用量热器测定水的汽化热

用量热器测定水的汽化热 张广平　李高清 　　摘 　要 : 用量热器测定水的汽化热 , 具有实验仪器少、通用性强、装置简化、原理简单、 操作方便等特点. 关键词 : 量热器 ; 测定 ; 汽化热 中图分类号 :O6 - 333 　　文献标识码 :A 　　文章编号 :1008 - 9020 (2002) 05 - 032 - 02 　　测定水的汽化热在一般普通物理实验教材中用到的主要仪器是杜瓦瓶 , 本实验中用到的主要仪 器是量热器 , 它的通用性强 , 能使实验装置简化 , 实验原理简单. 适合于普通物理实验和中学物理实 验. 现将实验方案介绍如下. 1 　实验方案的思想 实验方案的设计主要从实验仪器和实验原理两方面着手考虑 , 除此之外 , 还应考虑实验操作的可行 性. 下面从仪器装置、原理和操作三个方面介绍实验方案的设计思想. 1. 1 　仪器装置 在有些普通物理实验教材里面介绍测定水的汽化热的实验方案中 , 用到的实验仪器有蒸汽发生器、 加热器、杜瓦瓶、温度计 (0～50 ℃, 最小分度 0. 1 ℃) , 物理天平、蒸馏水、输气胶管、气压计 (共 用) 、滤汽瓶、小量筒、烧杯等. 本实验方案中 , 用到的实验仪器在上述仪器中减少了杜瓦瓶、蒸馏水、 滤汽瓶、小量筒 , 增加了量热器、普通水、普通温度计. 杜瓦瓶和量热器都属于绝热类容器. 杜瓦瓶比量热器的绝热性能好 , 但要显示出杜瓦瓶比量热器的 性能优良是有一定的前提条件的. 如果容器内装入的水温度很高并且时间很长 , 在这种条件下就能显示 出杜瓦瓶的优良性能. 在本实验中容器内装入的水温不高 , 只有 40 ℃左右 , 实验时间一般只用几分钟 , 在这种条件下显示不出杜瓦瓶的优良性能. 另一方面 , 量热器属通用仪器且不容易损坏 , 而杜瓦瓶不属 于通用仪器是由玻璃制成且易损坏. 这就是考虑用量热器而不用杜瓦瓶的理由. 原实验方案中用到 滤气瓶 , 其作用是过滤水蒸汽在传输过程中由于散热而形成的小水滴 , 而经过过滤瓶的蒸汽在传输中仍 然要散热形成小水滴 , 还是要进行蒸汽质量修正. 另一方面 , 滤汽瓶没有把小水滴过滤完 , 反而对蒸汽 的传输多了一个散热环节 , 对蒸汽发生器的功率较高. 除此之外 , 滤汽瓶属于玻璃制品 , 也容易损 坏 , 还需要配备橡胶塞子和直角玻璃导管. 这就是考虑不用滤汽瓶而只采用蒸汽质量修正的理由. 给出 普通温度计是为了测量水的沸点 , 计算出水的汽化热的理论近似值. 实验中考虑到水温不高 , 温度计插 入水中的体积很小 , 温度计吸收的热量可忽略不计 , 因而不用小量筒. 1. 2 　实验原理 原实验方案中 , 在计算系统放热时 , 只考虑了水蒸汽在液化和变成水在降温时放出的热量 , 而没有 考虑通入水蒸汽时小水滴的放热因素. 本实验方案中 , 直接将水蒸汽未过滤通入量热器 , 在进行水蒸汽 质量修正时 , 将测量出通入量热器中的水放出的热量也在热量计算中进行了考虑 , 这是对不用滤汽瓶时 在实验原理上的一个改进. 在本实验中计算系统吸收的热量时 , 没有考虑温度计吸收的热量. 根据以往 的实验结果表明 , 考虑这部分热量在利用有效数字进行数据处理中一般反应不出 , 相当于实验中对这部 分热量忽略不计. 这是在本实验原理上做的一个近似处理. 另外 , 量热器的热容量可根据量热器金属内 筒和搅拌器的质量乘相应的比热来计算 , 没有考虑量热器在实际使用中会对外有少量的散热. 这在通常 ·23· 第 7 卷第 5 期 (2002) 　　　　　　　　　　　　甘肃高师学报　　　　　　　　　　　　Vol17 No. 5 (2002) 用量热器做实验时都是这样处理的. 本实验中 , 避免了根据杜瓦瓶中水放出的热量与杜瓦瓶吸收的热量 相等从中算出杜瓦瓶的热容量 , 并用普通水代替蒸馏水引起的误差可忽略不计. 总之 , 这个实验在方案 改进前后原理上都是围绕系统放出的热量等于系统吸收的热量来设计的 , 但在一些具体细节上则有所不 同 , 改进后的原理在数据处理时更加方便. 1. 3 　实验操作 在实验操作中 , 省去用小量筒测温度计浸入水中的体积、测杜瓦瓶的热容量和滤汽瓶的连接与安装 等实验操作. 相应加入用普通温度计测水的沸点和测量热器的热容量等实验操作. 改进后的实验操作方 便 , 避免了由于操作方法给实验结果带来较大误差 , 如原实验中往杜瓦瓶中倒入沸水时对外散热较大. 改进后的实验时间较短 , 系统对外散热较少 , 误差减小. 总之 , 新方案中的实验操作经实践是切实可行 的. 2 　实验数据及处理 水的汽化热可根据公式 L = [ (m0c0 + cK) (tθ - t1) - m1c0 (t2 - tθ) ] / m 来进行计算. 式中 m为修正后水蒸汽的质量 , m1 为修正前水蒸汽的质量 , m0 为通汽前水的质量 , c0 为 水的比热 , ck 为量热器的热容量 , t1 为水的初温 , tθ为水到达热平衡后的温度 , t2 为水到达沸点时的温 度. 实测数据、常数和计算结果列表如下 : m (g) m1 (g) m0 (g) CK (cal·℃- 1) C0 (cal·g - 1·℃- 1) t2 ( ℃) t1 ( ℃) tθ ( ℃) L计 (cal·g - 1) L测 (cal·g - 1) 2. 5 4. 5 225. 0 9. 72 1. 0 97 21. 7 28. 5 541 515 　　实验测得水的汽化热L 的相对误差为 4. 8 %. 3 　新方案的优点 在新的实验方案中 , 本着抓主要因素 , 忽略次要因素的原则对实验方案进行了改进 , 减少了几种玻 璃仪器 , 使所用仪器更少更安全 ; 量热器在热学实验中是一种常见的普通仪器 , 不易损坏 , 做到了一物 多用 ; 忽略了温度计的热容量改变了系统热容量的计算方法 , 使计算简化 ; 对实验装置和原理进行了改 进 , 使实验误差较小. 参考文献 : [1 ] 刘军. 普通物理实验 [M] . 乌鲁木齐 : 新疆人民出版社 , 1996. [2 ] 杨述武. 普通物理实验 [M] . 北京 : 高等教育出版社 , 1993. 作者单位 : 庆阳师范高等专科学校 , 甘肃西峰 　745000 责任编辑 : 徐治堂 ·33· 第 7 卷第 5 期 (2002) 　　　　张广平 　李高清 : 用量热器测定水的汽化热 　　　Vol17 No. 5 (2002)