改进电热法测定比热容实验的研究

李 磊，付睿丽，马 镛，吴修治

(河海大学，江苏 南京 210098)

比热容是表示物质热性质的物理量，测量物质的比热容实验是物理实验的基本实验之一，具有重要意义。比热容的测定能帮助了解该种物质的结构与组成，进而掌握运用该物质的各种性能，对生物化学、工业、新能源方面有重要作用。

目前，测量比热容的方法主要有以下几种:混合法、比较法、电热法等。混合法是将已知热容的物质和待测物质相混合的方法进行测定、比较法是将待测液体和已知比热容的纯水在同样测量条件下相比较的方法进行测定、电热法是通过加热电阻丝的方法使待测物质升温的方法进行测定。传统的电热法电路连接较为复杂，并且实验时需要同时读取电流表、电压表、时间和温度度数，非常不方便且较为浪费能量。在改进实验思路和装置的基础上，制作出了万能比热容测定装置并且用作图的方法进行了实验验证，得出了误差相对较小的结果。

1 实验装置

传统实验装置的搅拌装置是一根铝制环形搅拌棒，用其搅拌时不仅搅拌困难，而且环形搅拌棒只能近似贴着杯壁上下运动，用该装置进行比热容测定实验时，待测液体的温度十分不均匀，电阻丝周围和离电阻丝较远部分的液体温度相差可达0.5℃，可见此时测量该待测液体内部任意一点的温度都不能代表该待测液体的真实温度。同时铝棒会从待测液体中吸收一部分热量用于自身的升温，这进一步加大了实验的误差，因此对该装置的这部分不足进行了改进:使用手动式搅拌杯来作为承装实验液体的容器。该搅拌杯底部可以装卸电池，使用时只需将其作为容器承装待测液体，然后其他步骤和原来的操作相同。实验时只需按下手柄上的搅拌按钮，杯子底部的小环就会开始搅拌液体。实验验证，使用该装置作为容器和搅拌装置时，测量待测液体搅拌时不同位置的液体温度，得出的读数相差很小，与原设备相比，液体的温度相对均匀了很多，从液体中无论哪一位置得出的温度读数都可以代表待测液体整体的温度，这样读出的液体温度更为准确有利于后续实验结果的处理和总结。

2 实验思路

传统的电热法电路中既有电流表又有电压表，不仅实验、读数麻烦而且浪费资源。

以往电热法使用的公式为:

现将I=U/R带入，则得到:

这样加热电阻丝的电路中就可以不连接电流表了，可以减少能量的消耗，而且可以减少工作量，使读数更为快捷准确。要想使用该公式，重点就在于要寻找到在一定温度范围内阻值基本不变的恒定电阻。首先，自制一段镍铬电热丝，然后通过实验验证其阻值的变化，实验数据见表1。

表1 实验数据

通过实验发现，在实验的20°～80°范围内，电阻丝的阻值基本保持不变，因此，在20°～80°范围内进行实验时，只需使用此种镍铬合金制成的电阻丝即可以应用改进后的计算公式(U2/R)t

3 数据处理方法

实验时，采用作图的方法解出待测物质的比热容。通过该实验装置，可以写出如下公式:

现将△T项移到左边，得到:

将等式右边的c系统m系统看成一个整体，用大写字母Q表示，则等式成为:

上述等式中左边各项均可由实验测得，为已知项，实验时只需改变每次测量的待测液体的质量。每完成一组实验，就得到一个试验点，做出等式左边项和m测的关系，即可得出实验图像。

根据理论知识分析可知，该图像为一条一元一次函数图像，横坐标为待测液体的质量m测，竖该直线的斜率即为待测液体的比热容，而该直线的截距即为c系统m系统，也即为Q。

利用以上所述实验仪器和实验思路，分别测定质量为 200 g，220 g，240 g，260 g，280 g的纯水的比热容，实验数据见表2。

表2 实验数据

4 实验结论

根据实验数据做出散点图并进行直线拟合，可得出图1，图中所得直线斜率即为实验所测得的水的比热容，为4.102 1 kJ/(kg·℃)，系统所吸收的比热为121.28 kJ/℃。

图1 水比热容测定

将实验所得数据和标准值4.2 kJ/(kg·℃)进行比较，误差为2.331%，在5%以内，证明该实验装置和该实验思路具有较好的精度。

5 结束语

本试验对传统的电热法测定比热容的实验装置，实验思路和数据处理方法都进行了改进，并进行了实验验证，证明改进后的实验方法具有较高的精度，在实际应用方面具有一定价值。

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