物理實驗二冰的溶解熱的測定

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1、實驗二 冰的溶解熱的測定 【實驗?zāi)康摹? 1．掌握熱學(xué)兩個基本量-------溫度與熱量的測量方法。 2．學(xué)習(xí)用混合法測定冰的溶解熱。 3．了解修正散熱的方法。 【實驗儀器】 量熱器、物理天平、溫度計、吸水紙、量筒、燒杯。 【實驗原理】 在一定的壓強下，對晶體加熱，晶體升高到一定的溫度才溶解。這個溫度稱為晶體的溶點。在整個溶解過程中，晶體需要吸收熱量，但是溫度卻保持不變。晶體全部溶解成液體以后，仍然繼續(xù)加熱，溫度才會上升。單位質(zhì)量的某一晶體在溶點溶解成液體所需吸收的熱量，叫做該晶體的溶解熱。 本實驗根據(jù)熱平衡原理，用混合量熱法測定冰的溶解熱。混合量熱法的基本做法是將待測系統(tǒng)A

2、與一個已知熱容的系統(tǒng)B相混合，組成一個系統(tǒng)，并設(shè)法使它成為一個與外界沒有熱量交換的孤立系統(tǒng)。A（或B）所放出的熱量全部為B（或A）所吸收。因為已知熱容的系統(tǒng)在實驗過程中所傳遞的熱量Q是可以由其溫度的改變和其熱容計算出來的，即，因此待測系統(tǒng)在實驗過程中所產(chǎn)生的熱量也就知道了。實驗中把一定量的冰放在一定量的水中，由水溫的變化來求得冰的溶解熱。 若將質(zhì)量為M的水放入量熱器的內(nèi)筒，有水、內(nèi)筒、攪拌器和溫度計組成已知熱容的系統(tǒng)B，測出其溫度，再將質(zhì)量為m、溫度為的純冰放入內(nèi)筒，冰就是待測系統(tǒng)A。使兩系統(tǒng)混合，冰吸收熱量全部溶解成水，最后兩系統(tǒng)達到熱平衡，測出它們最終的溫度。在此過程中，冰由溶解并升溫

3、到，所吸收的總熱量為，其中L為冰的溶解熱，為水的比熱容。若量熱器內(nèi)筒及攪拌器材料相同，質(zhì)量為，比熱容為，則該系統(tǒng)在實驗中放出的熱量為。當系統(tǒng)與外界的熱交換可以忽略時，B放出的熱量等于A吸收的熱量，即 （1） 或 （2） 式中為溫度計插入水中部分的熱容，V為溫度計插入水中部分的體積，單位用。由（2）式可得冰的溶解熱為 （3） 這就是求冰的溶解熱的公式。 導(dǎo)出公式（1

4、）時，我們是假定系統(tǒng)為一孤立系統(tǒng)的，但實際上并非如此。只要系統(tǒng)與外界之間有溫差，兩者就有熱量交換。溫差越大，實驗時間越長，交換的熱量就越多。為了減小誤差，要盡可能減小兩者之間的溫差并且加快實驗進程；注意不要直接用手握量熱器的任何地方，不要在陽光直接照射下或空氣流動太快的地方進行實驗；冬天不要在火爐或暖氣旁實驗。 盡管如此，仍不能使系統(tǒng)成為真正孤立的系統(tǒng)。因此，作精密測量時就需要采用一些辦法，以求出實驗過程中系統(tǒng)散失或吸收的熱量。在系統(tǒng)與環(huán)境溫度差不大時，這種修正是根據(jù)牛頓冷卻定律來進行的。由牛頓定律知，當系統(tǒng)溫度與外界溫度相差不大時，系統(tǒng)散熱速度與溫度成正比，即

5、 （4） 式中K是比例常數(shù)，稱為散熱系數(shù)，其大小與系統(tǒng)的表面積和表面的熱輻射本領(lǐng)有關(guān)。 圖1是系統(tǒng)的冷卻曲線（溫度隨時間變化的關(guān)系曲線）。圖中為外界溫度，和分別為系統(tǒng)的初始溫度和最終溫度。由圖可見，在時間段內(nèi)，系統(tǒng)溫度高于外界溫度，即，系統(tǒng)釋放熱量為，根據(jù)（4）式可得 圖1 （5） 在段，系統(tǒng)溫度低于外界溫度，，系統(tǒng)從外界吸收熱量為，則 （6） 在這段時間內(nèi)，系統(tǒng)溫度從降到，它與外界交換的總熱量為

6、 （7） 將（5）、（6）代入（7），得 （8） 由圖1可知，積分和分別為面積和。若能使，則，即在實驗過程中系統(tǒng)對外界的散熱和吸熱相互抵消，總的效果相當于系統(tǒng)與外界并無熱量交換，從而相當于一個孤立系統(tǒng)。 由此可見，實驗時使系統(tǒng)的初始溫度高于外界溫度，而使其最終溫度低于，就可以設(shè)法使整個實驗過程中系統(tǒng)與環(huán)境間的熱量傳遞前后彼此抵消。 考慮到剛投入冰塊時，水溫高，冰的有效面積大，降溫快，隨著水溫下降，冰塊變小，降溫會越來越慢。所以使，必須。至于高出多少才合適，可在實驗中通過預(yù)選數(shù)據(jù)的分析

7、而定。 【實驗內(nèi)容與步驟】 秤出量熱器內(nèi)筒及攪拌器的質(zhì)量。 測定水的質(zhì)量。在內(nèi)筒中裝入溫水，水約占內(nèi)筒容積的，稱出內(nèi)筒、攪拌器和水的總質(zhì)量，測得水的質(zhì)量。 測出冰在溶解過程中水溫與時間的關(guān)系。 完成上述稱衡后，從冰水混合物中取出的純冰，冰要透明，無氣泡，質(zhì)量約為溫水質(zhì)量的，用吸水紙吸干冰表面的水，測出內(nèi)筒水溫和對應(yīng)時間，立即將冰塊投入內(nèi)筒，蓋上絕熱蓋，以后輕輕攪拌，每隔20秒記錄一次水溫和對應(yīng)時間，直到水溫不再下降為止，記錄下最低溫度和對應(yīng)時間。 測量內(nèi)筒、攪拌器及水的總質(zhì)量，算出冰的質(zhì)量。 測得玻璃水銀溫度計的熱容量。 玻璃的比熱容為，密度為，水銀的比熱容為，密度為。因此的玻

8、璃的熱容為，得水銀的熱容為，兩者可認為近似相等。所以式（3）中溫度計的熱容為。用盛水的小量筒量出水銀溫度計浸入水中部分的體積V，就可以算出它的熱容。 將測出的有關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3），算出冰的溶解熱。 冰在一個大氣壓下的溶解熱為。分析數(shù)據(jù)和實驗誤差，重新選擇適當?shù)?，溫水及冰的質(zhì)量，再做一次。 【實驗數(shù)據(jù)處理】 表一 質(zhì)量 總質(zhì)量 水質(zhì)量 總質(zhì)量 冰的質(zhì)量 表二 加冰前水溫 時間 冰溶解過程中溫度 加冰后水最低溫 時間 0s 20s 40s 60s 80s 100s 120s …… 表三 溫度計的熱容 浸入水中溫度計的體積V 浸入水中溫度計吸收的熱量Q 【分析與討論】 為什么要設(shè)法使實驗系統(tǒng)成為孤立系統(tǒng)？ 定性說明以下情況對實驗結(jié)果有何影響？ 冰中含有水或冰沒有用吸水紙吸干；（2）投入冰塊后才測初溫；（3）投入冰塊或攪拌時將水濺出。 根據(jù)內(nèi)容3所記錄的數(shù)據(jù)作實驗過程的曲線，并標出面積。比較的大小，看實驗所選的初始溫度是否合適。