共21张，创作于星期日 温度计的热容温度计的热容C Cw w可这样计算：水银温度汁由玻璃（密度可这样计算：水银温度汁由玻璃（密度 ，比热容为，比热容为 J/(kg)J/(kg)和水银（密度为和水银（密度为
7、，比热容为，比热容为 J/(kg)J/(kg)），根据热容），根据热容 ，两者，两者的比热容与密度的乘积基本相同，的比热容与密度的乘积基本相同，那么那么温度汁浸入液体部分温度汁浸入液体部分的体积的体积V(V(立方米单位立方米单位)对应的热容为对应的热容为 （2 2）将此值代人将此值代人(1)(1)式，并取式，并取 J J(kg)(kg)，00，和和 都取摄氏度，可得都取摄氏度，可得 (3)(3)第8页，讲稿共21张，创作于星期日 2 2、根据牛顿冷却定律补偿散热、根据牛顿冷却定律补偿散热 a.a.牛顿冷却定律牛顿冷却定律 热量的测量是热学中的另一个基本测量热量的测量是热学中的另一个基本测量.当
8、系统由于吸收当系统由于吸收(或或放出放出)一微小热量一微小热量d dQ Q 而温度升高或降低而温度升高或降低 ，这个量，这个量C C 就定义为该系统的热容就定义为该系统的热容.实验中测出实验中测出 ，在，在已知系统的热容情况下就可测出系统吸收已知系统的热容情况下就可测出系统吸收(或放出或放出)的热量的热量.在在一些实验中，为了测量实验系统内各个子系统之间的热量一些实验中，为了测量实验系统内各个子系统之间的热量交换，要求整个实验系统为一个与外界无热量交换的孤立交换，要求整个实验系统为一个与外界无热量交换的孤立系统系统.量热器量热器(参见本实验的装置介绍参见本实验的装置介绍)就是为此而设计的实验就
9、是为此而设计的实验装置，但量热器只能使实验系统粗略地接近一个孤立系统，装置，但量热器只能使实验系统粗略地接近一个孤立系统，因此应该估计实验过程中系统从外界环境中吸收因此应该估计实验过程中系统从外界环境中吸收(或放出或放出)的热量及其对实验结果的影响。的热量及其对实验结果的影响。第9页，讲稿共21张，创作于星期日 当系统与外界环境的温度差相当小的情况下，系统单位当系统与外界环境的温度差相当小的情况下，系统单位时间内散失的热量时间内散失的热量 与系统温度与系统温度 和环境温度和环境温度 的差成正的差成正比，数学表达式为比，数学表达式为 （4 4）这就是从大量实验总结出来的牛顿冷却定律。式中这就是从
10、大量实验总结出来的牛顿冷却定律。式中k k为散为散热系数，其数值与系统表面的热辐射本领和面积有关，在系统表热系数，其数值与系统表面的热辐射本领和面积有关，在系统表面状态变化不大的情况下，面状态变化不大的情况下，k k为一常量为一常量.设系统的热容为设系统的热容为C C，即，即 ，(4)(4)式还可写成：式还可写成：(5)(5)式中式中 称为系统的冷却速率。称为系统的冷却速率。第10页，讲稿共21张，创作于星期日b.b.补偿散热补偿散热 混合量热法要求实验系统应该是一个孤立系统。除了使用混合量热法要求实验系统应该是一个孤立系统。除了使用量热器外，在实验操作过程中应注意：不要用手握量热器；量热器外
11、，在实验操作过程中应注意：不要用手握量热器；在远离热源及空气流动太快的地方进行实验；不能随便打开在远离热源及空气流动太快的地方进行实验；不能随便打开量热器的盖子；尽可能使系统与外界温差小；尽量使实验迅量热器的盖子；尽可能使系统与外界温差小；尽量使实验迅速完成等。即使这样，实验过程中无法达到系统与外界完全速完成等。即使这样，实验过程中无法达到系统与外界完全绝热，量热器内筒还会与周围环境有热交换。因此我们需要绝热，量热器内筒还会与周围环境有热交换。因此我们需要根据牛顿冷却定律对散热进行修正。根据牛顿冷却定律对散热进行修正。第11页，讲稿共21张，创作于星期日 设量热器内筒及筒内的水、冰块、搅拌器等
12、为系统，系统表设量热器内筒及筒内的水、冰块、搅拌器等为系统，系统表面的温度（即量热器内筒的温度，可近似为筒内水的温度）为面的温度（即量热器内筒的温度，可近似为筒内水的温度）为。设量热器内筒以外即为环境，环境的温度设量热器内筒以外即为环境，环境的温度 可近似认为不变。可近似认为不变。当当 时，时，系统向环境散热；，系统向环境散热；当当 时，时，系统从环境吸热。，系统从环境吸热。我们根据牛顿冷却定律，选择合适的系统初温我们根据牛顿冷却定律，选择合适的系统初温 和终温和终温 ，使，使 ,而而 ,并使整个实验过程中系统与环境并使整个实验过程中系统与环境之间的散热与吸热的代数和为零，使系统的散热得到补偿
13、。之间的散热与吸热的代数和为零，使系统的散热得到补偿。第12页，讲稿共21张，创作于星期日 在实验过程中，刚投在实验过程中，刚投入冰时，水温高，冰块与入冰时，水温高，冰块与水的接触面积大，熔解快，水的接触面积大，熔解快，水温下降也快。随着冰的水温下降也快。随着冰的不断熔化，冰块逐渐变小，不断熔化，冰块逐渐变小，水温变低，冰熔解放慢，水温变低，冰熔解放慢，水温下降也慢。量热器内水温下降也慢。量热器内筒的温度筒的温度 (即简内的水即简内的水温温)随时间随时间t t变化的曲线如变化的曲线如图所示图所示:与量与量热器内筒温度所对应的时热器内筒温度所对应的时刻分别为刻分别为 第13页，讲稿共21张，创作
14、于星期日 根据根据(4)(4)式，系统温度从式，系统温度从 变为变为 这段时间系统向外界散这段时间系统向外界散失的热量：失的热量：系统温度从系统温度从 变为变为 这段时间系统从外界吸收的热量这段时间系统从外界吸收的热量:从图从图3.1-13.1-1可知面积可知面积 ,面积面积 。因此因此 ，。如果。如果 ，系统的散热和吸热就前，系统的散热和吸热就前后抵消。而要使后抵消。而要使 ，关键在于选择适当的，关键在于选择适当的 和和 。因此可设。因此可设计几组计几组 和和 都不同的条件下进行实验，并测出它们各自的都不同的条件下进行实验，并测出它们各自的t t图线，选其中图线，选其中 最接近最接近 的那组
15、实验数据代人的那组实验数据代人(3)(3)式来计式来计算算 。第14页，讲稿共21张，创作于星期日七、实验步骤七、实验步骤1.1.将量热器内筒和搅拌器擦干，分别称出质量将量热器内筒和搅拌器擦干，分别称出质量 和和 ，如果，如果两者材料相同可直接称总质量两者材料相同可直接称总质量 ，记录室温，记录室温 。2.2.取比室温高出取比室温高出1515左右的纯净水注入量热器内筒左右的纯净水注入量热器内筒(水温可用水温可用质量不同的冷水与热水相混合的方法来调节质量不同的冷水与热水相混合的方法来调节)，使水约占内筒，使水约占内筒容积的容积的2/3 2/3。称出水与内筒、搅拌器的总质量。称出水与内筒、搅拌器的
16、总质量 。将内筒放在绝热架上，插好搅拌器和温度计，盖好胶木。将内筒放在绝热架上，插好搅拌器和温度计，盖好胶木盖。盖。3.3.轻轻搅拌内筒里的水，熟悉温度计的读数方法轻轻搅拌内筒里的水，熟悉温度计的读数方法(视线应正对视线应正对水银柱上端，对于分度值为水银柱上端，对于分度值为0.10.1的水银温度计，应估读到的水银温度计，应估读到0.01)0.01)。从盛有冰水混合物的冰箱中，用竹夹子取出一小块。从盛有冰水混合物的冰箱中，用竹夹子取出一小块冰冰(0.01kg(0.01kg左右左右 )，用纱布将冰决上的水吸干后，在将冰投入，用纱布将冰决上的水吸干后，在将冰投入内筒前的一瞬间记下水的初温内筒前的一瞬
17、间记下水的初温 及初始时刻及初始时刻 。注意投冰。注意投冰要快速、小心，不要溅出水珠，再迅速盖好胶木盖。要快速、小心，不要溅出水珠，再迅速盖好胶木盖。第15页，讲稿共21张，创作于星期日4.4.用搅拌器轻轻搅拌水的同时，每隔一定时间用搅拌器轻轻搅拌水的同时，每隔一定时间(如如5s)5s)记录记录下相应的水温。所测的最低温度就是系统的终温下相应的水温。所测的最低温度就是系统的终温 ，与对，与对应的时刻就是终了时刻应的时刻就是终了时刻 。时刻以后，系统将从外界吸时刻以后，系统将从外界吸收热量以致温度回升。收热量以致温度回升。5.5.取出温度计取出温度计(避免带出水珠避免带出水珠)，用小量筒测出它浸
18、入水中的，用小量筒测出它浸入水中的体积体积V V 。称出熔解后冰、水、内筒和搅拌器的总质量。称出熔解后冰、水、内筒和搅拌器的总质量 。6.6.要实现散热补偿，重新选择要实现散热补偿，重新选择M M，m m和和 ，重复再测，重复再测2 2次。用坐次。用坐标纸绘出标纸绘出3 3次实验的次实验的 t t图线，计算坐标纸的格子数以估算图线，计算坐标纸的格子数以估算 和和 ，选取，选取 与与 最接近的那组数据代入最接近的那组数据代入(3)(3)式计算式计算 ，为溶解热的最佳测得值。，为溶解热的最佳测得值。第16页，讲稿共21张，创作于星期日7.7.测量结果的标准不确定度的估算：测量结果的标准不确定度的估
19、算：由（由（3 3）式）式得知得知 实验水的放热远大于量热器内筒、搅拌器、温度计浸没实验水的放热远大于量热器内筒、搅拌器、温度计浸没部分的放热，（部分的放热，（3 3）式可简化为：）式可简化为：第17页，讲稿共21张，创作于星期日8.数据表格记录数据表格记录表表1 1次数12345第18页，讲稿共21张，创作于星期日表表2 2 t t关系数据（关系数据（3 3组格式相同）组格式相同）计时t(s)0开始计时1015水温()高于室温15加冰 前室温第19页，讲稿共21张，创作于星期日八、思考题八、思考题1.1.混合量热法应保证什么实验条件混合量热法应保证什么实验条件?本实验的本实验的“热学系统热学
20、系统”由哪由哪些研究对象组成些研究对象组成?2.2.实验时为什么不先直接称出冰块的质量实验时为什么不先直接称出冰块的质量?3.3.为什么把冰块投入量热器内筒前，必须吸干冰上面的为什么把冰块投入量热器内筒前，必须吸干冰上面的 水水?若冰中带水或水没有被吸干就投入，测出的熔解热若冰中带水或水没有被吸干就投入，测出的熔解热 是偏大还是偏小是偏大还是偏小?若投冰或搅拌过程中把水溅出，测出若投冰或搅拌过程中把水溅出，测出 的熔解热是偏大还是偏小的熔解热是偏大还是偏小?4.4.为什么把最低温度当作冰熔解完时系统的温度为什么把最低温度当作冰熔解完时系统的温度?为什么不能打开为什么不能打开盖子看冰是否熔解完盖子看冰是否熔解完?第20页，讲稿共21张，创作于星期日感感谢谢大大家家观观看看第21页，讲稿共21张，创作于星期日