水的比汽化热的测定

物质由液态向气态转化的过程称为汽化，液体汽化有蒸发和沸腾两种形式，两种形式均是液体中一些热运动动能较大的分子逸出液体表面成为气体分子的过程。液体的温度越高，动能大的分子数越多，汽化就越快，汽化是一个吸热过程。单位质量的液体转变为同温度的气体所需要吸收的热量，叫这种液体的比汽化热L。比汽化热不单和液体种类有关，还和汽化时的温度有关，温度升高，比汽化热减小。

物质由气态转变为液态的过程称为凝结，凝结时将释放出在同一条件下汽化所吸收的相等的热量，因而可以通过测量凝结时放出的热量来测量液体汽化时的比汽化热。

【实验目的】

1．熟悉集成电路温度传感器AD590的特性和使用方法。

2．了解量热器的使用方法，测定水在100℃时的比汽化热。

3．学习分析热学量测量中的实验误差。

【实验仪器】

FD-YBQR液体比汽化热测定仪（含主机、加热炉及支架、烧杯，AD590温度传感器、量热器），保温瓶，天平等。

【实验原理】

1.测量原理

本实验采用混合法：将质量为M，温度为（l00℃）的水蒸气通入到量热器内杯（量热杯）中的水中，原来水的质量为m，量热杯和搅拌器的质量分别为、，水和量热杯的初始温度为。水蒸气被凝结成同温度的水，最终达到平衡时的温度为，如果将系统看成是一个与外界没有热交换的孤立系统，那么系统内的放热和吸热满足下面的热平衡方程：

       （1）

从而

           （2）

其中：为水的比汽化热，为水的比热容，为铝的比热容，m为通汽前量热杯中水的质量，。

上面的公式是不考虑系统与外界热交换产生的热量损失时的结论，实际上只要有温差存在，就有热损失，因而存在系统误差。本实验中，热量的损失主要是蒸汽通入盛有水的量热器，在混合过程中通过量热器向外散失热量，由此而造成系统误差。可以通过下面的抵偿方法减小系统误差：通入水蒸汽前将量热杯内的水温调低，使水的初温比室温低，通汽后当水温比室温高约时停止通汽。这样，使系统从外界吸收的热量和向外界放出的热量能尽可能抵消。

    2、集成测温传感器AD590特性和使用

本实验采用AD590型集成电路温度传感器来测量温度，其线性工作电压：4.5V～20V，它的输出电流I与温度θ满足如下的线性关系：

  　　　　      　     (3)

式中B称为传感器的温度系数（或灵敏度），约为,即温度升高（或降低）,流过传感器的电流I就增加（或减小）l，为传感器在摄氏零度时的输出电流，该值与的热力学温度273 K相对应（实验使用时，可先放在冰点温度下进行确定）。在通常实验时，采取测量取样电阻R上的电压求得电流，FD-YBQR主机里与传感器串联的取样阻为（见图10-1）。

在制造时每个传感器的B与A不可能完全相同，故实验前，应先对其定标（即确定所用AD590的B和A），得到温度与电流I的关系，从而根据测得的电压（或电流）求出对应的温度。

定标一般采用固定点法：利用控温测温仪测定出AD590在不同温度下对应的电流，得到测量列（，I），用最小二乘法对实验数据进行直线拟合，求出直线的斜率和截距即为B和A。

测量要求不高时，也可采用粗略的定标方法：即B近似取，将传感器置于冰水混合物中，读出电压，确定出A值。

【实验步骤】

    1．温度传感器AD590定标并测室温

①将AD590的红黑接线分别插入到FD-YBQR主机面板中的对应孔，先记录传感器处在室温中时的电压读数U。②称量热器内杯和搅拌器的总质量

③再将传感器插入到冰水混合物中，读出稳定时的电压，由计算出电流，即为A值。④B取,代入测温公式：，算出室温 ＝     ℃

2.测定水的汽化热

①将盛有适量水的烧杯放在电炉上，接通电源加热(可通过主机面板温控器旋钮调节加热功率)，加热时首先要移去瓶盖，使低于沸点的水蒸汽从瓶口排出。

②在量热杯中盛少量水，再掺冰水，使水量为2/3杯左右，水温低于室温ΔT（5～10℃）为宜，同时量热杯外不能结露，即温度不可太低。用天平称量出量热杯、搅拌器和水的总质量，计算出水的质量m=-。

③盖上烧瓶瓶盖，让水蒸汽通入到量热杯的水中，同时搅拌杯内的水，当水温比室温高约ΔT时，打开烧瓶盖停止通汽，停止电炉通电，移开量热器继续搅拌量热杯内的水，读出稳定时的电压，计算末温。

④称量量热杯、搅拌器和水的总质量，计算出水蒸汽质量M=-。

⑤换掉量热杯中的水，再重测一至两次。计算各次的测量值L取最接近公认值的一次作为实验的测量结果。

【注意事项】

1.通过加碎冰或掺冰水降低水的初温时，温度不能过低，以免量热杯结露,要等冰全熔解温度均一后才能测初温和立即通汽。

2.测初温到开始通水蒸汽的时间间隔要短。

3.初温与室温的温差ΔT要适当，要控制好通汽时间，使室温与初温和终温与室温的温差尽可能接近相等。

4.实验中要避免带入和溅出水滴。

【数据记录】

1．传感器粗略定标及室温测量(B取)

室温下: =       mv，称量M_1，冰水混合物中(0℃) : U₀=      mv

则A=     。测温公式：。 ＝     ℃

2．水的比汽化热测量数据

表1：水的比汽化热测量数据记录表

量热杯、搅拌器质量M₁＝       g，水蒸汽温度θ₃= 100      ℃，

【数据处理】

计算结果如下：

（水在100℃时的比汽化热公认值等于2.25×10³ J/kg。百分差是指测量值与公认值的百分偏差。）

L表示水的比汽化热，L'表示经过传感器吸收热量修正的水的比汽化热。修正方法是测量集成电路传感器AD590的热容量。考虑到传感器的热容量，公式(1)可以写成：

    　　　　（4）

式(3)中m₃C₃是集成电路温度传感器AD590的热容量。本实验装置的m₃C₃=1.796×10³ J/℃。

【思考题】

1、  为什么烧瓶中的水未达到沸腾时，水蒸汽不能通入量热器中？

2、  用本实验装置测量水的比汽化热，哪些因素可能产生误差？如何改进？

 

第二篇：T.水的汽化热的测量.05

实验名称  水的汽化热的测量

一、前言

物质由液态向气态转化的过程称为汽化。在一定压强下，单位物质从液相转变为同温度气相过程中所吸收的热量称为该物质的汽化热。在液体中总有一些运动速率大（即动能大）的分子飞离表面而成为气体分子，随着这些高速分子的逸出，液体的温度将要下降。在汽化的过程中，若要保持温度不变，外界就需要不断的供给热量。液体的汽化热不但和液体的种类有关，而且和汽化时的温度和压强有关，因为温度升高，液相中分子和气相分子的能量差别将逐渐减小，因而温度升高，液体的汽化热减小。

物质从气态向液态转化的过程叫凝结。凝结时，要放出相同条件下汽化所吸收的热量。本实验就是运用测量凝结时放出的热量的方法来测定水的汽化热。

二、教学目标

1、用混合量热法测定水在大气压强下的汽化热。

2、熟练掌握量热器及物理天平的使用方法。

3、了解一种粗略修正散热的方法——抵偿法。

4、分析实验中产生误差的原因，提出减小误差的方法和措施。

三、教学重点

1、理解混合量热法测量水的汽化热的原理和方法。

2、理解散热修正的原理和方法。

四、教学难点

1、正确选择测量温度的方法和时机。

2、严格按操作要求将蒸汽导入量热器，注意停止加热的温度条件。

五、实验原理

本实验采用混合量热法进行测量。原理如下：把待测系统A和一个已知热容的系统B混合起来，并设法使它们形成一个与外界没有热量交换的孤立系统C（C=A+B）。这样A（或B）所放出的热量，全部为B(或A)所吸收。因为已知热容的系统在实验过程中所传递的热量，是可以由其温度的改变和热容计算出来，即，因此待测系统在实验过程中所传递的热量也就知道了。

综上所述，保持实验系统为孤立系统是混合量热法所要求的基本实验条件。本实验采用量热器，使待测系统和已知热容的系统合二为一，组成一个近似绝热的孤立系统。量热器的种类很多，随测量的目的、要求、测量精度的不同而异。本实验所用量热器如图2所示，它是由良导体（铁）做成的内筒与外筒相套而成。通常在内筒中放水、待测物体及温度计，这些装置和材料一起组成实验所需的热力学系统。量热器内外筒之间填充绝热泡沫，合上绝热盖可阻隔内部与外界的空气对流，由于空气是热的不良导体，所以内外筒间借热传导方式传递的热量便可降至很小。同时由于内外筒的表面都有光亮的电镀层，使得它们发射或吸收辐射热的本领变得很小，因此使实验系统和外界环境之间因辐射而产生的热量交换降至很小。上述条件保证了实验系统成为一个近似绝热的孤立系统。

在一定的外部压强下，液体总是在一定的温度下沸腾，在沸腾过程中，虽然对它继续加热，但液体的温度并不升高。可见，在把液体变成汽体时，要吸收热量。为此引进汽化热这个物理量，来表示在一定温度及压强下，单位质量的液体变成同温度的汽所需要的热量，即： 

反过来，当汽体重新凝结成液体时就会放出热量。所放出的热量跟等量的液体在同一条件下汽化时所吸收的热量相同。即：汽化热=凝结热

由此，本实验通过测定出水蒸汽在常压条件下凝结热，从而根据上式，间接得到水在沸点（100℃）时的汽化热。

温度为的蒸汽从发生器出来，经玻璃管进入量热器内筒中凝结成水，放出热量，使量热器内筒和水的温度由初温升到，设凝结成水的蒸汽质量为（比热容为c），蒸汽温度由变到经过了中间转化过程，那就是温度为的水蒸气首先转化成同温度的水，同时放出热量，即凝结热；然后的水再与冷水混合，最终达到热平衡，平衡温度为，这时要放出热量。

总的放热量就是                          

设量热器和水的质量分别为、，比热分别为、。则量热器、水所得到的热量（不考虑系统的对外散热）：  

式中由热平衡方程式         

则                                 （1）

上述讨论是假定量热器与外界无热量交换时的结论，实际上只要有温度的差异就必然要有热交换存在。本实验中热量的散失主要是蒸汽通入盛有水的量热器中，混合过程中量热器向外散失的热量，因此需要进行散热修正。在系统与环境的温差不大时，一般依据牛顿冷却定律进行粗略的散热修正，即抵偿法。其基本思想是设法使系统在实验过程中能从外界吸热以补偿散热损失。

牛顿冷却定律指出，系统的温度如果略高于环境温度（温差不超10℃-15℃），系统热量的散热速率与温度差成正比，数学表达式为，其中为散热常数，与量热器表面积成正比并随表面吸收或发射热辐射的本领而变，所以在实验过程中系统吸热或散热的多少主要由温度差决定。

一般情况下，选择系统的初温和末温与环境温度之差近似相等，即，这样即可粗略的使散热得以补偿。本实验为使系统的初温，量热器需预装温度低于室温的水，通过控制所用水和水蒸气的质量和初温，满足抵偿法条件，使实验过程中系统对外界的吸热和散热相互抵消，从而获得良好的实验结果。

另外一种散热修正的方法是外推法，在处理数据时把系统的热交换外推到无限快的情况（系统没有吸热放热），从而得出系统的初末温度。下面用外推作图来得到混合时刻的系统初温和热平衡温度。水的温度随时间变化曲线，如图1所示，AB段表示混合前量热器及水的缓慢升温过程；BC段表示混合过程；CD段表示混合后的冷却过程。如过某点G点作与时间轴垂直的一条直线交AB、CD的延长线于E和F点，并使其与实测曲线BC所围面积BEG和面积CFG相等，这样，E和F点对应的温度就是热交换进行无限快时的温度，即没有热量散失时混合前、后的初温₁和末温 (平衡温度)。

六、实验仪器

DM-T数字温度计、LH-1量热器、WL-1物理天平、烧瓶、电炉、秒表、毛巾。

图2  液体汽化热测定仪整机图

七、实验内容与步骤

1、打开汽化热测定仪电源开关和加热调节旋钮，给盛有水的蒸汽发生器加热。加热调节旋钮顺时针旋开，转至最大再回转5°~10°，保证仪器安全。

2、记录室温

3、用天平称量热器内筒质量m₁。

4、内筒中装入适量的预先备好的冷水（约低于室温10℃，占内筒容积2/3），用天平称得内筒和水的质量m₁+M。

5、将内筒置于量热器中，盖好盖子，插好温度计，开始计时，观察并记录温度变化（如每隔10s记录一个数据），记录6-8个点，初步确定初始温度t₁。

6、估算平衡温度。此值在以下操作中做参考用。

7、待蒸汽发生器内水完全沸腾，达到沸点的蒸汽从管口喷出，将量热器置于升降平台中心，管口对准盖中心孔。插入前先擦干出汽口的水滴，防止掉入内筒，再记下水的初温t₁。

8、小心上移平台，使管口没入水面以下，使蒸汽凝结并与筒内冷水混合完成热交换。当温度接近估算的平衡温度时，关闭加热装置，移下量热器，每隔10s记录一个数据，待温度随“热惯性”升至最高值时，即为实测的平衡温度。

9、用天平称出汽后内筒和水的总质量M₁。蒸汽质量为

10、实验完毕，整理仪器，处理数据。

八、数据表格及数据处理

1、数据表格 表格一

表格二 停止加热后温度随时间的变化

2、计算水的汽化热及其相对误差和不确定度。

(1) 已知参数

水的比热容c=4.186×10³J/kg·℃，内筒(铁)的比热容为c₁=0.448×10³J/kg·℃，

水的汽化热参考值L_理=2.2597×10⁶J/kg

(2) 水的汽化热的实验值：

(3) 水的汽化热的相对误差：

(4) 水的汽化热的不确定度：本实验测量值均为单次测量，不考虑A类不确定度，只考虑B类不确定度。

对于物理天平，本实验仪器误差限为Δ_仪=0.05 g，摆动式天平误差服从正态分布，其不确定度为：

_仪(g)

对于数字温度计，本实验仪器误差限为Δ_仪=0.01℃，温度的不确定度为：

_仪(℃)

由（2）式可求得水的汽化热的不确定度为

其中：；；

；；

将实验数据和已知参数代入以上各式，可得不确定度为：

，取

水的汽化热测量结果标准表达式：

九、指导要点及注意事项

1、室温应取实验前、后的平均值；水的初温，可低于室温约10 ℃～15 ℃；配置冷水时，还应略低 约1 ℃～2 ℃（为什么？）

2、严守天平的操作规则。

3、注意操作安全，不要被蒸汽烫伤。

4、注意蒸汽发生器底部的玻璃管，上下升降时须小心谨慎，以免损坏。

5、量热杯晃动幅度要小，勿使液体溅出，否则严重影响实验结果。

6、上课时，要备直角坐标纸及铅笔，以便分析数据、调整参数、进行实验。

十、实验管理和成绩记载

1、实验管理

（1）预习检查：检查学生的学生证，检查学生预习报告并签字，随机提问（约占实验学生的四分之一）检查学生的预习情况。无预习报告或预习检查不合格的学生取消当堂课实验资格，重新预约该实验。

（2）操作管理：巡回检查学生的实验操作和实验数据记录情况，及时发现、指导、解决学生在实验操作中遇到的问题，检查完成实验学生的数据记录并签字；对在1小时左右完成实验的学生进行认真的检查并要求其完成实验的选做内容。

（3）实验报告批改：要求学生认真作好实验报告，并于实验后一周内交给任课教师 (地点：主教学楼1楼走廊信箱) ；及时批改学生的实验报告，作好成绩记载并及时发还给学生。

2、成绩记载

平时成绩：实验操作60%；实验报告40%；及时在实验预约单上记载平时成绩。

综合成绩：平时成绩60%；考试成绩40%。

十一、实验思考题

1、混合量热法所要求的基本实验条件是什么？本实验是如何得到满足的？

保持实验系统为孤立系统是混合量热法所要求的基本实验条件。本实验采用量热器，使待测系统和已知热容的系统合二为一，组成一个近似绝热的孤立系统。

2、本实验中的“热力学系统”是由哪些组成的？

内筒、内筒中的水、待测水蒸气、搅拌器及温度计组成实验的热力学系统。

3、蒸汽通入量热器之前应做好哪些准备工作？温度达到多少时停止通入蒸汽？

蒸汽通入量热器之前应准确读取初温，可每隔一定时间（如30s）读取4～5个温度点，用外推法较准确地确定。蒸汽通入前应将蒸汽管口拭干，且不得直接用手触摸；蒸汽的质量由蒸汽通入前、后量热器连同水的质量差求得。

蒸汽通入后，当水的温度加热到接近估算平衡温度时停止通入蒸汽。

4、实验开始时就将蒸汽导管通入量热器是否可以？为什么？

不可以。若蒸汽温度没有100℃则导致实际的凝结热偏小，即

，导致测得的汽化热偏小。

5、进入量热器中的水蒸汽混入一些水滴时，对实验有何影响？应该怎样进行修正？

假设混入100℃的水滴，则实验测得水蒸气的质量将比实际进入水中的要大，则将会降低，导致系统平衡温度降低，则公式（1）中的分母变小，导致测得的汽化热偏小。实验中应等水完全烧开后，先用毛巾将管口附着的水滴擦去，再导入冷水中测量。

十二、教学后记

1、让学生列举一些影响测量的因素并讨论其对测量结果的影响。

（1）测初温后到水完全烧开之前相隔了一段时间；

（2）实验过程中有水溅出。

十三、实验成绩评定标准

1、实验有新发现，有创新或独到见解，实验成绩评定后，提高一档。

2、迟到，成绩降一档。  

3、缺席，该次实验成绩为零分。   

4、无故迟交报告，成绩降一档。

5、篡改实验数据，成绩降一档。  

6、抄袭实验报告或数据，该实验成绩为零分。

十四、教材和教学参考书

教材：杨长铭，等．大学物理实验教程．武汉：武汉大学出版社，2012．

教学参考书：

1、杨述武．普通物理实验．北京：高等教育出版社，2000．

2、漆安慎，杜婵英．普通物理学教程．北京：高等教育出版社，2001．

3、李天应．物理实验．武汉：武汉大学出版社，2002．

4、周殿清．大学物理实验．武汉：武汉大学出版社，2002．

5、杨长铭，等．大学物理实验．武汉：武汉大学出版社，2003．

6、熊永红，等．大学物理实验．武汉：华中科技大学出版社，2004．

7、熊永红，张昆实，等．大学物理实验．北京：科学出版社，2008．