T.热功当量的测量 05

实验名称 热功当量的测量

一、 前言

热量和功这两个物理量，实质上是以不同形式传递的能量，它们具有相同的单位，即能量的单位焦耳（J）。然而，在没有认识热的本质以前，历史上曾经对热量的计量另有规定。热量的单位用卡路里，简称卡，1克纯水在1大气压下温度升高10C所吸收的热量为1卡。焦耳认为热量和功之间应当有一定的当量关系，即热量的单位卡和功的单位焦耳间有一定的数量关系。从1840年到1879年近40年的时间内，焦耳利用电热量热法和机械量热法进行了大量的实验，最终精确地求得了功和热量互相转换的数值关系—热功当量。如果用W表示电功或机械功，用Q表示这一切所对应的热量，则功和热量之间的关系可写成W=JQ，J即为热功当量。

目前国际上对卡和焦耳的关系有两种规定：1热工程卡＝4.1868焦耳；1热化学卡＝4.1840焦耳。国际上把“卡”仅作为能量的一种辅助单位，并建议一般不使用“卡”。国际单位制规定，功、能和热量一律使用焦耳为单位。虽然热功当量的数值现已逐渐为人们所少用，但是，热功当量的实验及其在物理学发展史上所起的作用是不可磨灭的。焦耳的热功当量实验为能量转化与守恒定律奠定了坚实的实验基础。

本实验采用焦耳曾经做过的电热法来测定热功当量。

二、 教学目标

1、了解电流作功与热量的关系,用电热法测定热功当量。 2、了解热量损失的修正方法。

三、 教学重点

1、了解电流作功与热量的关系。

四、 教学难点

1、正确读取温度的方法和时机。

五、 实验原理

1、 用电热法来测定热功当量

如果加在加热器两端的电压为U, 通过加热器的电流为I, 电流通过时间为t, 则电流作功为：

W?IUt

（1）

如果这些功全部转化为热量，此热量用量热器测出，则可求出热功当量。 设m1表示量热器内圆筒质量，C1表示其比热。m2表示铜电极和铜搅拌器的质量，C2表示其比热。m3表示量热器内圆筒中水的质量，C3表示水的比热，T1和T2表示量热器内圆筒及圆筒中水的初始温度和终末温度，那么量热器内圆筒及圆筒中的水等所吸收的热量Q为

Q??mC11?m2C2?m3C3??T2?T1?

（2）

如果过程中没有热量散失，电功W用焦耳(J)作单位，热量Q 的单位用卡(cal)时，则有

W?JQ

（3）

式中，J为热功当量，由上式可得测量J的理论公式：

J?WIUt?(J/cal) Q(m1c1?m2c2?m3c3)(T2?T1)（4）

2、 散热修正

上述讨论是假定量热器与外界无热量交换时的结论，实际上只要有温度的差异就必然要有热交换存在。本实验中热量的散失主要是蒸汽通入盛有水的量热器中，混合过程中量热器向外散失的热量，因此需要进行散热修正。在系统与环境的温差不大时，一般依据牛顿冷却定律进行粗略的散热修正，即抵偿法。其基本思想是设法使系统在实验过程中能从外界吸热以补偿散热损失。

牛顿冷却定律指出，系统的温度TS如果略高于环境温度?（温差不超10℃-15℃），系统热量的散热速率与温度差成正比，数学表达式为dQdt?K(TS??)，其中K为散热常数，与量热器表面积成正比并随表面吸收或发射热辐射的本领而变，所以在实验过程中系统吸热或散热的多少主要由温度差决定。

一般情况下，选择系统的初温T1和末温T2与环境温度?之差近似相等，即

??T1?T2??，这样即可粗略的使散热得以补偿。本实验为使系统的初温T1??，量热

器需预装温度低于室温的水，通过控制所用水的质量和电加热时间，满足抵偿法条件，使实验过程中系统对外界的吸热和散热相互抵消，从而获得良好的实验结果。

六、 实验仪器

DW-1电阻丝量热器、DM-A2数字电流表、物理天平、DM-T数字温度计、DM-V4数字电压表、WYT-20直流稳压电源、秒表、滑线变阻器、开关。

仪器装置如图1所示，M与B分别为量热器的内外两个圆筒，C为绝缘层，D为绝缘盖，J为两个铜金属棒，用以引入加热电流，F是绕在绝缘材料上的加热电阻丝，G是搅拌器，H为温度计，E为稳压电源。

七、 实验内容与步骤

1、 记录室温?。

2、 用天平称量热器内筒质量m1。

图1 电热法测量热功当量的实验装置图

3、 内筒中装入适量的预先备好的冷水（约低于室温10℃，约占内筒容积一半），用天平称得内筒和水的质量m1+m3。

4、 将内筒放入外筒，电阻丝、搅拌器放入水中，盖上盖板，按图1连好电路。 5、 插好温度计，记录稳定后的初始温度T1。

6、 估算终末平衡温度??=2??T1。此值在以下操作中做参考用。

7、 调电源电压，输出为15.0伏左右，闭合开关同时启动秒表记时，并迅速调节变阻器使电流在700~900mA。以后要随时观察电流表和调整变阻器，使电流值保持稳定。通电过程中，不断轻微搅拌水，以加速热传导。读出电流表和电压表的示数并记录。

8、 通电15分钟左右，当温度接近估算的平衡温度??时，断开开关，并同时停止计时。继续搅拌水并观察温度计示数，待温度随“热惯性”升至最高值时，即为实测的平衡温度T2。记录加热时长t、末温T2。

9、 实验完毕，整理仪器，处理数据。

八、 数据表格及数据处理

1、 实验数据表格 表1

名称 单位 数值 内筒质量 水质量 初始温度 终末温度 环境温度 加热时长 m1(kg) m3 (kg) T1(℃) 25.75 T2 (℃) 33.25 θ (℃) 27.15 t(s) 923.00 电流 I(A) 0.825 电压 U(V) 12.84 0.17593 0.28513

2、 计算热功当量及其相对误差。 (1)已知参数

铜电极和铜搅拌器的质量：m2=0.0279kg；铜比热容：C2=0.093?103cal/ (Kg·℃) ； 水比热容：C3=1.00?103cal/ (Kg·℃)；玻璃比热容：C1=0.18?103cal/( Kg·℃)； 热功当量公认值：J=4.1868(J/cal) (2)热功当量的实验值：

J?WIUt??4.0792(J/cal) Q(m1c1?m2c2?m3c3)(T2?T1) (3)热功当量的相对误差：

??J?J公?100%=5.31% J公

九、 指导要点及注意事项

1、 严守天平的操作规则。

2、 数字温度计要浸入水中，但又不能触及电热丝，也不要插得很深。

3、 电路接好后，须经指导教师检查无误后，才能接通电源，注意电表的正负极性不要接反。

4、 只有当电热丝浸入在水中才能通电，否则，电热丝可能会被烧坏。 5、 实验完毕立即将杯中的水倒掉，以免腐蚀电极。

十、 实验管理和成绩记载

1、实验管理

(1) 预习检查：检查学生的学生证，检查学生预习报告并签字，随机提问（约占实验学生的四分之一）检查学生的预习情况。无预习报告或预习检查不合格的学生取消当堂课实验资格，重新预约该实验。

(2) 操作管理：巡回检查学生的实验操作和实验数据记录情况，及时发现、指导、解决学生在实验操作中遇到的问题，检查完成实验学生的数据记录并签字；对在1小时左右完成实验的学生进行认真的检查并要求其完成实验的选做内容。

(3) 实验报告批改：要求学生认真作好实验报告，并于实验后一周内交给任课教师 (地点：主教学楼1楼走廊信箱) ；及时批改学生的实验报告，作好成绩记载并及时发还给学生。

2、成绩记载

平时成绩：实验操作60%；实验报告40%；及时在实验预约单上记载平时成绩。 综合成绩：平时成绩60%；考试成绩40%。

十一、 实验思考题

1、 如果实验过程中加热电流发生了微小波动，是否会影响测量的结果？为什么？

2、 如何检查天平的两臂长度是否相等? 如果天平不等臂，该怎样测定物体的质量？

3、 实验过程中量热器不断向外界传导和辐射热量。这两种形式的热量损失是否会引起系统误差？为什么？

十二、 教学后记

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