靳亞康 范瀟帥 張亞萍 鄭志佳

(中國石油大學(華東)理學院 山東 青島 266580)

1 引言

液體比熱容作為重要的熱力學參量，在生產(chǎn)實踐中具有十分重要的作用，例如油氣運輸?shù)?，因此，精確地測量待測液體的比熱容則顯得尤為重要．液體比熱容的測定常用冷卻法和電流量熱法[1，2]，目前實驗室教學中，大多數(shù)采用單量熱器電熱法測量液體比熱容，文獻[3]改進單量熱器為雙量熱器后，實驗精度有所提高，但仍存在耗材多，操作復雜等問題，針對上述情況，經(jīng)過大量的實驗探究，采用以水作為基準物質(zhì)并結(jié)合電壓比較法，同時改進雙量熱器法和水當量法，不僅實驗精度有進一步提高，且耗材少，實驗操作也有所簡化．

2 實驗原理

由于雙量熱器法測量液體比熱容存在計算量大、耗費待測液體多、操作復雜等缺陷，本文在大量實驗探究的基礎(chǔ)上，采用將水作為基準物質(zhì)來測量液體比熱容的水當量法，其實驗原理如下．

分別稱取質(zhì)量為m1的待測溶液，質(zhì)量為m2的水，加入兩量熱器內(nèi)筒中，根據(jù)焦耳定律，在t時間內(nèi)電流I通過電阻R1產(chǎn)生的熱量為

Q1=I2R1t=U01It

(1)

對于另外一個量熱器有類似的表達式

Q2=I2R2t=U02It

(2)

圖1 水當量法實驗原理示意圖

由于兩加熱電阻串聯(lián)在電路中，所以電流均為I．

根據(jù)比熱容的定義有

(3)

同樣有

(4)

設(shè)量熱器內(nèi)筒、攪拌器和電流導入銅棒的質(zhì)量之和為mx，比熱容為cx[銅質(zhì)材料的比熱容[4]為

cx=0.3873 J/(g·℃)]，則其水當量為[5]

(5)

比較(1)、(3)兩式，得

(6)

同樣可得

(7)

由式(6)、(7)可得

(8)

實驗中保證溫度與電橋輸出電壓間為線性關(guān)系，則有

(9)

將式(8)代入式(7)解得

(10)

設(shè)加入待測液體的量熱器內(nèi)筒、攪拌器和電流導入棒的質(zhì)量之和為M1，而加入水的量熱器內(nèi)筒、攪拌器和電流導入捧的質(zhì)量之和為M2，代入式(5)、(10)可得

(11)

3 實驗結(jié)果與討論

實驗中以甘油為待測液體，分別用水當量法和雙量熱器法測量其比熱容．

3.1 改進的水當量法測量甘油比熱容

在通電電壓分別為U01=9.55 V，U02=9.47 V時，測得橋路電壓隨時間變化的關(guān)系曲線，如圖2所示.

由圖2可得，U1和U2隨時間變化基本滿足良好的線性關(guān)系，其斜率分別為

k1=1.925k2=1.518

(12)

將數(shù)據(jù)代入公式(9)得到

c測1=2.60 J/(g·℃)

相對誤差為

備注：m1=245.0 g;m2=194.4 g;

3. 2 雙量熱器法測量甘油比熱容[3]

在通電電壓分別為U01=7.74 V，U02=7.82 V時，測得橋路電壓隨時間變化的關(guān)系如圖3所示.

備注：m1=225.3 g;m2=235.6 g;

將數(shù)據(jù)代入文獻[5]中公式得

c測2=2.70 J/(g·℃)

相對誤差為

3.3 兩種方法比較

實驗中分別用改進的水當量法和雙量熱器法測定乙醇、甘油、松節(jié)油的比熱容，實驗結(jié)果如表1所示．

表1 兩種方法測量不同液體比熱容結(jié)果精度表[比熱容單位均為J/(g·℃)]

表1所得結(jié)果表明，改進后的水當量法測量精度比雙量熱器法有所提高．

4 應用前景展望

在油氣運輸過程中，比熱容的實時測量尤為重要，例如當輸油管道所輸混合原油的混合比有變化時，必須及時確定所輸混合油的比熱容[6]．下面給出利用水當量法實時監(jiān)測輸油管道內(nèi)所輸油品比熱容的示意圖．

圖4 水當量法實時監(jiān)測輸油管道內(nèi)所輸油品比熱容系統(tǒng)示意圖

如圖4所示，通過油品采樣系統(tǒng)定時對油氣輸送管道進行采樣，將油品樣本與水用電熱法加熱，并在加熱過程中用微型電動機進行攪拌，通過非平衡電橋系統(tǒng)監(jiān)測油品及水的溫度變化情況，通過電壓實時測量系統(tǒng)監(jiān)測兩者內(nèi)置加熱電阻兩端電壓，控制系統(tǒng)，綜合分析各系統(tǒng)傳輸信號，按照水當量法測量原理經(jīng)過編程處理計算得出油品比熱容，以供工作人員制定管道輸油計劃．

5 結(jié)束語

本文在雙量熱器法測量液體比熱容的基礎(chǔ)上，采用水作為測量基準物質(zhì)，同時改進水當量法和雙量熱器法，改進后的方法不僅實驗精度得到提高，實驗操作也有所簡化，而且會更加方便地應用于生產(chǎn)實踐．相比雙量熱器法與傳統(tǒng)的水當量法，改進的水當量法有以下優(yōu)勢.

(1)精度較高．由表1結(jié)果可知，水當量法由于用水作為基準測量物質(zhì)，使得測量結(jié)果更加準確穩(wěn)定．對于不同液體比熱容的測量，雖然改進的方法所測甘油和松節(jié)油的實驗結(jié)果精度比乙醇高，但是整體而言，改進后的方法要比傳統(tǒng)的雙量熱器法精度高，因此更加易于在生產(chǎn)實踐中應用．

(2)耗材較少．相比雙量熱器法，水當量法只需少量待測液，便于在生產(chǎn)線等自動檢測中使用．在自動檢測中，如若兩量熱器內(nèi)均盛裝待測液，則需在生產(chǎn)線中考慮的影響因素相應增多，這樣一來，耗材增多，且不利于生產(chǎn)線控制．

(3)操作簡化．由于雙量熱器兩個內(nèi)筒中都需盛裝待測液，實驗操作難度較水當量法中只有一個內(nèi)筒盛裝待測液難度大．

在傳統(tǒng)的雙量熱器法中，很多待測液的粘滯系數(shù)較大，不易于攪拌，改進后，只有一個量熱器盛裝待測液，實驗操作的難度有所降低．

參考文獻

1 閻向宏，張亞萍．電熱法測液體比熱容實驗的改進 ．大學物理，1997，16(7)：23～24

2 王青獅．大學物理實驗學．北京：科學出版社，2001.105～

108

3 孟軍華，牛法富，張亞萍．新型液體比熱容測量裝置與方法的設(shè)計．實驗室研究與探索，2011，30(4)：14～16

4 宋小龍，安繼儒．新編中外金屬手冊．北京：化學工業(yè)出版社，2008.1094

5 王延興，郭山河，文立君，等．大學物理實驗．北京：高等教育出版社，2003.118～125

6 李才,蘇仲勛．混合原油比熱容的測定及其計算方法．油氣儲運，1992，11(3)：9～18