陳華

摘要：本文通過(guò)比熱容的基本概念與測(cè)量方法介紹；基于萬(wàn)能比熱容測(cè)量裝置的電熱法測(cè)定比熱容實(shí)驗(yàn)研究，證明了改良后電熱法在測(cè)定比熱容方面的進(jìn)步性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：比熱容；溫度；測(cè)量方法

O551.3

一、比熱容的基本概念與測(cè)量方法介紹

比熱容主要反映物體的熱性質(zhì)這一物理量，它的表示單位就是以單位質(zhì)量范圍內(nèi)物質(zhì)溫度每升高1℃單位溫度所吸收的熱量，它的具體單位為J/（kg·℃）。比熱容實(shí)驗(yàn)也是物理實(shí)驗(yàn)室內(nèi)物質(zhì)測(cè)量方面的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之一。從物理學(xué)角度講，比熱容測(cè)量能幫助研究者了解物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成，同時(shí)深入掌握其物質(zhì)性能，所以它在生化、輕重工業(yè)以及新能源研究方面都有涉獵。

就目前科研技術(shù)來(lái)看，測(cè)量比熱容的方法主要包括了比較法、混合法、電熱法等等?？陀^講，這些方法雖然實(shí)用但都存在弊端。以電熱法為例，它就需要通過(guò)加熱電阻絲來(lái)促使待測(cè)物質(zhì)升溫再進(jìn)行測(cè)量，這就涉及到較為復(fù)雜的電熱電路，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要同時(shí)讀取電流表、電壓表、溫度計(jì)以及時(shí)間表等等計(jì)量?jī)x表，不但工序復(fù)雜還容易分心，在浪費(fèi)資源能量的同時(shí)也很可能無(wú)法把握測(cè)量精確性。因此需要對(duì)傳統(tǒng)電熱測(cè)定方法進(jìn)行裝置及思路創(chuàng)新改進(jìn)，提出萬(wàn)能比熱容測(cè)定裝置，基于它來(lái)展開(kāi)比熱容實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

二、基于萬(wàn)能比熱容測(cè)量裝置的電熱法測(cè)定比熱容實(shí)驗(yàn)研究

（一）實(shí)驗(yàn)儀器介紹及改造

所謂萬(wàn)能比熱容測(cè)量裝置就是自行改裝的比熱容測(cè)量?jī)x，它的實(shí)驗(yàn)儀器還包括了比熱容測(cè)量?jī)x、合金電阻絲、萬(wàn)用電表、液體溫度傳感器、秒表、單刀雙擲開(kāi)關(guān)、直流輸出電源、量筒、容量瓶、玻璃棒、導(dǎo)線以及膠頭滴管。

該裝置中主要對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)鋁制環(huán)形攪拌棒進(jìn)行了改良，希望解決鋁棒吸收待測(cè)液體熱量造成自升溫而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差的問(wèn)題，采用了新設(shè)計(jì)的手動(dòng)式攪拌杯來(lái)代替攪拌棒盛裝實(shí)驗(yàn)液體。新的攪拌杯在底部安置了電池槽，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中它可以作為容器來(lái)盛裝待測(cè)液體。且攪拌杯內(nèi)壁選擇用PC塑料，外部則采用了防水防腐蝕的不銹鋼金屬材質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的保溫特性，降低待測(cè)液體熱量無(wú)端損失。在攪拌杯中還加入了兩個(gè)銅電極，鎳鉻合金加熱電阻絲，它的電阻在0℃～100℃范圍內(nèi)基本保持內(nèi)阻值恒定不變。攪拌葉輪所采用的是靜音構(gòu)造，它的均勻轉(zhuǎn)速可以達(dá)到250rad/s，能夠?qū)嚢璞瓋?nèi)部液體熱量均勻分配，這就解決了傳統(tǒng)人工攪拌棒攪拌所存在的待測(cè)液體受熱不均問(wèn)題。另外設(shè)備中還加入了具有良好吸熱能力的泡沫絕熱層以及錫箔紙，而絕熱蓋板的設(shè)計(jì)也能從一定程度上起到隔熱保溫作用，確保攪拌杯內(nèi)外部熱量交換的有效減少。整體來(lái)看，該攪拌杯被設(shè)計(jì)為孤立系統(tǒng)，但它與實(shí)驗(yàn)過(guò)程的聯(lián)動(dòng)內(nèi)容還是非常豐富的。

其它步驟則和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)沒(méi)有區(qū)別。實(shí)驗(yàn)攪拌杯在攪拌液體過(guò)程方面類(lèi)似于家庭用榨汁機(jī)，只要按下攪拌杯手柄上的按鈕就可以開(kāi)啟攪拌模式。在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中也證明，該攪拌杯在攪拌過(guò)程中對(duì)不同位置的待測(cè)液體攪拌較為均勻，且測(cè)量數(shù)據(jù)讀數(shù)相差不大。相比于傳統(tǒng)設(shè)備的人工攪拌，待測(cè)液體的實(shí)際溫度也變現(xiàn)得更加均勻，無(wú)論是哪一位置的液體溫度讀數(shù)都能代表待測(cè)液體整體溫度。這樣精確的測(cè)量過(guò)程也讓后期實(shí)驗(yàn)技術(shù)處理更加方便。

（二）實(shí)驗(yàn)原理改良

相比于傳統(tǒng)電熱法所體現(xiàn)的電路既有電流及電壓表并存，從某種程度上增加了實(shí)驗(yàn)負(fù)擔(dān)，讓實(shí)驗(yàn)讀數(shù)更加復(fù)雜，容易阻礙精確測(cè)量結(jié)果的釋出。這里給出傳統(tǒng)電熱法的測(cè)量公式：

對(duì)其測(cè)量公式進(jìn)行改良，可以避免設(shè)備加熱電阻絲電路直接連接電流表，也能極大程度降低系統(tǒng)能耗，減少工作量，讀數(shù)也更加快捷精確。在比熱容測(cè)量過(guò)程中使用上述公式，需要首先找到在一定溫度范圍內(nèi)的恒定電阻，可以選擇手工制作一段鎳鉻電熱絲，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)觀察電熱絲的阻值變化，具體來(lái)說(shuō)它的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

（三）數(shù)據(jù)處理方法研究

在改進(jìn)電熱法來(lái)測(cè)定比熱容實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)該首先基于實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)給出以下公式：

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)思路，可以分別測(cè)量不同質(zhì)量待測(cè)液體的純水比熱容。

三、結(jié)論：

如果以純水常溫常壓下的比熱容標(biāo)準(zhǔn)值4.2kJ/（kg·℃）為例，一般通過(guò)上述改造設(shè)備、公式及實(shí)驗(yàn)方法所測(cè)量出的數(shù)值誤差都能小于5%（約2.221%～2.483%范圍內(nèi)），測(cè)量精度較高。它基本證明了改良后電熱法在測(cè)定比熱容方面的進(jìn)步性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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