電熱法測定比熱容實驗的探討

陳華

摘要：本文通過比熱容的基本概念與測量方法介紹；基于萬能比熱容測量裝置的電熱法測定比熱容實驗研究，證明了改良后電熱法在測定比熱容方面的進步性和實際應用價值。

關鍵詞：比熱容；溫度；測量方法

O551.3

一、比熱容的基本概念與測量方法介紹

比熱容主要反映物體的熱性質這一物理量，它的表示單位就是以單位質量范圍內物質溫度每升高1℃單位溫度所吸收的熱量，它的具體單位為J/（kg·℃）。比熱容實驗也是物理實驗室內物質測量方面的基礎實驗之一。從物理學角度講，比熱容測量能幫助研究者了解物質的內部結構組成，同時深入掌握其物質性能，所以它在生化、輕重工業以及新能源研究方面都有涉獵。

就目前科研技術來看，測量比熱容的方法主要包括了比較法、混合法、電熱法等等?？陀^講，這些方法雖然實用但都存在弊端。以電熱法為例，它就需要通過加熱電阻絲來促使待測物質升溫再進行測量，這就涉及到較為復雜的電熱電路，且實驗過程中要同時讀取電流表、電壓表、溫度計以及時間表等等計量儀表，不但工序復雜還容易分心，在浪費資源能量的同時也很可能無法把握測量精確性。因此需要對傳統電熱測定方法進行裝置及思路創新改進，提出萬能比熱容測定裝置，基于它來展開比熱容實驗過程。

二、基于萬能比熱容測量裝置的電熱法測定比熱容實驗研究

（一）實驗儀器介紹及改造

所謂萬能比熱容測量裝置就是自行改裝的比熱容測量儀，它的實驗儀器還包括了比熱容測量儀、合金電阻絲、萬用電表、液體溫度傳感器、秒表、單刀雙擲開關、直流輸出電源、量筒、容量瓶、玻璃棒、導線以及膠頭滴管。

該裝置中主要對傳統實驗鋁制環形攪拌棒進行了改良，希望解決鋁棒吸收待測液體熱量造成自升溫而導致實驗誤差的問題，采用了新設計的手動式攪拌杯來代替攪拌棒盛裝實驗液體。新的攪拌杯在底部安置了電池槽，在實驗過程中它可以作為容器來盛裝待測液體。且攪拌杯內壁選擇用PC塑料，外部則采用了防水防腐蝕的不銹鋼金屬材質，能夠實現較好的保溫特性，降低待測液體熱量無端損失。在攪拌杯中還加入了兩個銅電極，鎳鉻合金加熱電阻絲，它的電阻在0℃～100℃范圍內基本保持內阻值恒定不變。攪拌葉輪所采用的是靜音構造，它的均勻轉速可以達到250rad/s，能夠將攪拌杯內部液體熱量均勻分配，這就解決了傳統人工攪拌棒攪拌所存在的待測液體受熱不均問題。另外設備中還加入了具有良好吸熱能力的泡沫絕熱層以及錫箔紙，而絕熱蓋板的設計也能從一定程度上起到隔熱保溫作用，確保攪拌杯內外部熱量交換的有效減少。整體來看，該攪拌杯被設計為孤立系統，但它與實驗過程的聯動內容還是非常豐富的。

其它步驟則和傳統實驗沒有區別。實驗攪拌杯在攪拌液體過程方面類似于家庭用榨汁機，只要按下攪拌杯手柄上的按鈕就可以開啟攪拌模式。在實驗實踐中也證明，該攪拌杯在攪拌過程中對不同位置的待測液體攪拌較為均勻，且測量數據讀數相差不大。相比于傳統設備的人工攪拌，待測液體的實際溫度也變現得更加均勻，無論是哪一位置的液體溫度讀數都能代表待測液體整體溫度。這樣精確的測量過程也讓后期實驗技術處理更加方便。

（二）實驗原理改良

相比于傳統電熱法所體現的電路既有電流及電壓表并存，從某種程度上增加了實驗負擔，讓實驗讀數更加復雜，容易阻礙精確測量結果的釋出。這里給出傳統電熱法的測量公式：

對其測量公式進行改良，可以避免設備加熱電阻絲電路直接連接電流表，也能極大程度降低系統能耗，減少工作量，讀數也更加快捷精確。在比熱容測量過程中使用上述公式，需要首先找到在一定溫度范圍內的恒定電阻，可以選擇手工制作一段鎳鉻電熱絲，并通過實驗驗證來觀察電熱絲的阻值變化，具體來說它的實驗數據如表1。

（三）數據處理方法研究

在改進電熱法來測定比熱容實驗過程中，應該首先基于實驗裝置來給出以下公式：

根據上述實驗思路，可以分別測量不同質量待測液體的純水比熱容。

三、結論：

如果以純水常溫常壓下的比熱容標準值4.2kJ/（kg·℃）為例，一般通過上述改造設備、公式及實驗方法所測量出的數值誤差都能小于5%（約2.221%～2.483%范圍內），測量精度較高。它基本證明了改良后電熱法在測定比熱容方面的進步性和實際應用價值。

參考文獻：

[1]陳東生，周嘉源，錢軍，宦強；混合法測固體比熱容儀器的研制[J]；物理實驗；2005年01期

[2]馬駿；物理實驗教學改革與學生創新能力培養的探討[J]；達縣師范高等?？茖W校學報；2003年02期