用混合量熱法測定冰的熔解熱一．目的要求正確使用量熱器，熟練使用溫度計；用混合量熱法測定冰的熔解熱；進行實驗安排和參量選取；學會一種粗略修正散熱的方扌抵償法。二.引言物質從固相轉變為液相的相變過程稱為熔解。一定壓強下晶體開始熔解時的溫度稱為該晶體在此壓強下的熔點。對于晶體而言，熔解是組成物質的粒子由規則排列向不規則排列的過程，破壞晶體的點陣結構需要能量，因此，晶體在熔解過程中雖吸收能量，但其溫度卻保持不變。1kg物質的某種晶體熔解成為同溫度的液體所吸收的能量叫，做該晶體的熔解潛熱。單位：J-kg-1。本實驗用混合量熱法測定冰的熔解熱。其基本做法如下：把待測系統A與某已知熱容的系統B相混合，并設法使其成為一個與外界無熱量交換的孤立系統（=A+B）。這樣A（或B）所放出的熱量將全部為B（或A）所吸收，因而滿足熱平衡方程:°放=°吸 (1&1)已知熱容的系統在實驗過程中所傳遞的熱量?是可以由其溫度的改變^及其熱容C計算s出來的：Q=CA0 (18.2)s于是，待測系統在實驗過程中所傳遞的熱量即可求得。冰的熔解熱也就可以據此測定。由上所述，保持實驗系統為孤立系統是混合量熱法所要求的基本實驗條件。為此，整個實驗在量熱器內進行，同時要求實驗者本人在測量方法及實驗操作等方面去設法保證。當實驗過程中系統與外界的熱量交換不能忽略時，就必須作一定的散熱修正。三.原理質量M、溫度0'的冰塊與質量m、溫度J的水相混合，冰全部熔解為水后，測得平衡01溫度為假定量熱器內筒與攪拌器的質量分別沏、m，其比熱容分別為C和%；數21212字式溫度計之測溫傳感器（鉑電阻測溫探頭）自身熱容甚小，可忽略不計；水及冰的比熱容分別為c和c（在一40°C?0°C范圍內，c=1.8kJ-kg-1-Kt）；冰的熔點為）。則由熱平ii0cM@-0'）+ML+cM@-0）=（cm+cm+cm）6-0）i0020112212本實驗條件下，冰的熔點可認為是0C,也可選取冰塊的溫度二0C。于是，冰的熔0解熱可由下式求出：(18.3)L= +cm+cm)0-0)-c0(18.3)M1122122由于量熱器的絕熱條件并不十分完善，實際實驗系統并非嚴格的孤立系統，所以，在做

精密測量時，就需設法求出實驗過程中系統與外界交換的熱量，以作適當的散熱修正。本實驗介紹一種粗略修正散熱的所謂抵償法。其依據是牛頓冷卻定律。當系統的溫度高于環境溫度時，它就要散失熱量。實驗證明：當溫差較小（一般不超過K）時，（非自然對流）系統①勺散熱制冷速率與溫差成正比。此牛頓冷卻定律也=_k?-e)dt e(18.4)其中，dq表dt時間內系統與外界交換的熱量。比例系數為一個與系統表面積成正比并隨表面輻射本領而變的常數，稱為散熱常數。其物理意義為：單位溫差下，單位時間的熱量損失。其單位為：J?K-1-s-1。負號的意義表示當系統溫度高于環境溫度時散失熱量，即：當9>9時，(18.4)edqIdt<0，系統向外界放出熱量反之,dq/dt>0，系統從外界吸收熱量。在實驗過程中，如果恰當地將系統的初溫和末溫分別選擇在室溫的兩側，即：9>9>9，并且使整個實驗過程中系統與外界的1e2熱量傳遞前后彼此抵消，則可以達到散熱修正之目的。量熱器中水溫隨時間的變化應該是一條指數下降的曲線，如圖18-1所示。對式（18.4）求積分，即可得到由［到12（對應溫度及2）時間內，整個系統與外界交換的熱量：q二—kJ山0—0Idtt1 e=—kJ{e（0—9）dt+kJf2（0—9）dt

t1 e tee=—kS+kSABf(s)?18-1系統溫度髓時間的變化其中，S二—?（0—9）dt及S=J血—9）dt表示圖18-1中的陰影面積。f(s)?18-1系統溫度髓時間的變化AteBtet1 te由上式可見，當S二S時，實驗過程中系統與外界交換的熱量=0。因此，只要適當地AB選擇參數，使曲線與環境溫度=9直線圍成的兩塊面積近似相等，即:S沁S，就可以e AB使系統很好地近似為一個孤立系統。由曲線可知，欲使S沁S，就必須使9-9>9-9>0。實驗前，應做出明確的計AB 1ee2劃，實驗中注意選取及適當調整參數m,M及9等，使滿足上式。但應注意到9>0的條件，12否則，冰將不能全部熔解。四．儀器用品包括量熱器，NTY-2A型數字式溫度訊—25.0~125.0C），物理天平（或電子天平,玻璃皿，干拭布，冰及熱水等。

數字式溫度計外形如圖18-2所示，其電源開關設置在后面板上，還可通過接口與計算機相連，用以采集數據。量熱器外形如圖18-3所示。它由一個半徑較小的銅質內筒（容積約3.2x10-4m3）和一個較大的銅質外筒組成。內筒置于環形絕熱架上，外筒又用絕熱蓋蓋住。因此，內部空氣夾層與外界對流很小。又因空氣是熱的不良導體，故內、外筒之間由傳導所傳遞的熱量可減到很小。同時，內筒的外壁及外筒的內、外壁都電鍍得十分光亮，使得它們發射或測溫倍感器吸收熱量的本領變得很小。所以，因輻射而產生的熱量傳遞也可以減至最小。測溫倍感器由上所述，量熱器的這種結構，使將熱量傳遞的三種方式傳導、對流及輻射都盡可能地減到了最小；因而，它成為量熱實驗的常用儀器。使用時，通常是首先注入適量的水（約為容量的八"心1/2~2/3），并將溫度計、攪拌器等通過絕熱蓋的小孔插入，構成所謂已知熱容的系統。應當指出，上述量熱器的絕熱條件并不十分完善，因此在進行精確的量熱實驗時還必須據牛頓冷卻定律進行散熱修正。 巒健逍蟲熱務井珈團實驗內容測定冰熔解熱的操作步驟由學生自己安排。粗選參數，先進行一次實驗，在分析情況和結果的基礎上，調整并確翹、&及M的大致數值，然后仔細地重復實驗。為進行散熱修1正，由投冰始，每間隔10?20s記錄一次溫度，直至由溫度的變化可以確認冰已全部溶解為止。如改用溫度傳感器并配合適當接口，則可由微機自動記t錄-t關系曲線。注意事項室溫應取實驗前、后的平均值；水的初乳，可高出室溫約10C?15C；配置溫水時，又應略高于9約1C?2C（為什么？） 11嚴守天平的操作規則。投冰前應將其拭干，且不得直接用手觸摸；其質量不能直接放在天平盤上稱衡，而應由投冰前、后量熱器連同水的質量差求得。注意掌握讀取初溫的時機為測準9，可在投冰前每隔一定時間（如1min）讀91i取4?5個點，再記下冰著水面的時間，即可用外推法較準確地確定出9。為使溫度計示值確實代表系統的真實溫度整個實驗過程中（包括讀取9前）要不斷輕輕地進行攪拌（攪拌的方式應因攪拌器的形狀而異。）注意維護停表，使用各按鈕時動作要輕。上課時，要備直角坐標紙及鉛筆，以便分析數據、調整參數、進行實驗。考查題混合量熱法所要求的基本實驗條件是什么？本實驗是如何得到滿足的？

2．本實驗中的“熱力學系統”是由哪些組成的？量熱器內筒、外筒、溫度計、攪拌器等都屬于該熱力學系統嗎？3．冰塊投入量熱器之前應做好哪些準備工作？投冰時應注意什么？若粗測后發現面積S<S，則它說明了什么？應怎樣改變條件重做？AB下述諸量：e及m何時測量？怎樣測量？1怎樣由系統溫度的變化推斷冰已全部溶解？末溫2是如何確定的？作圖時對應末溫的時刻t應如何確定？2哪些因素會影響M測量的準確性？實驗中應怎樣注意？8試定性說明下述情況紅的測量結果帶來的影響。測q之前沒有攪拌；測『后到投冰之前相隔了一段時間；1攪拌過程中有水濺出；冰未拭干就投入量熱器；實驗過程中打開量熱器蓋子看了看。思考題假如冰內有①氣泡，②小水泡，③雜質，它們分別對實驗結果有無影響？為什么？如果冰中含水量為x%,試求由此引起冰熔解熱L的相對誤差。若給定=3.341x105J-kg-1，試求L的定值誤差。參考題0試根據混合量熱法的基本原理設計：在僅已知水的比熱容的條件下，測定量熱器(包括攪拌器及溫度計浸沒水中的部分熱容C的一種方法,并對自己所使用的量熱器系統進行c實地測量。然后將所得C之值，與按給出數據求得的熱容C'二cm+cm進行比較，并c c11 22進行簡單分析。十.數據處理1.已知數據：c二0.385kJ-kg-1-K-1m=2.0x10-2kg2c二4.1868kJ-kg-1c二0.38