實(shí)驗(yàn)五冷卻法測量金屬比熱容一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、了解金屬的冷卻速率和它與環(huán)境之間的溫差關(guān)系以及進(jìn)行測量的實(shí)驗(yàn)條件2、研究熱學(xué)實(shí)驗(yàn)成敗的原因。二、實(shí)驗(yàn)原理：根據(jù)牛頓冷卻定律，用冷卻法測定金屬的比熱容是量熱學(xué)中常用方法之一。若已知標(biāo)準(zhǔn)樣品在不同溫度的比熱容，通過作冷卻曲線可測量各種金屬在不同溫度時的比熱容。本實(shí)驗(yàn)以銅為標(biāo)準(zhǔn)樣品，測定鐵、鋁樣品在100oC或200oC時的比熱容。通過實(shí)驗(yàn)了解金屬的冷卻速率和它與環(huán)境之間的溫差關(guān)系以及進(jìn)行測量的實(shí)驗(yàn)條件。單位質(zhì)量的物質(zhì)，其溫度升高1K(1oC)所需的熱量叫做該物質(zhì)的比熱容，其值隨溫度而變化。將質(zhì)量為M1的金屬樣品加熱后，放到較低溫度的介質(zhì)(例如：室溫的空氣)中，樣品將會逐漸冷卻。其單位時間的熱量損失()與溫度下降的速率成正比，于是得到下述關(guān)系式：TOC\o"1-5"\h\zAt11A式中C為該金屬樣品在溫度°時的比熱容，二l為金屬樣品在°時的溫度下降速1iAt1率。根據(jù)冷卻定律有：―^=as(°-。)m(2)Atiiio⑵式中a1為熱交換系數(shù)，S］為該樣品外表面的面積，m為常數(shù)"］為金屬樣品的溫度，°0為周圍介質(zhì)的溫度。由式(1)和(2)，可得:八A°CM——i=as（°一°）miiAtiiio同理，對質(zhì)量為m2，比熱容為C2的另一種金屬樣品，可有同樣的表達(dá)式:A°CM~a^=as(°一°)m(4)由上式⑶和(4)，可得：

所以:八A0CM<~A^11AtCM1as(0-0)mas(0-0)m所以:八A0CM<~A^11AtCM1as(0-0)mas(0-0)m如果兩樣品的形狀尺寸都相同，即si=s2；兩樣品的表面狀況也相同（如涂層、色澤等），而周圍介質(zhì)（空氣）的性質(zhì)當(dāng)然也不變，則有ai=a2o于是當(dāng)周圍介質(zhì)溫度不變（即室溫00恒定而樣品又處于相同溫度01=02=0期’上式可以簡化為:(5)cM1(*1=C1—A^"M2(At)2(5)如果已知標(biāo)準(zhǔn)金屬樣品的比熱容C1質(zhì)量M1；待測樣品的質(zhì)量M2及兩樣品在溫度0時冷卻速率之比，就可以求出待測的金屬材料的比熱容c2。2幾種金屬材料的比熱容見表1：2表1\、..比熱容溫度0C、.CFe(cal/(goC))CAi(cal/(goC))CCu(cal/(goC))100oC0.1100.2300.0940三、實(shí)驗(yàn)儀器：（如圖5-1所示）1、儀器簡介本實(shí)驗(yàn)裝置對加熱裝置、金屬樣品室及金屬樣品的溫度的測量和安放上進(jìn)行改進(jìn)和提高。測量試樣溫度采用常用的銅一康銅做成的熱電偶，當(dāng)冷端為冰點(diǎn)時，測量熱電偶熱電勢差的二次儀表由高靈敏、高精度、低漂移的放大器放大加上三位半數(shù)字電壓表組成，由數(shù)字電壓表顯示的mV數(shù)即對應(yīng)待測溫度值。本儀器的數(shù)字電壓表包括放大電路的滿量程為20mV。加熱裝置可自由升降和左右移動。被測樣品安放在有較大容量的防風(fēng)圓筒內(nèi)即樣品室，其作用保持高于室溫的樣品自然冷卻。這樣結(jié)果重復(fù)性好，可以減少測量誤差，提高實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度。本實(shí)驗(yàn)可測量金屬在室溫到200oC溫度時，各種溫度的比熱容。其中：A）熱源，采用75瓦電烙鐵改制而成，利用底盤支掌固定并可上下移動；B）實(shí)驗(yàn)樣品，是直徑5mm，長30mm的小圓柱，其底部鉆一深孔便于安放熱電偶，而熱電偶的冷端則安放在冰水混合物內(nèi)；C）銅-康銅熱電偶；D）熱電偶支架；E）防風(fēng)容器；F）三位半數(shù)字電壓表，顯示用三位半面板表；G）冰水混合物。2、技術(shù)指標(biāo)（1）數(shù)字電壓表：三位半，量程：0-20mV，分辨率：0.01mV，準(zhǔn)確度：±0.3%讀數(shù)+1字。（2）加熱器功率：75W。（3）傳感器采用銅-康銅熱電偶。（4）測量金屬在100oC時的比熱容與公認(rèn)值百分差小于5%。（5）輸入交流電壓：220V±10%。（6）電源功率約：90W。（7）重量：7.5Kg。國產(chǎn)的康銅絲，各廠生產(chǎn)成分配方和工藝略有不同，因而制成的銅-康銅熱電偶在100oC溫度時（參考0oC），測量的溫差電勢差有4.10mV和4.25mV等幾種，用戶使用時須自己定標(biāo)，以下銅-康銅熱電偶熱勢差表僅供參考（引自國家計量局，中華人民共和國，國家計量檢定規(guī)程匯編，溫度（一），中國計量出版社，1987）。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、用銅-康銅熱電偶測量溫度，而熱電偶的熱電勢采用溫漂極小的放大器和三位半數(shù)字電壓表，經(jīng)信號放大后輸入數(shù)字電壓表顯示的滿量程為20mV，讀出的mV數(shù)查表即可換算成溫度。2、選取長度、直徑、表面光潔度盡可能相同的三種金屬樣品（銅、鐵、鋁）用物理天平或電子天平秤出它們的質(zhì)量M0。再根據(jù)M*>M^>M^這一特點(diǎn)，把它們區(qū)別開來。3、使熱電偶熱端的銅導(dǎo)線與數(shù)字表的正端相連；冷端銅導(dǎo)線與數(shù)字表的負(fù)端相連。當(dāng)數(shù)字電壓表讀數(shù)為某一定值即200oC時，切斷電源移去電爐，樣品繼續(xù)安放在與外界基本隔絕的金屬圓筒內(nèi)自然冷卻（筒口須蓋上蓋子）。當(dāng)溫度降到接近102oC時開始記錄，測量樣品由102oC下降到98oC所需要時間10。按鐵、銅、鋁的次序，分別測量其溫度下降速度，每一樣品得重復(fù)測量5次。因?yàn)楦鳂悠返臏囟认陆捣秶嗤?A0=1020C-980C=40C)，所以公式(5)可以簡化為:五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：樣品質(zhì)量：MC=4.830g;Mf=4.280g;MA廣1.500g。熱電偶冷端溫度：90=02。鐵：c2=cM(四1M(鐵：c2=cM(四1M(At)鋁：c=cm1(at)2iM3(At)i次數(shù)樣品^12345平均值A(chǔ)tbAtFe8.868.998.948.589.098.980.09Cu8.118.368.508.338.608.380.08Al8.266.226.356.296.446.310.04以銅為標(biāo)準(zhǔn)：C「Cc=0.0940cal/(goC)=0.0940x4.830*8.89=0.ii3Cal/(g0C)4.280x8.38=0.0940x4.830x「京=0.228Cal/(g0C)i.500x8.38

附錄：銅一康銅熱電偶分度表（參考端溫度為0笆）分度號：CK溫度0°C012345678910溫度0C熱電動勢（mV）00.0000.0390.0780.1170.1560.1950.2340.2730.3120.3510.3910100.3910.4300.4700.5100.5490.5890.6290.6690.7090.7490.78910200.7890.8300.8700.9110.9510.9921.0321.073101141.1551.19620301.1961.2371.2791.3201.3611.4031.4441.4861.5281.5691.61130401.6111.6531.6951.7381.7801.8221.8651.9071.9501.9922.03540502.0352.0782.1212.1642.2072.2502.2942.3372.3802.4242.46750602.4672.5112.5552.5992.6432.6872.7312.7752.8192.8642.90860702.9082.9532.9973.0423.0873.1313.1763.2213.2663.3123.35770803.3573.4023.4473.4933.5383.5843.6303.6763.7213.7673.81380903.8133.8593.9063.9523.9984.0444.0914.1374.1844.2314.277901004.2774.3244.3714.4184.4654.5124.5594.6074.6544.7014.7491001104.4794.7964.8444.9814.9394.9875.0355.0835.1315.1895.2271101205.2275.2755.3245.3725.4205.4695.5175.5665.6155.6635.7121201305.7125.7615.8105.8595.9085.9576.0076.0566.1056.1556.2041301406.2046.2546.3036.3536.4036.4526.5026.5526.6026.6526.7021401506.7026.7536.8036.8536.9036.9547.0047.0557.1067.1567.2071501607.2077.2587.3097.3607.4117.4627.5137.5647.6157.6667.7181601707.7187.7697.8217.8727.9247.9758.0278.0798.1318.1838.23