试验十一液氮比汽化热与固体材料放热的测量.pdfVIP

实验十一 液氮比汽化热与固体材料放热的测量 物质的比汽化热是在一个标准大气压下单位质量的物质汽化时所吸收的热量，它是物 质的主要热学特性之一．液化氮气 （简称液氮）的沸点约为－196℃ （77.3K），它是现代实 验室中获得低温的最常用的一种制冷剂．本实验测量在 1个大气压下液氮处于沸点温度时 的汽化质量，并计算固体材料释放的热量，从而求出液氮的比汽化热． 因液氮汽化较快，实验时应采用动态法称衡，并须校正由于与外界热交换引起的误 差．另外本实验还学习应变片式天平的工作原理、结构及标定方法，虚拟仪器的使用方法． 【实验目的】 1．了解物质的比汽化热的概念和测量方法； 2．了解固体材料定容比热容C 与温度的关系，掌握固体材料放热的三种计算方法； V 3．了解虚拟仪器的概念和使用，体验LabView软件的编程． 【实验原理】 1．汽化热 物质由液态向气态转化的过程称为汽化．在汽化的过程中，分子要克服分子与分子 间的吸引力而做功，因此要吸收一定的能量．宏观上表现为液体的温度下降． 在一定压强下 （如 1个大气压）、保持温度不变时，单位质量的液体转化为气体所需吸 收的热量，称为该物质的比汽化热L，即L＝Q/m．当然，它也等于单位质量的该气态物质 转化为同温度液体时所放出的热量． 比汽化热值与汽化时液体的温度有关，如温度升高，则比汽化热减小．水在100℃时 3 3 的比汽化热为129×10 J/Kg，而在5℃时为136×10 J/Kg．这是因为随着温度的升高，分子 的热运动加剧，液相与汽相之间差别逐渐减小的缘故． 在本实验中，我们将室温下的铜柱和其他金属柱放置于液氮中，通过圆柱放热加速液 氮的汽化． 2．放热量Q的计算 因为铜柱由温度 降至液氮温度时释放的热量Q应该等于它从液氮温度回升到 时所 1 1 吸收的热量，所以可以把液氮温度的铜柱放到量热器中，用量热器直接测量．但是也可以 用计算的方法，因为固体物理学已经对固体的比热容有了比较精确的描述，而且已经有实 验数据． 在本实验中用到三种方法计算． （1）用焓差计算．从热力学中知道，焓H是表示物质内部具有的一种能量的物理量， 也是一个表示物质状态的参数． H= U+PV （1） 式中： 是物质的内能， 是压强， 是体积． 的单位是能量的单位： 或 ． U P V H kJ kJ/kg 焓差反应了物体能量状态的变化．对于固体材料来说， 变化可以忽略，所以焓差直 PV 接反应了铜柱热量的变化．所以知道了铜对应温度的比焓，就能直接计算铜柱的放热量 -46- Q．对于铜在室温和液氮温度的比焓已在附录1中给出． （2） 用比热容计算．根据比热容的定义，只要知道了铜柱的比热容和铜柱的质量， 就可以计算出铜柱从室温降到液氮温度所放出的热量．但是从固体物理学知道，物质的比 热容在低温范围时，不是一个常数，而是随温度下降而减小的．所以我们必须知道铜的比 热容随温度变化的关系．对于铜在室温和液氮温度之间的的定压比热容C 已在附录2 中给p 出． （3）用德拜的固体比热容模型计算．从固体物理学知道，德拜的固体定容比热容模型 能较好地反映出固体定容比热容C 与温度的变化规律．在德拜模型中，固体的内能可以表 V 示为： 4 T T 3 9NkT D x U