CN109655485A - 一种采用消除法测量液体比热容的装置及方法 - Google Patents

一种采用消除法测量液体比热容的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于物理学领域，涉及一种物理实验装置及方法，具体涉及一种采用消除法测量液体比热容的装置及方法，本发明基于比较法做出了改进，增加了第三组比较对象，构成二元一次方程组，对c1和S进行求解，即可测出待测液体的比热容c1。本发明结构简单，器材组件现有的实验室可以轻易组装搭配，大大降低了成本，便于实验或观察教学；测量的物理量少，通过最终的公式推导，只需要记录每次前后温度，以及三组量热器中液体质量，大大减少了计算量，计算方便；缩减了计算步骤，减去了多次计算后所带来的计算误差，为实验的准确性和可靠性提供了充分保障。

Description

一种采用消除法测量液体比热容的装置及方法
技术领域
本发明属于分析测量装置领域，涉及一种液体比热容测量装置及方法，具体涉及一种采用消除法测量液体比热容的装置及方法。
背景技术
比热容（Specific Heat Capacity，符号c），简称比热，亦称比热容量，是热力学中常用的一个物理量，表示物体吸热或散热能力。比热容越大，物体的吸热或散热能力越强。它指单位质量的某种物质升高或下降单位温度所吸收或放出的热量，其国际单位制中的单位是焦耳每千克开尔文[J/( kg·K )]，即令1KG的物质的温度上升1开尔文所需的能量。
比热容的测量是物理学的基本测量之一，属于量热学的范畴。量热学在许多领域都有广泛应用，特别是在新能源的开发和新材料的研制中，量热学的方法是不可缺少的。其中，针对液体比热容的测量方法有很多，如混合法、冷却法、比较法（用待测比热容与已知比热容比较得到待测比热容的方法）、电热法等等。
现有的测量方法主要存在以下缺点：（1）测量原理相对复杂，涉及的技术手段多，需要测量的物理量多，后期计算量大，操作和学习者理解困难。（3）实验测量结果中，需要依次计算量热器中的内筒、搅拌器、加热电阻丝、温度计等材料吸取的热量，需要单独测量内筒、搅拌器、加热电阻丝的质量，还要测量温度计没入液体中体积等参数，计算量大，另外，交叉计算后会使得实验测量结果的误差进一步增大。
专利CN104990954A公开了一种液体比热容实验测量系统，是一种可以较为准确的测量不同种类流体比热容的测量系统，由加热系统、温度测量系统和实验误差修正系统组成。加热系统由从上至下分布四层的加热丝、搅拌器、稳压器、电流电压表组成；温度测量系统由从上至下分布四层的测温热电偶、样品杯中心热电偶及温度数据采集装置组成；实验修正系统由搅拌器发热量修正和实验系统散热修正组成。该测量系统能均匀加热不同类别的流体，并能准确实时的检测待测液体不同区域的温度，最终通过误差修正因子对实验结果进行修正使其更加趋近真实值。上述专利虽然能够对误差进行修正，但是仍然需要单独测量内筒、搅拌器、加热电阻丝的质量，还要测量温度计没入液体中体积等参数，计算量大，不利于实际工作和学习要求。
专利CN103033533A公开一种液体比热容的测量方法包括步骤：测量得到一段时间范围内的第一量热器的初温T1和末温T′1，加热装置放出的热量Q1；以及第二量热器的初温T2和末温T′2，加热装置放出的热量Q2；得到关于D1和D2的式（a）的一组等式；加热装置放出的热量Q1和Q2分别由积分器得到；分别改变m1和m2后重复上述步骤，得到式（a）的另外一组等式；根据之前得到的式（a）的两组等式计算得到D1和D2；将得到D1、D2带入式（a），计算得出待测液体的比热c。本发明的液体比热容的测量方法，利用积分器计算热量，通过改变待测液体的质量，既能排除了量热器本身的内筒、搅拌器等铜质材料的比热容和质量的乘积的影响，又能准确记录加热装置放出的热量Q，极大的提高了液体比热容测量的准确程度。该专利虽然能够通过消式来免去测算内筒、搅拌器、加热电阻丝、温度计等参数，但是步骤ii和步骤i不在一个完整的实验过程内，需要重新倒入新的液体，重新加热重新测量，因此，无法保证实验数据的一致性和准确性。
发明内容
根据以上现有技术的不足，本发明提供一种采用消除法测量液体比热容的装置及方法，具有实验装置简单，成本低，测量数据少，计算方便，误差值小的特点。
本发明所述的一种采用消除法测量液体比热容的装置，其特征在于：包括直流稳压电源、加热电路、搅拌电路、三组结构相同的量热器以及三组温度计；其中，所述加热电路与搅拌电路并联于直流稳压电源，所述加热电路包括依次串联的滑动变阻器、开关以及三组加热电阻丝，所述三组加热电阻丝均分到三组量热器中，所述搅拌电路包括依次串联的滑动变阻器、开关以及三组搅拌器，所述三组搅拌器均分到三组量热器中；所述三组温度计均分到三组量热器中；所述量热器包括内筒、外筒以及保温筒盖，所述内筒与外筒之间填充有保温材料，所述保温筒盖上开设有供加热电阻丝、搅拌器和温度计安装用的安装孔，其中两组所述量热器内分别填装有等体积的待测液体和水，余下一组所述量热器内填装有不同于另外两组体积的待测液体或水。
其中，优选方案如下：
加热电阻丝、搅拌器和内筒均采用相同的金属材料制作而成，更优选采用铜制作而成。
所述内筒与外筒之间填充的保温材料为保温泡沫。
所述保温筒盖为隔热硅胶盖。
余下一组所述量热器内填装有0.8~1.2倍另外任意一组体积的待测液体或水。
当余下一组内填装的是待测液体时，本发明采用上述装置利用消除法测量液体比热容，其特征在于按照以下步骤进行：
（1）向第一组量热器内填装待测液体，并记录重量m1，初始温度T1，以及待测比热容c1，向第二组量热器内填装与第一组相同体积的水，并记录重量m2，初始温度T2，以及已知比热容c，向第三组量热器内填装与第一组不同体积的待测液体，并记录重量m3，初始温度T3，以及待测比热容c1；每组量热器中的内筒、搅拌器、加热电阻丝和温度计在内的总热容记为S；
（2）搅拌电路和加热电路通电，一段时间后，三组量热器内液体温度上升，分别记为T1＇、T2＇和T3＇，则有Q1=(c1m1+S)( T1＇- T1)，Q2=(cm2+S)( T2＇- T2)，Q3=(c1m3+S)( T3＇- T3)，由于Q1= Q2= Q3，且只有c1和S是未知数，可以列成二元一次方程组，对c1和S进行求解，即可测出待测液体的比热容c1。
当余下一组内填装的是水时，本发明采用上述装置利用消除法测量液体比热容，其特征在于按照以下步骤进行：
（1）向第一组量热器内填装待测液体，并记录重量m1，初始温度T1，以及待测比热容c1，向第二组量热器内填装与第一组相同体积的水，并记录重量m2，初始温度T2，以及已知比热容c，向第三组量热器内填装与第一组不同体积的水，并记录重量m3，初始温度T3，以及已知比热容c；每组量热器中的内筒、搅拌器、加热电阻丝和温度计在内的总热容记为S；
（2）搅拌电路和加热电路通电，一段时间后，三组量热器内液体温度上升，分别记为T1＇、T2＇和T3＇，则有Q1=(c1m1+S)( T1＇- T1)，Q2=(cm2+S)( T2＇- T2)，Q3=(cm3+S)( T3＇- T3)，由于Q1= Q2= Q3，且只有c1和S是未知数，可以列成二元一次方程组，对c1和S进行求解，即可测出待测液体的比热容c1。
本发明基于比较法做出了改进，增加了第三组比较对象，第三组量热器中，虽然内部液体体积与前两组不同，但是内筒、搅拌器、加热电阻丝的质量都相同，唯一不同的是温度计没入液体内的体积不同，温度计所影响的热容微乎其微，在小数点后三位到四位数上，完全可以忽略不计，另外，本发明又对第三组量热器中液体的体积做了限定，为0.8~1.2倍另外任意一组的体积，又进一步减小了温度计没入液体中体积不同所带来的差别，因此，认为每组量热器中的内筒、搅拌器、加热电阻丝和温度计在内的总热容相等，都记为S。这样，再利用上述方法，构成二元一次方程组，对c1和S进行求解，即可测出待测液体的比热容c1。
本发明所具有的优点如下：（1）结构简单，器材组件现有的实验室可以轻易组装搭配，大大降低了成本，便于实验或观察教学；（2）测量的物理量少，通过最终的公式推导，只需要记录每次前后温度，以及三组量热器中液体质量，大大减少了计算量，计算方便；（3）缩减了计算步骤，减去了多次计算后所带来的计算误差，为实验的准确性和可靠性提供了充分保障。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中，1、直流稳压电源 2、滑动变阻器 3、开关 4、加热电阻丝 5、搅拌器 6、温度计 7、内筒 8、外筒 9、保温筒盖 10、保温材料。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，一种采用消除法测量液体比热容的装置其特征在于：包括直流稳压电源1、加热电路、搅拌电路、三组结构相同的量热器以及三组温度计6；其中，所述加热电路与搅拌电路并联于直流稳压电源1，所述加热电路包括依次串联的滑动变阻器2、开关3以及三组加热电阻丝4，所述三组加热电阻丝4均分到三组量热器中，所述搅拌电路包括依次串联的滑动变阻器2、开关3以及三组搅拌器5，所述三组搅拌器5均分到三组量热器中；所述三组温度计6均分到三组量热器中；所述量热器包括内筒7、外筒8以及保温筒盖9，所述内筒7与外筒8之间填充有保温材料10，所述保温筒盖9上开设有供加热电阻丝4、搅拌器5和温度计6安装用的安装孔，其中两组所述量热器内分别填装有等体积的待测液体和水，余下一组所述量热器内填装有不同于另外两组体积的待测液体或水。
加热电阻丝4、搅拌器5和内筒7均采用铜制作而成。
所述内筒7与外筒8之间填充的保温材料10为保温泡沫。
所述保温筒盖9为隔热硅胶盖。
余下一组所述量热器内填装有0.9倍另外任意一组体积的待测液体或水。
实施例2：
当余下一组内填装的是待测液体时，采用实施例1所述的装置测量待测液体的比热容，按照以下步骤进行：
（1）向第一组量热器内填装待测液体，并记录重量m1，初始温度T1，以及待测比热容c1，向第二组量热器内填装与第一组相同体积的水，并记录重量m2，初始温度T2，以及已知比热容c，向第三组量热器内填装与第一组不同体积的待测液体，并记录重量m3，初始温度T3，以及待测比热容c1；每组量热器中的内筒、搅拌器、加热电阻丝和温度计在内的总热容记为S；
（2）搅拌电路和加热电路通电，一段时间后，三组量热器内液体温度上升，分别记为T1＇、T2＇和T3＇，则有Q1=(c1m1+S)( T1＇- T1)，Q2=(cm2+S)( T2＇- T2)，Q3=(c1m3+S)( T3＇- T3)，由于Q1= Q2= Q3，且只有c1和S是未知数，可以列成二元一次方程组，对c1和S进行求解，即可测出待测液体的比热容c1。
具体数据如下：
其中，c=4.186 J/(g·K)
组号 样品 初始温度（℃） 结束温度（℃） 温差（℃） 液体质量（kg）
第一组 待测煤油 24 34 10 0.24
第二组 水 24 28.5 4.5 0.3
第三组 待测煤油 24 35 11 0.216
带入上式中进行计算，得到c1=2.152J/(g·K)，S=0.08372 J/g。其中，煤油的理论比热容值为2.132 J/(g·K)，实际误差为0.93%，远小于要求误差1.5%，证明本发明方法切实可行。
实施例3：
当余下一组内填装的是水时，采用实施例1所述的装置测量待测液体的比热容，按照以下步骤进行：
（1）向第一组量热器内填装待测液体，并记录重量m1，初始温度T1，以及待测比热容c1，向第二组量热器内填装与第一组相同体积的水，并记录重量m2，初始温度T2，以及已知比热容c，向第三组量热器内填装与第一组不同体积的水，并记录重量m3，初始温度T3，以及已知比热容c；每组量热器中的内筒、搅拌器、加热电阻丝和温度计在内的总热容记为S；
（2）搅拌电路和加热电路通电，一段时间后，三组量热器内液体温度上升，分别记为T1＇、T2＇和T3＇，则有Q1=(c1m1+S)( T1＇- T1)，Q2=(cm2+S)( T2＇- T2)，Q3=(cm3+S)( T3＇- T3)，由于Q1= Q2= Q3，且只有c1和S是未知数，可以列成二元一次方程组，对c1和S进行求解，即可测出待测液体的比热容c1。

Claims (8)

1.一种采用消除法测量液体比热容的装置，其特征在于：包括直流稳压电源、加热电路、搅拌电路、三组结构相同的量热器以及三组温度计；其中，所述加热电路与搅拌电路并联于直流稳压电源，所述加热电路包括依次串联的滑动变阻器、开关以及三组加热电阻丝，所述三组加热电阻丝均分到三组量热器中，所述搅拌电路包括依次串联的滑动变阻器、开关以及三组搅拌器，所述三组搅拌器均分到三组量热器中；所述三组温度计均分到三组量热器中；所述量热器包括内筒、外筒以及保温筒盖，所述内筒与外筒之间填充有保温材料，所述保温筒盖上开设有供加热电阻丝、搅拌器和温度计安装用的安装孔，其中两组所述量热器内分别填装有等体积的待测液体和水，余下一组所述量热器内填装有不同于另外任意一组体积的待测液体或水。
2.根据权利要求1所述的一种采用消除法测量液体比热容的装置，其特征在于：加热电阻丝、搅拌器和内筒均采用相同的金属材料制作而成。
3.根据权利要求2所述的一种采用消除法测量液体比热容的装置，其特征在于：加热电阻丝、搅拌器和内筒均采用铜制作而成。
4.根据权利要求1所述的一种采用消除法测量液体比热容的装置，其特征在于：所述内筒与外筒之间填充的保温材料为保温泡沫。
5.根据权利要求1所述的一种采用消除法测量液体比热容的装置，其特征在于：所述保温筒盖为隔热硅胶盖。
6.根据权利要求1所述的一种采用消除法测量液体比热容的装置，其特征在于：余下一组所述量热器内填装有0.8~1.2倍另外任意一组体积的待测液体或水。
7.一种采用权利要求1所述装置的消除法测量液体比热容方法，其特征在于按照以下步骤进行：
（1）向第一组量热器内填装待测液体，并记录重量m1，初始温度T1，以及待测比热容c1，向第二组量热器内填装与第一组相同体积的水，并记录重量m2，初始温度T2，以及已知比热容c，向第三组量热器内填装与第一组不同体积的待测液体，并记录重量m3，初始温度T3，以及待测比热容c1；每组量热器中的内筒、搅拌器、加热电阻丝和温度计在内的总热容记为S；
（2）搅拌电路和加热电路通电，一段时间后，三组量热器内液体温度上升，分别记为T1＇、T2＇和T3＇，则有Q1=(c1m1+S)( T1＇- T1)，Q2=(cm2+S)( T2＇- T2)，Q3=(c1m3+S)( T3＇- T3)，由于Q1= Q2= Q3，且只有c1和S是未知数，可以列成二元一次方程组，对c1和S进行求解，即可测出待测液体的比热容c1。
8.一种采用权利要求1所述装置的消除法测量液体比热容方法，其特征在于按照以下步骤进行：
（1）向第一组量热器内填装待测液体，并记录重量m1，初始温度T1，以及待测比热容c1，向第二组量热器内填装与第一组相同体积的水，并记录重量m2，初始温度T2，以及已知比热容c，向第三组量热器内填装与第一组不同体积的水，并记录重量m3，初始温度T3，以及已知比热容c；每组量热器中的内筒、搅拌器、加热电阻丝和温度计在内的总热容记为S；
（2）搅拌电路和加热电路通电，一段时间后，三组量热器内液体温度上升，分别记为T1＇、T2＇和T3＇，则有Q1=(c1m1+S)( T1＇- T1)，Q2=(cm2+S)( T2＇- T2)，Q3=(cm3+S)( T3＇- T3)，由于Q1= Q2= Q3，且只有c1和S是未知数，可以列成二元一次方程组，对c1和S进行求解，即可测出待测液体的比热容c1。
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