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1、冷却法测量金属的比热容【实验目的】(1)测量固体的比热容。(2)了解固体的冷却速率与环境之间的温差关系,以及进行测量的实验条件。【实验仪器】本实验装置是金属比热容测量仪;实验样品是直径5mm、长 30mm 的小圆柱,其底部深孔中安放铜康同热电偶。【实验原理】单位质量的物质,其温度升高 1K(或 1)所需的热量叫该物质的比热容,其值随温度而变化,将质量为1M的金属样品加热后,放到较低温度的介质(例如室温的空气)中,样品将会逐渐冷却,其单位时间的热量损失(Qt)应与温度下降速率成正比,由此到下述关系式:111QC Mtt?式中1C为该金属样品在温度1时的比热容,1t为金属样品在温度1时的温度下降速
2、率,根据冷却定律有:1110()mQa St 式中,1a为热交换系数,1S为该样品外表面的面积,m为常数,1为为金属样品的温度,0为周围介质的温度。由式和,可得:1111110()mC Ma St 同理,对质量为2M,比热容为2C的另一种金属样品,有:2222220()mC MSt 由式和式,可得:mmsasatMCtMC)()(01110222111222 mmsatMsatMCC)()(01112202221112 如果两样品的形状尺寸都相同,即12SS;两样品的表面状况也相同(如涂层、色泽等),而周围介质(空气)的性质当然也不变,则有12aa。于是当周围介质温度不变(即室温0恒定,而样品
3、又处于相同温度1=2)时,上式可以简化为:$221112)()(tMtMCC 如果已知标准金属样品的比热容1C,质量1M,待测样品的质量2M及两样品在温度时冷却速率之比1t和2t,就可求得待测金属的比热容2C。已知铜在 100时的比热容为:1393().CuCJkg C 【实验内容】1.测量铁和铝在 100时的比热容。步骤:(1)选取长度、直径、表面光洁度尽可能相同的三种金属样品(铜、铁、铝)用物理天平或电子天平秤出它们的质量0M。再根据CuMFeMAlM这一特点,把它们区别开来。(2)使热电偶的铜导线与数字表的正端相连,冷端铜导线与数字表的负端相连。当数字电压表读数为某一定值即 200()时
4、,切断加热电源移去加热源,样品继续放在有机玻璃圆筒内自然冷却。当温度降到接近 102时开始记录,测量样品从 102降到 98所需要的时间。每种样品重复测量 5 次。【实验数据】样品质量:CuMg;FeMg;AlMg。热电偶冷端温度:0=0Co。样品由 102Co下降到 98Co所需时间(单位为s)次数 样品 1 2 3 4 5 平均值/t s Fe 2()t Cu 1()t%Al 3()t 】以铜为标准:11393().oCuCCJkgC 铁:1122121()484.1().()oMtCCJkgCMt 铝:1133131()768.1().()oMtCCJkgCMt 【误差分析】查资料得 F
5、e 在 100 C 下的比热容为1460().oFeCJkgC理 实验误差系数484.1460100%5.24%460 Al 在 100 C 下的比热容为1905().oAlCJkgC理 实验误差系数905768.1100%15.13%905 对误差产生的原因估计有:1.计时造成的误差:通过肉眼判断计时开始与结束的时间,不够精确,存在误差 2.室温变化造成的误差:实验中要求室温不变,但随着金属不断放热,室温很可能会升高,则室温从升高到,查阅资料,比热容的计算式应修改成122121()()nnmt TCCmt T,其中n为常数,且1n,使测量值比实际值偏大,但实际情况却为偏小,说明室温变化较小,其他误差占主导因素。3.热电偶冷端温度的变化:由于未及时向冷端加入冰块,使得冷端温度有少许升高,从而导致测量所得时间偏大 4.金属比热容测量仪的传感器响应时间可能存在少量误差