CN105699420B - 一种绝热式固体比热容测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及固体比热容测量技术领域，具体涉及一种绝热式固体比热容测量装置及方法。其中绝热式固体比热容测量装置包括加热杯、量热器以及通道，所述通道允许待测物从所述加热杯移动至所述量热器，通道内设置阀，自然闭合的所述阀使所述通道封闭，且在待测物经过时开启；所述加热杯包括加热器、第一温度传感器、第一液晶显示屏；所述加热杯内设置放置待测物的支架，以允许待测物从所述支架转移至所述待测物出口；所述量热器包括搅拌器、第二温度传感器、第二液晶显示屏。通过使待测物在完全绝热的情况下转移，大大降低了测量误差，且装置自动化程度高，易于操作，具有广阔的市场前景。

Description

一种绝热式固体比热容测量装置及方法

技术领域

本发明涉及固体比热容测量技术领域，具体涉及一种绝热式固体比热容测量装置及方法。

背景技术

比热容(specific heat capacity)又称比热容量，简称比热（specific heat），是单位质量物质的热容量，即是单位质量物体改变单位温度时吸收或释放的热量。

物质的比热容与所进行的过程有关，在过程应用上常用的有定压比热容Cp、定容比热容Cv、和饱和状态比热容三种。

定压比热容Cp：是单位质量的物质在压力不变的条件下，温度升高或降低1℃或1K所吸收或放出的能量。

定容比热容Cv：是单位质量的物质在容积（体积）不变的条件下，温度升高或降低1℃或1K所吸收或放出的能量。

饱和状态比热容：是单位质量的物质在某饱和状态时，温度升高或降低1℃或1K所吸收或放出的能量。

固体比热容是衡量固体热力学性质的重要指标。是描述物质蓄热能力的物理量，固体比热容的测定具有重要意义。

如申请公布号为CN 103837567 A的专利文献，公开了一种能自平衡加压的液体比热容测量装置及方法，提供了一种能自平衡加压的液体比热容测量装置及方法。

固体比热容测量是大学物理实验中热学部分的一个经典实验，以往的实验方法虽然有一定的优越性，但也存在不完善之处。例如：加热装置与混合物体的量热器分离。当把待测高温物体从加热杯取出再放到量热器中，高温物体与外界温差较大,转移所需时间较长，向外界空间散失热量较多，绝热条件不能满足，所以量热实验的误差一般较大。

旧测量方法为水浴法加热：将待测物体侵泡在水中加热，达到热平衡后取出，固体上附带的水份较多，如果不考虑水所携带的热量，必将产生较大的误差。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种一种绝热式固体比热容测量装置及测定方法，通过使待测物在完全绝热的情况下转移，大大降低了测量误差，具体技术方案如下：

一种绝热式固体比热容测量装置，包括加热杯（1）和量热器（2），还包括通道（3），用于密闭地连接所述加热杯（1）和量热器（2），所述通道允许待测物从所述加热杯（1）移动至所述量热器（2）；所述通道（3）内设置阀（23），自然闭合的所述阀（23）使所述通道（3）封闭，且在待测物经过时开启；所述加热杯（1）包括加热器、加热开关（11）、第一温度传感器（12）、用于显示加热杯内温度的第一液晶屏（8）以及与所述通道（3）对应的待测物出口；所述加热杯（1）内设置放置待测物的支架，所述支架使待测物保持在液位以上的空间中，并允许待测物从所述支架转移至所述待测物出口；所述量热器（2）具有大致密封的绝热空间，包括搅拌器（18）、第二温度传感器（17）以及用于显示量热杯（19）内液体温度的第二液晶屏（14）。

作为优选的技术方案，所述阀（23）为硅胶芯，所述硅胶芯具备圆柱形开口以及自然闭合的尾部，其允许滚动的待测物通过，待测物通过后尾部又能恢复自然闭合。

作为优选的技术方案，所述阀（23）为弹力止回阀，其具备仅允许待测物单向通过的阀瓣以及为阀瓣提供弹力的弹簧。

作为优选的技术方案，所述阀（23）为翻板阀，所述翻板阀具备仅允许待测物单向通过的翻板以及翻板配重物。具体地，翻板阀为跷跷板结构，翻板阀由成一定角度的两个翻板阀片绕轴连接而成，一侧翻板阀片带有配重物，另一侧翻板阀片堵塞通道；待测物通过翻板阀后使其翻转，物体通过通道，翻板阀在重力作用下又转回原位。

作为优选的技术方案，还包括记忆金属（25），用于感受加热杯内的温度并产生使待测物滚落的位移。

作为优选的技术方案，所述记忆金属（25）固定于所述支架，其变态温度为大约100℃，当加热杯内水沸腾时，所述记忆金属发生形变，将待测物推出支架，然后沿支架的坡道运动，经过所述阀（23）并进入所述通道（3）。

作为优选的技术方案，还包括硅胶隔膜（24），设置于所述待测物出口下方的加热杯（1）内，用于阻隔水蒸气或蒸馏水进入所述通道（3）。

作为优选的技术方案，所述量热器（2）还具备电动搅拌器（18），所述电动搅拌器能够正反向转动，使量热杯内水温均匀。

作为优选的技术方案，所述待测物为金属小球。

作为优选的技术方案，所述加热杯（1）和量热器（2）的外壳部分或全部采用透明材料，以便于观察。

本发明还涉及一种利用上述任意测量装置测量固体比热容的方法，包括以下步骤：

1)称出所述待测物的质量m，其待测比热容为Cv；

2)称出所述量热杯质量m ₁，根据量热杯的材料获取其比热容c ₁；

3)量取质量为m ₂的蒸馏水倒入所述量热杯，测定温度值t ₀；所述蒸馏水的比热容为c ₂；

4)将一定量的蒸馏水倒入所述加热杯（1）中；

5)加热杯（1）加热蒸馏水，直到水沸腾并保持一段时间，待温度稳定后测定沸水温度t ₁，即为所述待测物混合前的温度，从所述第一液晶屏（8）读取；

6)使所述待测物通过所述待测物出口进入所述通道（3），然后落入所述量热器（2）中，且与量热杯（19）中的蒸馏水混合；

7)待量热杯（19）中蒸馏水温度不发生变化后，测定与待测物混合后的平衡温度t，该平衡温度从所述第二液晶屏（14）读取；

8）通过计算得到固体球的比热容Cv，计算公式为：

相比现有技术，本发明的技术方案具有显著的技术效果：

（1）本发明在加热杯内部与量热器内部搭建一个倾斜通道，且在其中设置有阀，将加热杯与量热器隔离为两个独立的封闭系统，无热量的传递。待测物体球由加热杯到量热器中，且与液体（水）进行混合，此过程是在加热杯与量热器内部进行，与外界无热量的交换，基本满足绝热条件，大大减少实验误差。

（2）将水浴法加热为蒸汽法加热，固体球上附带的水份较少，可以基本忽略其影响，进一步提高了测量的准确度。

（3）手动搅拌改为电动搅拌。旧的量热器盖上开一小孔，在小孔中插入搅拌器，上下搅拌液体（水）时，空气通过小孔进入量热器中，会有内外热量交换，亦会产生误差。量热器为一封闭系统，在量热器杯盖下部安装有电动搅拌器，采用电动控制搅拌时间和次数（搅拌时间不宜过长），搅拌过程是在量热杯内部进行，与外界无热量交换，亦减少了实验误差。

（4）酒精（水银）温度计测量温度，读数不准确，玻璃易碎。作为优选，将酒精（水银）温度计测温改为温度传感器探头测温，液晶屏时时显示温度值，读数准确直观，提高了实验装置的智能化。

（5）在容纳待测物体球的半圆形漏勺中安置某种记忆金属，变态温度为大约100℃（高原地区使用可以采用变态温度低于100℃的记忆金属），当水沸腾时，被加热的记忆金属发生形变，推动半圆形漏勺中物体球运动；当温度下降时记忆金属恢复原态。

（6）现有的实验设备中，加热装置、量热装置、温度计等各种仪器零散放置，显凌乱。另外，加热杯与量热器外观相似，极易误操作，损坏仪器。本发明装置为一体式结构，将加热装置、量热装置、双层倾斜通道，这三部分一次性注塑成型，固定在凹形外围槽中间，凹形槽内部为实验装置的控制电路部分，整个仪器装置组成为“U”形一体式结构，装置整体结构紧凑、稳固美观。

（7）本发明提供的直线式的提手和把手符合人体工学设计，使用更舒适。

此外，该装置操作方便，读数准确直观，装置结构紧凑，稳固美观，造价低廉，是值得进行商品化推广。

附图说明

图1是绝热式固体比热容实验装置图；

图2是量热杯盖示意图；

图3是硅胶芯示意图；

图4是支架装置示意图；

图5是支架装置俯视图；

图6是硅胶隔膜示意图；

图7是弹力止回阀示意图；

图8是双翻板阀示意图。

图中各附图标记为：

1加热杯，2量热器，3通道，4外围基座，5待测物球，6锥形支架，7半圆形漏勺，8第一液晶屏，9加热杯盖，10指示灯，11 加热开关，12第一温度传感器，13搅拌器开关，14第二液晶屏，15下耦合器，16 量热杯盖，17第二温度传感器,18电动搅拌器，19量热杯，20电源插座，21隔热板，22空气层，23阀，24硅胶隔膜，25记忆金属弹簧，26翻板阀，27配重块，28阻挡板。

具体实施方式

结合附图1-8对本发明的装置结构进行说明。本发明的一种绝热式固体比热容实验装置包括加热杯1、量热器2以及通道3，这三部分一次性注塑成型，固定在凹形外围槽中间，凹形槽内部为实验装置的控制电路部分，整个仪器装置组成为“U”形一体式结构。

加热杯1可以采用电加热水壶或类似结构，塑料外壳，不锈钢内壳；壶体的基座内安装有加热器，用于加热杯内的蒸馏水。基座4内安装有凸起的钢质内壳，钢质内壳向上凸起而伸入壶体内，钢质内壳的内部设置有检测温度的第一温度传感器12。另外，在杯内侧通道3下方设有一圈凹形槽，槽内放置硅胶隔膜24，其可以自由取出。如图1和6 所示，当加热杯1倾斜时，硅胶隔膜24可以阻隔蒸馏水进入双层倾斜通道3内，同时该硅胶隔膜24也能够阻挡一部分水蒸气接近或进入待测物出口（通道3与加热杯1的连接处）。

所述加热杯1外壳装有显示温度的第一液晶屏8及加热开关11。加热杯盖9为透明塑料材质,用于观察实验现象。待测物体5制作成球体，优选为金属小球。

本发明中的放置待测物的支架可以采用本领域技术人员能够想到的任何一种能够放置待测物的结构、形式，其可以是一体结构，也可以由多部分组成。作为优选的技术方案，支架包括锥形支架6和半圆形漏勺7，锥形支架6置于加热杯1内部，且下部圆形环与加热杯杯底内径大小相同，锥形支架6卡于杯内部，稳固不易晃动，且可以自由取出；半圆形漏勺7置于锥形支架6上部（两者可以优选用金属扣卡接在一起），具有钢质网状结构，用于容纳待测物，半圆形漏勺7的坡道末端接近待测物出口或与待测物出口连接，该坡道优选与通道3具有相同倾斜角度。在半圆形漏勺7上由于蒸气凝结的水可以通过网眼滴落到加热杯1中。

通道3内设置阀23，自然闭合的阀23使所述通道3封闭，且在待测物经过时开启。该阀可以采用本领域技术人员能够想到的一切单向通过阀结构，如硅胶芯、弹力止回阀或翻板阀。

硅胶芯，类似于地漏硅胶芯，圆柱形开口，前小后大，尾部自然闭合，与双层倾斜通道3内壁自然贴合，如图3所示。

作为优选，所述硅胶芯置于半圆形漏勺7与双层倾斜通道3接口处，且与双层倾斜通道3内壁贴合在一起。滚动的物体球5从硅胶芯中通过后，尾部的硅胶又能恢复自然闭合的状态。

作为优选，所述硅胶芯作用： 1)它可以是待测物体球5由加热杯1到量热杯19的必经通道；2)硅胶材料绝热性能好，不传导热量；且尾部是自然闭合状态，阻隔了加热杯的水蒸气进入量热杯内，将加热杯1与量热器2分隔成两个封闭独立系统，二者无热量交换，因此可以达到较好的绝热、隔离的效果。

作为优选，所述硅胶芯亦可以用弹力止回阀代替，如图7所示。

上述弹力止回阀，合页式结构，采用软弹簧直接拄抵阀瓣；阀瓣在弹簧的弹力作用下堵塞管道；当有一定压力时阀瓣压缩弹簧，管路接通，物体通过止回阀；软弹簧的作用是：阀瓣受到较小力时即可开启，物体球易于顺畅通过，力消失后迅速关闭，阻止气体倒流。进一步，可以在通道的两端分别设置两个弹力止回阀，当待测物通过通道入口的第一个弹力止回阀时，通道出口处的第二个弹力止回阀处于关闭状态，避免了气体交换，当待测物通过第二个弹力止回阀时 ，第一个弹力止回阀已经关闭，这样彻底阻隔了在待测物通过时可能出现的由于加热杯1和量热器2气压不同导致的气体交换问题，能够减小误差。

作为优选，所述弹力止回阀亦可以用翻板阀代替，如图8所示。

翻板阀为跷跷板结构，翻板阀由成一定角度的两个翻板阀片连接而成，一侧翻板阀片带有配重物，另一侧翻板阀片堵塞通道；待测物通过翻板阀后使其翻转，物体通过通道，翻板阀在重力作用下又转回原位。进一步，在通道两端分别设置两个翻板阀，二者共同实现：在通道3的入口和出口之间形成隔热空间，将物体球5进入通道3所带入的少量蒸汽阻隔在此空间，防止蒸汽进入量热器2内，实现加热杯1与量热器2之间无热量交换的效果。

如图4-5，本发明还包括记忆金属25（优选记忆金属弹簧），置于半圆形漏勺7内，平行于漏勺坡道。记忆金属弹簧的变态温度为大约100℃，当水沸腾时，被加热的记忆金属弹簧变长，将物体球推出半圆形漏勺7，然后沿坡道运动，相当于给物体球一个初动能；当温度下降时，记忆金属恢复原态。

作为优选，水浴法加热是将固体球放入水中加热，取出固体球时附带的水份较多，再放入量热器中与水混合，如果不考虑附带水份的热量的影响，势必增加误差。而蒸气法加热时，半圆形漏勺7上的待测固体球5与水是分离状态，固体球上粘敷水份较少，可以忽略其影响，减少了实验误差，体现蒸汽法加热的优越性。

通道3采用双层倾斜通道，中间为空气层。通道内部与外界绝热，用于联接加热杯1与量热器2的内部通道，透明塑料制作，易于观察实验现象。

本发明也可以包括不具备记忆金属的技术方案，轻轻晃动（或沿通道倾斜）加热杯1，半圆形漏勺7中的待测物球5沿坡道向下滚出，由于惯性作用，待测物球通过阀，进入通道3，然后落入量热器2中的量热杯19中，且与量热杯19中的蒸馏水混合。

量热器2将热待测物体与常温下的水混合的装置，量热器2外壳用透明塑料制作，易于观察实验现象；量热杯19（优选钢质），用于将待测物体球5与常温下的水混合的容器，位于量热器2内部，可以自由取出；还具有隔热板21，置于量热杯19侧壁及底部，其中空结构可以起到很好的隔热作用。

量热杯盖16机构包括：第二温度传感器17，置于量热杯盖16内侧，且插入量热杯19内的水中，用于测量水的温度。第二液晶屏14，显示液体温度值；电动搅拌器18，正反转动，使杯内水温度均匀；安装在量热器盖16上的第二温度传感器17与电动搅拌机18之间间距小于物体球直径，平行放置量热器开口处，两者均距离开口处约为1.5倍物体球直径。当待测物球5落入量热杯19内时，先碰到搅拌器18及第二温度传感器17的杆上，然后落入水中，即起到缓冲的作用，防止溅水。

还包括控制电路，包括测温电路、电动搅拌器控制电路、液晶显示模块，杯盖插头部分。所述量热杯盖16，提起后可自动断电，隔断线路。外围基座4，为“凹”形槽结构，将加热杯1和量热器2固定在中间，“凹”形槽内部为控制电路；该控制电路包括加热杯1的控制电路与量热器2的控制电路。

作为优选,加热杯1控制电路包括加热电路、温度传感器电路、液晶显示电路、防干烧电路、以及报警电路；量热器2控制电路包括：温度传感器电路、液晶显示电路、搅拌电机控制电路、下耦合器等。

本发明的检测装置利用混合法测定固体比热容方法，利用了热平衡原理。

热平衡原理的基本内容是：不同温度的物体混合在一起组成孤立体系时，高温物体向低温物体传递热量，如果与外界没有任何热交换则它们最终将达到均匀、稳定的平衡温度，这时称系统达到了热平衡。高温物体放出的热量与低温物体吸收的热量相等，即。利用本实施举例装置测量金属球比热容的方法包括以下步骤：

1)电子天平先称出待测金属球5(铜或铝)的质量m，其待测比热容设为Cv；

2)电子天平再称出量热杯19（钢）质量m ₁，已知钢的比热容为c ₁；

3)用量筒盛室温的蒸馏水，称得其总质量为m ₂，已知水的比热容为c ₂,将其倒入量热杯 (水面刚好淹过待测金属球即可)，测定温度值t ₀；

4)用量筒盛适量蒸馏水倒入加热杯1中(水面在双层倾斜通道下约1/3高度)；

5)加热杯1加热蒸馏水，直到水沸腾。加热杯中的水必须沸腾一段时间，待温度稳定后测定沸水温度t ₁，即为金属球混合前的温度；

6)当水沸腾时，记忆金属弹簧25开始伸长，推动金属球5开始运动；亦可以采取轻轻晃动（或沿通道倾斜）仪器的方式，使待测金属球5从半圆形漏勺7中滚出，沿坡道向下运动，由于惯性作用，金属球5通过阀23进入双层倾斜通道3，然后落入量热杯19中，且与量热杯19中的蒸馏水混合；

7)按下量热杯盖16上的搅拌器开关13，搅拌器18正反转动数秒停止（手动控制，时间不宜过长），使水温均匀，待温度不发生变化后，测定混合后的平衡温度t；

8）通过计算得到固体球的比热容Cv，计算公式为：

所述步骤 3）中，温度值可以从量热器2的温度传感器17测定，液晶屏14上读取t ₀值。

所述步骤5）中，温度值可以从加热杯1的温度传感器12测定，液晶屏8上读取t ₁值。

所述步骤7）中，温度值可以从量热器2的温度传感器17测定，液晶屏14上读取t值。

作为优选，量热杯19内的温度传感器17及搅拌器18浸入水中的那部分体积小，吸收的热量可忽略。

作为优选，所述双层倾斜通道3，中间为空气层，起绝热作用；金属球5从其中瞬间通过，时间很短，由于有阀23的作用，加热杯1与量热器2之间基本无热量交换；另外，金属球5是由通道3进入量热杯19，没有经过外界环境，与外界无任何热量传递，真正实现了绝热条件，大大减少测量误差，且用透明塑料制作，易于观察金属球5运动状况。

Claims (8)

1.一种绝热式固体比热容测量装置，包括加热杯(1)和量热器(2)，其特征在于：

还包括通道(3)，用于密闭地连接所述加热杯(1)和量热器(2)，所述通道允许待测物从所述加热杯(1)移动至所述量热器(2)；所述通道(3)内设置阀(23)，自然闭合的所述阀(23)使所述通道(3)封闭，且在待测物经过时开启；

所述加热杯(1)包括加热器、加热开关(11)、第一温度传感器(12)、用于显示加热杯内温度的第一液晶屏(8)以及与所述通道(3)对应的待测物出口；所述加热杯(1)内设置放置待测物的支架，所述支架使待测物保持在液位以上的空间中，并允许待测物从所述支架转移至所述待测物出口；

所述量热器(2)具有大致密封的绝热空间，包括搅拌器(18)、第二温度传感器(17)以及用于显示量热杯(19)内液体温度的第二液晶屏(14)；

所述阀(23)为硅胶芯，所述硅胶芯具备圆柱形开口以及自然闭合的尾部，其允许滚动的待测物通过，待测物通过后尾部又能恢复自然闭合。

2.根据权利要求1所述的绝热式固体比热容测量装置，其特征在于，还包括记忆金属(25)，用于感受加热杯内的温度并产生使待测物滚落的位移。

3.根据权利要求2所述的绝热式固体比热容测量装置，其特征在于，所述记忆金属(25)固定于所述支架，其变态温度为大约100℃，当加热杯内水沸腾时，所述记忆金属发生形变，将待测物推出支架，然后沿支架的坡道运动，经过所述阀(23)并进入所述通道(3)。

4.根据权利要求1所述的绝热式固体比热容测量装置，其特征在于，还包括硅胶隔膜(24)，设置于所述待测物出口下方的加热杯(1)内，用于阻隔水蒸气或蒸馏水进入所述通道(3)。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的绝热式固体比热容测量装置，其特征在于，所述量热器(2)还具备电动搅拌器(18)，所述电动搅拌器能够正反向转动，使量热杯(19)内水温均匀。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的绝热式固体比热容测量装置，其特征在于，所述待测物为金属小球。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的绝热式固体比热容测量装置，其特征在于，所述加热杯(1)和量热器(2)的外壳部分或全部采用透明材料，以便于观察。

8.一种利用权利要求1-7中任一项所述的装置测量固体比热容的方法，包括以下步骤：

1)称出所述待测物的质量m，其待测比热容为Cv；

2)称出所述量热杯质量m₁，根据量热杯的材料获取其比热容c₁；

3)量取质量为m₂的蒸馏水倒入所述量热杯，测定温度值t₀，从所述第二液晶屏(14)读取；所述蒸馏水的比热容为c₂；

4)将一定量的蒸馏水倒入所述加热杯(1)中；

5)加热杯(1)加热蒸馏水，直到水沸腾并保持一段时间，待温度稳定后测定沸水温度t₁，即为所述待测物混合前的温度，从所述第一液晶屏(8)读取；

6)使所述待测物通过所述待测物出口进入所述通道(3)，然后落入所述量热器(2)中，且与量热杯(19)中的蒸馏水混合；

7)待量热杯(19)中蒸馏水温度不发生变化后，测定与待测物混合后的平衡温度t，该平衡温度从所述第二液晶屏(14)读取；

8)通过计算得到固体球的比热容Cv，计算公式为：

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