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物理仪器怎样测量

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杯子也在吸热,怎样量出样品的比热

要从升温量知道样品比热,得先量清楚杯子和水吸了多少热,再补回散到室内的那一部分。温度计上多出的一格,背后有整套装置一起在升温。

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加热的是杯中的一整套东西

把一件金属试样放进水里,接通浸在水下的电阻。电流经过电阻,电能进入水浴。搅拌让各处的水温接近,金属与内杯也慢慢暖起来。插在另一处的探针告诉我们,这一整套东西升了多少温。

如果只拿输入电能除以金属试样的升温量,水和杯子吸走的能量也会算到金属头上。杯子再轻,也不是不吸热。常见的双杯量热器里,外杯与空气层帮助隔热,里面盛水的铝杯则要随水一起计算。

热容说的是:让一个物体升高一度,需要多少能量。把热容除以质量,得到比热,才方便比较轻重不同的试样。同一种材料做成两倍重的试样,热容约为两倍,比热通常仍接近原值。

电能可以直接从电压、电流与通电时间求出。电源不稳定时,就把每一小段时间里的电能加起来。完整的功率记录比只记一个标称电压更有用,因为它保留了实验中实际送入多少能量。

来源:[1][2][3]

先让杯子和同量水单独暖一次

取走金属,保留同一个内杯、加热器和同量水,再做一次加热。这份没有样品的实验叫空白。这里的空白仍然是一杯水,加热电阻照样浸在水下。它量出的是样品放进去以前,装置本来就有的热容。

设想一组理想绝热的教学实验:空白每升高一度需要 280 焦耳,加入一件五十克样品后,需要 325 焦耳。多出来的 45 焦耳,正是这件样品每升高一度吸收的能量。换算成一千克同种材料,就是每度 900 焦耳。这个数接近室温下铝的常用比热。

两次实验都输入 1600 焦耳时,空白大约升温 5.71 度,放入样品后只升温 4.92 度。样品越能吸热,同样电能带来的升温就越小。比较的是两次实验的热容,水量与杯子必须保持相同。

cs=Cwith sample−Cblankmsc_s=\frac{C_{\mathrm{with\ sample}}-C_{\mathrm{blank}}}{m_s}
分子是放入样品前后的热容之差,分母是样品质量。热容用焦耳每开尔文,质量用千克,便得到比热。

来源:[1][3]

断电以后的温度还在告诉我们什么

真实的杯子会向室内散热。水浴越热,向外流走的热通常越多,升温曲线也会越来越平。如果把这部分电能全当作杯中物体吸收的能量,算出的热容就会偏大。

假如电源送来 1600 焦耳,其中 200 焦耳在加热期间散到了室内,留在杯里的就只有 1400 焦耳。温度反映的是后一个数。若仍用全部 1600 焦耳计算,同样的温升就会被解释成更大的热容,结果大约高出百分之十四。

关掉电源后继续测温,便能看清这条散热通道。水温高于室温时,曲线往下走;热漏得越快,降温也越快。把加热段与冷却尾部放在一起,才能更好地区分吸热多和漏热快。

探针自己也要吸热。它从较冷处插进温水,不会立刻显示水温;甚至断电后,水浴已开始冷却,探针还在追赶刚才的温度。先把探针放进已知温度的恒温浴,记下它怎样跟上,再解释量热曲线,就能把这种迟缓纳入计算。

这些修正适合水浴搅拌充分、温升不大的实验。若样品内部还很冷,或已有明显蒸发,单个温度就难以代表整杯物质。此时要改变实验安排,先让热真正传匀。

来源:[2][4]

来源与延伸阅读

  1. PASCO Energy Transfer Calorimeter ET-8499, 012-08808D

    第 1 页:绝热外杯、铝制内杯、浸入加热器与独立探针孔。

  2. Ann Hanks / PASCO, Electrical Equivalent of Heat EX-5525

    第 2 页式 1–3:热容与电能;第 3–5 页:探针位置、搅拌及温度与功率记录。

  3. OpenStax University Physics Volume 2, section 1.4

    式 1.5、表 1.3、例 1.5 与例 1.7:比热、杯子与水的吸热及混合平衡。

  4. PASCO PS-2125 Temperature Sensor, 012-07971E

    第 2–3 页:两点参考标定与响应说明。手册中的等待稳定时间不是指数响应时间常数。

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