冰的熔解热 - 图文

南昌大学物理实验报告

课程名称：大学物理实验实验名称：冰的溶解热

学院：信息工程学院专业班级：测控技术与仪器152班 学生姓名：刘迂林学号：5801215046 实验地点：基础实验大楼508座位号：11

教师：肖晴 实验时间：第八周星期四上午三四五节

一．实验目的

1.理解融化热的物理意义，掌握混合量热法测定冰的比融化热 2.学会一种用图解法估计和消除系统散热损失的修正方法 3.熟悉集成温度传感器的特性及定标

二．实验器材（设备）

量热器，药物分析天平，秒表，温度计，冰，烧杯，吸水纸，铁夹子等

三．实验内容

冰的比熔化热的测量

四．实验原理

1．混合量热法测量冰熔解热原理

在一定压强下，晶体熔解时的温度称为熔点。单位质量的晶体熔解为同温度的液体时所吸收的热量，称为熔解潜热，也称熔解热L。不同的晶体有不同的熔解热。

本实验是量热学实验中的一个基本实验，采用了量热学实验的基本方法——混合量热法。它所依据的原理是，在绝热系统中，某一部分所放出的热量等于其余部分所吸收的热量。

将M克0℃的冰投入盛有m克T1℃水的量热器内筒中。设冰全部熔解为水后平衡温度为T2℃，若量热器内筒、搅拌器和温度计的质量分别为m1、 m2和 m3，其比热容分别为C1、C2和C3，,水的比热容为C0。则根据混合量热法所依据的原理，冰全部熔解为同温度（0℃）的水及其从0℃升到T2℃过程中所吸收的热量等于其余部分从温度T1℃降到T2℃时所放出的热量，即

ML?M?T2?0?C0??mC0?m1C1?m2C2?m3C3??T1?T2? （1）

由此可得冰的熔解热为

L?1?mC0?m1C1?m2C2?m3C3??T1?T2??T2C0 （2） M在上式中，水的比热容C0为4.18×103J/kg.℃,内筒、搅拌器和温度计都是铜制的，其比热容C1=C2=C3=0.378×103J/kg.℃。

2．实验过程中的散热修正

前已指出，必须在系统与外界绝热的条件下进行实验。为了满足此条件，我们应该从实验装置、测量方法和实验操作等方面尽量减少热交换。但是，由于实际上往往很难做到与外界完全没有热交换，因此，必须研究如何减少热量交换对实验结果的影响。

设图4-15-2所示的温度-时间曲线是在进行冰的熔解热实验过程中绘制的，T1'为水的初温，它较环境温度T0高，因此，在投入冰块之前，由于向外界散热，水温也随时间而缓慢降低，如AB段所示。与B点相应的温度为T1，它就是投入冰块时的温度。在刚投入冰块时，水温高，冰的有效面积大，熔解快，因此系统温度T降低较

快，如BC段所示；随着冰的不断熔化，冰块逐渐变小，水温逐渐降低，冰熔解就慢了，水温的降低就变缓慢了，如CD段所示。D点的温度为T2，它是冰块和水混合后的最低平衡温度。此后，由于系统从外界吸热，水温缓慢升高，如DE段所示。

牛顿冷却定律指出，当系统与环境的温度差不大（不超过10～15℃）时，系统温度的变化率与温度差成正比，其数学式为

图4-15-2 冰的熔解热实验T-t曲线

dT?k?(T?T0) （3） dt式中T为系统的温度，T0为环境的温度，k’为散热系数，只与系统本身的性质有关。设系统的热容为C，并注意到dQ?CdT,于是，上式可改写为

（4） dQ?Ck'?T?T0??k?T?T0?dt式中k=kC,也是常数。

根据上式，实验过程中，即系统温度从T1变为T2这段时间（t1～t2）内系统与环境间交换的热量为

t2‘

Q?k(T?T0)dtt1t0t2? （5）

?k(T?T0)dt?k(T?T0)dtt1t0??前一项T-T0>0，系统散热，后一项T-T0<0,系统吸热，两积分对应与图（2）中面积

SA??(T?T0)dtSB??(T?T0)dtt1t0t2t0

由此可见，SA与系统向外界散失的热量成正比，即有Q散=KSA；SB与系统从外界吸收的热量成正比，即有Q吸=KSB。因此，只要SA≈SB，系统对外界的吸热和散热就可以相互抵消。

要使SA≈SB，就必须使（T1-T0）>（T0-T2），究竟T1和T2应取多少，或（T1-T0）：（T0-T2）应取多少，要在实验中根据具体情况调整选择。具体做法是要进行多次实验，而且在做完某次实验并绘制出T～t曲线后，根据SA和SB的面积判断出下一次实验应如何改变T1和T2。如此反复多次，就能找出最佳的初温T1和末温T2。

上述这种使散热与吸热相互抵消的作法，往往要经过若干次试验，才能获得比较好的效果。

四、实验步骤

1．冰的制备

将冰从冰箱取出后置于0℃的容器中，过一段时间后再取出并用干布揩干其表面的水后可作为待测的样品了。

2．合理选择各个参数的数值

在做实验时可以适当选择数值的参量有水的质量m、冰的质量M、始温T1及末温T2。在做第一次实验时，T1可比环境温度高10℃～15℃，水的体积约为量热器内容积的三分之二左右，这里指定200ml,放入的冰块必须能全部被水淹没，使冰尽快溶解。若末温太低，第二次实验时为了提高末温，可以减少冰块的质量，也可以增加水的质量或提高始温。应该注意，末温不能选得太低，以免内筒外壁出现凝结水而改变其散热系数。

（1）用物理天平分别称出量热器内筒和搅拌器的质量m1、m2及水的质量m，温度计的质量m3在其上面已标明。

（2）从放入冰块前三四分钟开始测温，每隔1min测一次温度，读取5个数据；记下放入冰块时刻，放入冰块后每隔10秒测一次水温，目的是尽量在对应图2的BC段多测出几个数据；在温度达到最低温度后，继续测温五六分钟，每隔1min测一次，读取10～12个数据。

应该注意，为使温度计读数确实代表所要测量的系统的温度，整个实验过程要不断轻轻．．．．地进行搅拌。 ．

（3）利用上述数据在坐标纸上绘出T—t曲线，用外推法确定投冰时的水温T1，参照图2的散热修正方法，尽可能准确地估算SA和SB面积，若相差太大，则应调整各参量的数值，重新做实验。若基本相等，则可转到下一步骤。

（4）测量包括搅拌器、水及放入的冰块在内的量热器内筒总质量，并算出冰块的质量M。

（5）由（2）式算出冰的溶解热及作出标准不确定度的评定。

六．实验数据与处理：

原始数据：错误!

数据处理：错误!

七．思考题

1．根据本实验装置以及操作的具体情况，分析误差产生的主要因素有哪些？ 绝热效果不理想，测量有误差

2．冰块投入量热器内筒时，若冰块外面附有水，将对实验结果有何影响（只需定性说明）？ 冰块实际温度不是零度，导致熔解热测量不准确

3．整个实验过程中为什么要不停地轻轻搅拌？分别说明投冰前后搅拌的作用。

投冰前是为了让温度分布均匀，测量更准确，投冰后搅拌为了让冰更快的溶解，减少容器与外界热量交换

4．试分析若系统从外界吸收的热量大于向外界散失的热量（如图4-15-2的SB>SA），将使L的结果偏大还是偏小？

偏小

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