班級：學(xué)生編號：姓名：混合法測量金屬比熱容摘要：金屬是由金屬離子和大量自由電子組成的晶格。大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明，金屬的比熱容只與金屬離子的振動(dòng)有關(guān)，自由電子對比熱容沒有貢獻(xiàn)，自由電子的貢獻(xiàn)只應(yīng)在極低的溫度下考慮。金屬電子的經(jīng)典理論無法解釋這一點(diǎn)。在圖中，實(shí)線是t=0時(shí)的分布曲線，虛線是低溫時(shí)的分布曲線。當(dāng)t=0時(shí)，所有電子占據(jù)的能級的能量都小于有效能，而能量大于有效能的能級是完全空的。在絕對零度時(shí)，所有電子的能量都在費(fèi)米表面覆蓋的區(qū)域內(nèi)。當(dāng)T0時(shí)，在任何溫度下，只有費(fèi)米能級附近的電子才能被熱激發(fā)到更高的空能級。低能級的電子被激發(fā)到空能級需要很大的能量，這在常溫下是不可能實(shí)現(xiàn)的(e遠(yuǎn)大于熱運(yùn)動(dòng)能kT)，因此對比熱容沒有貢獻(xiàn)。在極低的溫度下，金屬離子對比熱容的貢獻(xiàn)很小(見固體比熱容)，因此不能忽略自由電子熱激發(fā)產(chǎn)生的比熱容。關(guān)鍵詞：比熱容、質(zhì)量、量熱計(jì)、攪拌器、混合、熱交換、平衡溫度、金屬塊。引言：比熱容是物質(zhì)物理性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)，在研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、確定相變和鑒定物質(zhì)純度方面起著重要作用。測量物質(zhì)的比熱容可以歸因于測量一定質(zhì)量的物質(zhì)在降低一定溫度后釋放的熱量。通常用來測量熱量的儀器包括：通過提高水溫來測量熱量的水熱量計(jì)和通過溶解冰來測量熱量的冰熱量計(jì)。一般來說，它們更適合測量固體物質(zhì)(如金屬)的比熱容。比熱容是單位質(zhì)量物質(zhì)在單位溫度下吸收(或釋放)的熱量。比熱容的測量對于研究物質(zhì)宏觀物理現(xiàn)象與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系具有重要意義。本實(shí)驗(yàn)采用混合法測量固體(銅塊)的比熱容。在熱實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)與外界的熱交換是不可避免的。因此，應(yīng)努力創(chuàng)建一個(gè)熱力學(xué)隔離系統(tǒng)，同時(shí)，應(yīng)校正實(shí)驗(yàn)過程中的其他吸熱和散熱，以盡可能抵消兩者，從而提高實(shí)驗(yàn)精度。一.實(shí)驗(yàn)原則不同溫度的物體混合后，熱量將從高溫物體傳遞到低溫物體。如果混合過程與外界沒有熱交換，最終將達(dá)到均勻穩(wěn)定的平衡溫度。在這個(gè)過程中，高溫物體釋放的熱量等于低溫物體吸收的熱量，這叫做熱平衡原理。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)熱平衡原理，用混合法測量固體的比熱。將質(zhì)量為m、溫度為t2的金屬塊放入量熱計(jì)的水中。假設(shè)熱量計(jì)的熱容量(包括攪拌器和溫度計(jì)插入水中的部分)為C，其中水的質(zhì)量為m0，比熱容為c0，待測物體前的水溫為t1。當(dāng)待測物質(zhì)放入水中后的混合溫度為時(shí)，無論量熱儀與外界的熱交換如何，都存在以下關(guān)系那就是(1)量熱儀的碳可以根據(jù)它的質(zhì)量和比熱容來計(jì)算。假設(shè)量熱器桶和攪拌器由相同的材料(銅)制成，質(zhì)量為m1，比熱容為c1，插入水中的溫度計(jì)體積為v，那么(2)溫度計(jì)插入水中部分的熱容量，但單位為立方厘米。量熱計(jì)的熱容量也可以用混合法測量。也就是說，首先向量熱儀中加入溫度為的水，然后將溫水快速倒入量熱儀中，攪拌后的混合溫度為上述討論是基于熱量計(jì)與外界沒有熱交換的假設(shè)。事實(shí)上，只要溫差存在，熱交換就不可避免地存在。因此，必須考慮如何防止或糾正熱損失的影響。有三種主要的散熱方式：第一，被加熱的物體在放入量熱計(jì)水之前散發(fā)的熱量。這部分熱量不易校正，擺放時(shí)間應(yīng)盡可能縮短。二是量熱儀從外部吸收的熱量，以及待測物體下落后，在混合過程中高于室溫后散發(fā)到外部的熱量。在本實(shí)驗(yàn)中，由于測量的是具有良好導(dǎo)熱性的金屬，因此從下落物體達(dá)到混合溫度所需的時(shí)間較短，并且可以采用熱量輸入和輸出相互抵消的方法來消除散熱的影響。也就是說，熱量計(jì)的初始溫度被控制為低于環(huán)境溫度，并且混合后的最終溫度高于環(huán)境溫度。第三，應(yīng)注意量熱儀外部沒有水(可以用干布擦拭干凈)，以免因水分蒸發(fā)而損失更多熱量。由于混合過程中量熱儀與環(huán)境之間的熱交換，第一個(gè)是吸熱，第二個(gè)是放熱，因此溫度計(jì)讀取的初始溫度和混合溫度不同于沒有熱交換的初始溫度和混合溫度。因此，總和必須被糾正。如圖所示，這可以用圖形來完成。散熱校正圖實(shí)驗(yàn)中，在投擲物體前5-6分鐘測量水溫，每30秒鐘記錄一次物體的時(shí)間和溫度，物體達(dá)到室溫的時(shí)間記為垂直線MN，物體達(dá)到室溫的時(shí)間記為水平線，兩者在o點(diǎn)相交。然后在投擲物體前畫吸熱線AB， 混合過程中的溫度上升線EF分別在E和F處與AB和CD相交。 由于量熱計(jì)吸收熱量，直到水溫達(dá)到室溫，混合過程的初始溫度應(yīng)對應(yīng)于點(diǎn)B，該點(diǎn)高于投擲物質(zhì)時(shí)記錄的溫度。類似地，當(dāng)水溫高于室溫時(shí)，量熱計(jì)向環(huán)境輻射熱量，因此混合后的最高溫度是對應(yīng)于點(diǎn)C的溫度，該溫度也高于溫度計(jì)指示的最高溫度。在圖中，吸熱面積BOE和散熱面積COF表明，當(dāng)兩個(gè)面積相等時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中，對環(huán)境的吸熱和放熱相互抵消。否則，實(shí)驗(yàn)將受到環(huán)境的影響。在實(shí)驗(yàn)中，我們試圖使兩個(gè)區(qū)域相等。此外，還應(yīng)注意溫度計(jì)本身的系統(tǒng)誤差。當(dāng)高溫度計(jì)讀數(shù)在冰點(diǎn)時(shí)，對應(yīng)于溫度計(jì)刻度值1的真實(shí)值是a，當(dāng)溫度計(jì)讀數(shù)在時(shí)，其真實(shí)溫度(5)每個(gè)溫度計(jì)的總和A值都標(biāo)在儀表卡上。二。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：調(diào)整電子天平，首先測量量熱儀內(nèi)筒和攪拌器的質(zhì)量m1，并記錄下來。1.將適量冷水(約為內(nèi)筒體積的2/3)放入量熱計(jì)的內(nèi)筒，稱出其質(zhì)量m1，然后水的支撐質(zhì)量等于M0=M1-M1，并記錄下來。2.將質(zhì)量為M(100g以上)的量熱儀放入量熱儀的內(nèi)筒，放入盛有熱水的燒杯中，然后將溫度計(jì)插入燒杯中(溫度計(jì)不應(yīng)在物體旁邊測量)，在合適的時(shí)間開始測量冷水的溫度，每隔1分鐘測量一次，然后連續(xù)測量。記錄時(shí)間和溫度。3.當(dāng)燒杯中溫度計(jì)的指示值穩(wěn)定不變時(shí)，可在幾分鐘內(nèi)測量溫度t2，并將被測物體放入量熱計(jì)中。放入時(shí)，將量熱儀放在燒杯下，打開量熱儀的上部，將金屬塊快速放入(未放入)燒杯下的量熱儀中，打開量熱儀，進(jìn)行攪拌，量熱儀的指示值使用溫度計(jì)1(精度min=1)測量金屬塊放入前的溫度t2，并使用秒表記錄此時(shí)的時(shí)間T0T2=42.0攝氏度T0=8分30秒體積v=v2-v1用一個(gè)小量筒(精度min=0.5ml)溫度計(jì)浸入水中V1=7.00毫升V2=7.70毫升然后： v=v2-v1=7.70毫升使用溫度計(jì)2(精度min=0.1)，測量混合前冷水的溫度和混合后系統(tǒng)的溫度扔?xùn)|西之前時(shí)間t/分鐘12345678溫度/13.6014.0314.3014.6814.9615.3215.7216.02扔?xùn)|西后時(shí)間t/分鐘910111213141516溫度/22.5022.2022.0221.9421.6521.3721.2121.14結(jié)合上表中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制實(shí)驗(yàn)中的散熱修正圖(如下):在該圖中，吸熱面積BOE和散熱面積COF表明這兩個(gè)區(qū)域具有相同的誤差范圍，這表明在實(shí)驗(yàn)過程中吸熱和向環(huán)境的放熱相互抵消。然后溫度和可以在圖中讀出：=16.40=22.56圖中T軸的最小分割值(min=0.2)3.金屬比熱的計(jì)算：熱量計(jì)(包括攪拌器)的比熱容C1為0.385103，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為：m1=166.4g克，m=350.4g克，m0=99.7g克，t2=42.0C克，=16.40，c0=4.1871035.在環(huán)境溫度t0=19.5的條件下，被測金屬的比熱容為c=()6.實(shí)驗(yàn)討論：A.(1)建立在系統(tǒng)與外界絕緣的條件下，這在實(shí)驗(yàn)中是不可能的。除非系統(tǒng)和環(huán)境溫度始終完全相同，否則不可能完全滿足隔熱要求。為了盡可能減少系統(tǒng)與外界的熱交換并減少這種誤差，除了使用熱量計(jì)外，在實(shí)際操作過程中必須注意以下幾點(diǎn)：B.最小化系統(tǒng)和外界之間的溫差。C.盡可能快地完成實(shí)驗(yàn)過程。d .在實(shí)驗(yàn)中，由于溫度計(jì)很容易折斷，因此在打開和關(guān)閉絕緣蓋之前，溫度計(jì)應(yīng)正確放置。f .在實(shí)驗(yàn)過程中，將待測樣品快速放入量熱計(jì)中，攪拌時(shí)不要濺出水。E.擦拭量熱儀的圓筒壁，以減少實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)驗(yàn)誤差。G.熱量計(jì)不應(yīng)放置在