電熱法測(cè)熱功當(dāng)量綜述

林嘉圳

摘 要：用電熱法測(cè)定熱功當(dāng)量是普通物理學(xué)的一個(gè)熱學(xué)實(shí)驗(yàn)，是使學(xué)生認(rèn)識(shí)熱的本質(zhì)的重要實(shí)驗(yàn)之一。熱功當(dāng)量，是熱量以卡為單位與功的單位的轉(zhuǎn)換量度，由焦耳首先用實(shí)驗(yàn)測(cè)定，其數(shù)值為4.18焦耳每卡。熱功當(dāng)量的發(fā)現(xiàn)，使當(dāng)時(shí)的人們更好地理解了熱的本質(zhì)，也說(shuō)明了卡路里與焦耳為相當(dāng)量而非相等。自國(guó)際單位統(tǒng)一熱量單位為焦耳后，熱功當(dāng)量也就不復(fù)存在。但其實(shí)驗(yàn)測(cè)定及數(shù)據(jù)對(duì)于物理學(xué)的發(fā)展的意義永遠(yuǎn)存在。本文也進(jìn)一步分析和探討了熱功當(dāng)量的測(cè)量方法、誤差分析和實(shí)驗(yàn)改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：電熱法;熱功當(dāng)量;誤差分析;實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

1熱功當(dāng)量的測(cè)量方法

在一百多年來(lái)的發(fā)展中，人們發(fā)明了很多測(cè)量熱功當(dāng)量的方法，下面簡(jiǎn)單介紹幾種。

1.1.摩擦生熱法

摩擦生熱法因摩擦物質(zhì)狀態(tài)不同可分為液體摩擦生熱和固體摩擦生熱兩種思路。其中液體摩擦生熱是應(yīng)用最多，也是焦耳測(cè)定熱功當(dāng)量所用，按此思路可獲得多種測(cè)定熱功當(dāng)量的方法，下面就以焦耳的實(shí)驗(yàn)方法為例。

圖1即為焦耳測(cè)定熱功當(dāng)量的實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖，其原理是用重物下落去帶動(dòng)許多葉片轉(zhuǎn)動(dòng) ，這些葉片攪動(dòng)水摩擦產(chǎn)生熱量使水溫升高。[1]圖中量熱桶外壁是一個(gè)隔熱性能較好的筒壁，隨著重物的下落，葉片不斷攪拌水，與水發(fā)生摩擦導(dǎo)致水升溫。由水升高的溫度可計(jì)算出水獲得的熱量，單位為卡;由重物下降可計(jì)算出其減少的重力勢(shì)能，從而得到葉片對(duì)水做的功，進(jìn)而得到熱功當(dāng)量的數(shù)值。即：

1.2終溫法

1.3電熱法

隨著科技的發(fā)展，人們慢慢地采用了一種誤差更小、測(cè)量更精準(zhǔn)的方法，這種方法就是電熱法。我們的綜述也主要圍繞這一方法展開(kāi)。

如圖即為電熱法的實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)圖。圖中直流穩(wěn)壓電源連接一根浸入水中電阻絲，電阻絲加熱使水升溫，從而計(jì)算得出熱功當(dāng)量。我們知道，在一個(gè)體系中，在體系溫度不變的情況下，對(duì)系統(tǒng)輸入一定量的電功率，使系統(tǒng)得到的電功與系統(tǒng)對(duì)外界放出的熱量相等。[2]即滿足：

公式（1）中分?jǐn)?shù)線上單位為焦耳，分?jǐn)?shù)線下單位為卡，因而得到熱功當(dāng)量J，單位J/Cal

2實(shí)驗(yàn)概述

本實(shí)驗(yàn)是通過(guò)電熱法測(cè)量熱功當(dāng)量，下面我們著重介紹一下該實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)及不足之處。

實(shí)驗(yàn)原理在上面已經(jīng)介紹過(guò)，就不再重新介紹。下面簡(jiǎn)要介紹一下這個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)步驟。

（1）測(cè)量隔熱桶內(nèi)壁的質(zhì)量，裝入一定量的水。

（2）將一個(gè)裝滿水的隔熱桶，于串聯(lián)電阻絲的閉合回路組裝在一起。

（3）插入溫度計(jì)，測(cè)量水的初始溫度。（注意溫度計(jì)不要觸碰到量熱計(jì)底部）。

（4）閉合電鍵，記下電流表和電壓表的數(shù)值。

（5）邊加熱邊用玻璃攪拌器攪拌，加熱一段時(shí)間后，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，放置一會(huì)后待溫度計(jì)示數(shù)穩(wěn)定后讀數(shù)并記下。

（6）計(jì)算得出熱功當(dāng)量的數(shù)值。

（7）拆除器械。

以上便是該實(shí)驗(yàn)的步驟及其注意事項(xiàng)，但實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差及偶然誤差很難避免，因此沒(méi)有完美的實(shí)驗(yàn)，依舊存在不足之處。

（1）物體在加熱的過(guò)程中由于溫度存在于外界的溫度差會(huì)存在于外界的熱量交換，這部分熱量很難被測(cè)量出來(lái)，因此會(huì)影響實(shí)驗(yàn)數(shù)值的精確度。

（2）電流做功由電阻絲通電發(fā)熱來(lái)實(shí)現(xiàn)，使用中發(fā)現(xiàn)電阻絲與兩個(gè)銅金屬棒的連接處由于接觸電阻大，發(fā)熱多，加上金屬棒與電阻絲在高溫水浴中容易氧化，所以金屬棒與電阻絲經(jīng)常接觸不良，接觸電阻大，實(shí)驗(yàn)中電阻絲容易被燒斷，由于金屬棒生銹導(dǎo)致更換電阻絲很困難[3]。

（3）在加溫水的過(guò)程中，系統(tǒng)傳熱不均勻. 加熱快或攪拌慢了，量熱器內(nèi)的水上熱下涼，溫度計(jì)測(cè)得的是高溫層的水溫，引起計(jì)算結(jié)果偏小，加熱慢了或攪拌過(guò)快，攪拌器對(duì)水作的功和量熱器散熱引起計(jì)算結(jié)果偏大，同時(shí)容易引起電極短路[3]。

3誤差分析

我們知道，由于各種因素的影響，只要能把誤差控制在百分之5以內(nèi)就結(jié)果就已經(jīng)很接近真實(shí)值，此時(shí)就可以看作是一次成功的實(shí)驗(yàn)。那么，實(shí)驗(yàn)誤差是從哪里產(chǎn)生的呢？

（1）實(shí)驗(yàn)裝置并非完全隔熱，水依然于外界存在間接或直接的熱量交換。

（2）在加熱過(guò)程中攪拌的不均勻?qū)е戮植可郎剡^(guò)高或過(guò)低。

（3）攪拌中玻璃攪拌器與水摩擦導(dǎo)致水升溫。

（4）在測(cè)量過(guò)程中讀數(shù)時(shí)由于分度值影響存在不可避免的誤差。

為了盡可能減小誤差，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近真實(shí)值，我們需要對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。

4實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

對(duì)于該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)有多種方法，最常見(jiàn)的是對(duì)最終溫度的散熱修正。下面簡(jiǎn)要說(shuō)明散熱修正的原理及方法。

散熱修正是利用牛頓冷卻定律，講最終溫度通過(guò)計(jì)算畫出圖像并講最終數(shù)值修正的改進(jìn)方法。步驟如下：

（1）通過(guò)測(cè)量得出其冷卻速率的曲線。

（2）將該曲線與其升溫曲線相結(jié)合，在時(shí)間相同的情況下，畫出其反向延長(zhǎng)線至規(guī)定時(shí)間的一半，此時(shí)對(duì)應(yīng)溫度即修正后的真正終溫。

除此之外，溫度補(bǔ)償法和線性回歸法也對(duì)散熱修正的方法進(jìn)行了改進(jìn)[4]，也有將DIS與該實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法[5]，這里就不一一展開(kāi)。總之，凡是能減小誤差的方法，都能應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1]秦祝浩.關(guān)于熱功當(dāng)量測(cè)定的實(shí)驗(yàn)[J].物理通報(bào)，1958（05）：308-311.

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[3]代偉，李駿，陳太紅，蘭小剛.電熱法測(cè)熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].西華師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，32（01）：95-98.DOI：10.16246/j.issn.1673-5072.2011. 01.014.

[4]何建勛，唐芳.電熱法測(cè)熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法[J].物理實(shí)驗(yàn)，2018，38（10）：54-58.DOI：10.19655/j.cnki.1005-4642.2018.10.013.

[5]董琳，倪敏，王歌，趙彩安，顧鋒.淺談熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)與DIS的整合[J].物理通報(bào)，2018（08）：83-86.