水的比汽化热的测定

液体比汽化热的测量

1.实验目的

(1)学习集成线性温度传感器AD590的定标方法,熟悉其精确测温的实验过程。

(2)学习液体比汽化热的非电量电测的方法,精确测量水的比汽化热。

2.实验原理

 物质由液态向气态转化的过程称为汽化,液体的汽化有蒸发和沸腾两种不同的形式。不管是那种汽化过程,它的物理过程都是液体中一些热运动动能较大的分子飞离表面成为气体分子,而随着这些热运动较大分子的逸出,液体的温度将会下将,若要保持温度不变,在汽化过程中就要供给热量。通常定义单位质量的液体在温度保持不变的情况下转化为气体时所吸收的热量称为该液体的比汽化热。液体的比汽化热不但和液体的种类有关,而且和汽化时的温度有关,因为温度升高,液相中分子和气相中分子的能量差别将逐渐减小,因而温度升高液体的比汽化热减小。

物质由气态转化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同的热量,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。

 本实验采用混合法测定水的比汽化热。方法是将烧瓶中接100的水蒸汽,通过短的玻璃管加接一段很短的橡皮管(或乳胶管)插入到量热器内杯中。如果水和量热器内杯的初实温度为T1,而质量为M的水蒸汽进入量热器的水中被凝结成水,当水和量热器内杯温度均一时,其温度值为T2,那么水的比汽化热可由下式得到:

    (1)

 其中,为水的比热容;m为原先在量热器中水的质量;CA1为铝的比热容;m1和m2分别为铝量热器和铝搅拌器的质量;T3为水蒸汽的温度;Q为水的比汽化热。

集成电路温度传感器AD590是由多个参数相同的三极管和电阻组成。该器件的两个引出端之间,当加有某一定直流工作电压时(一般工作电压可在4.5 V-20 V范围内),如果该温度传感器的温度升高或降低1,那么传感器的输出电流增加或减少1A,它的输出电流的变化与温度变化满足如下关系:

I=B*T+A             (2)

其中,I为AD590的输出电流,单位A/;T为摄氏温度,B为斜率,A为摄氏零度时的电流值,该值恰好与冰点的热力学温度273K相对应(实际使用时,应放在冰点温度时进行确定)。利用AD590集成电路温度传感器的上述特性,可以制成各种用途的温度计。在通常实验时,采取测量取样电阻R上的电压求得电流I。

3.实验仪器

实验仪器主要由烧瓶、电炉、橡皮管、量热器、AD590、M温控和测量仪表等组成。

4.实验过程

1.集成电路温度传感器AD590的定标。

每个集成电路温度传感的灵敏度有所不同,在实验前,应将其定标(实际在我们提供的测量仪器中已经接好电阻为10001%,数字电压表为四位半,传感器加电源电压为6V。你只要把AD590的红黑接线分别插入面板中的输入孔即可进行定标或测量)。把实验数据用最小二乘法进行直线拟合,求得斜率B,截距A。

2.水汽化热的实验:

(1)用物理天平或电子天平秤量热器和搅拌器的质量m1+m2,然后在量热器内杯中加一定量的水,再秤出盛有水的量热器和搅拌器的质量减去m1+m2得到水的质量m。

(2)将盛有水的量热器内杯放在冰块上,预冷却到室温以下较低的温度。但被冷却水的温度须高于环境的露点,如果低于露点,则实验过程中量热器内杯外表有可能凝结上簿水层,从而释放出热量,影响测量结果。将预冷过的内杯放还量热器内再放在水蒸汽管下,使通汽橡皮管插入水中约1cm深,注意汽管不宜插入太深以防止通汽管被堵塞。

(3)将盛有水的烧瓶加热,开始加热时可以通过温控电位器顺时针调到底,此时瓶盖移去,使低于100的水蒸汽从瓶口逸出。当烧瓶内水沸腾时可以由温控器调节,保证水蒸汽输入量热器的速率附合实验要求。这时要首先读下温度仪的数值T1。接着把瓶盖盖好继续让水沸腾向量热器的水中通蒸汽并搅拌量热器内的水,通过时间长短,以尽可能使量热器中水的未温度T2与室温的温差同室温与初温T1差值相近,这样可使实验过程中量热器内杯与外界热交换相抵消。

(4)停止电炉通电,并打开瓶盖不再向量热器通汽,继续搅拌量热器内杯的水,读出水和内杯的未温度T2。再一次秤量出量热器内杯水的总质量M。经过计算,求得量热器中水蒸汽的质量M=M-M0。(M0为未通汽前,量热器内杯、搅拌器和水的总质量)

(5)将所得到的测量结果代入公式(1),即:求得水在100时的比汽化热。

5.实验数据处理

1. AD590校正,标准电阻R=1000Ω

由图表可知电流、电压和温度的关系:

I=0.001T+0.275 μA

U=T+275 mV

2. 计算水的比汽化热

实验数据:

电压和温度的换算:U=T+275 mV

换算结果:

根据公式:

MsteamQ+MsteamCw(Tsteam-T2)=(MwaterCw+McontainerCAl)(T2-T1)

计算结果和误差:水在100℃时公认的比汽化热为:2.25×103 J/kg

3.实验结论与分析

由FD-YBQR液体比汽化热测量仪测得的水在沸腾时的比汽化热和标准值相差比较大,主要原因有:

(1)Mcontainer的质量应该是内筒和搅拌棒的质量,在称量时称的是整个容器。

(2)导气橡胶管上沾有一定水分。

(3)容器不是一个绝对的绝热体,有一定的热量损失。

 

第二篇:液氮比汽化热的测量

实验415  液氮比汽化热的测量

液化氮气(简称液氮)的沸点约为-196℃(77K),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比汽化热。物质的比汽化热是该物质汽化时所需吸热大小的量度。它是物质的主要热学特性之一。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等。本实验要求掌握电子天平、量热器等使用方法,并学习安全使用液氮的方法。

实验原理

物质由液态向气态转化的过程称为汽化。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。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温度有关,如温度升高,则比汽化热减小。水在100℃时的比汽化热为129×103J/Kg,而在5℃时为136×103J/Kg。这是因为随着温度升高,液相与汽相之间的差别逐渐减小的缘故。

文本框:  
图1  总质量M随时间变化关系
在盛有一定质量液氮的保温杯瓶塞上开个小孔,则瓶内液氮将由于吸收周围大气中的热量而不断汽化为氮气。可以用天平称出单位时间内汽化的液氮量。接着,将已知质量、而温度为室温q1的小铜柱从孔中放入液氮中。由于1个大气压下液氮的沸点很低(为77.4Κ),因此,铜柱立即向液氮放热,从而使液氮汽化过程大大加快。直至铜柱温度和液氮温度相等时,它们之间的热交换才停止。用天平称出盛有液氮的保温杯及铜柱的总质量M,则M随时间t的变化情况如图1所示。图中ab段为液氮吸收空气中的热量,部分汽化而质量M减小的过程;bc段为液氮除吸收空气中的热量外,还由于室温铜柱浸没入而引起剧烈汽化,M迅速减小的过程;cd段表示铜柱不再放热,液氮继续吸收空气中热量而M继续减小的过程;垂直线fg则表示在bc段中仅考虑铜柱释放热量而汽化的液氮质量mN,即mN=mfmg

铜柱在上述过程中所释放的热量可用混合法来测量。将浸没在液氮中并与液氮同温度的铜柱取出,迅速放入一盛水的量热器中。若水和量热器的初温为q2,而铜柱与水混合后,两者温度开始达到相同的值为q3,则铜柱从液氮的温度升高到q3时吸收的热量为

                   (1)[LX1] 

式中mwcw分别为水的质量与比热容;maca分别为量热器的内筒质量与比热容;mccc分别为搅拌器的质量与比热容;ht为温度计浸入水中的那部分的热容量。q3一般小于室温q1,所以如使铜柱温度再从q3上升到q1则尚需吸收热量Q2

                                                     (2)

式中cb为铜的比热容,它的数值随温度而改变,由于温差的数值较小,cb可近似视为恒值,而mb为铜柱的质量。

铜柱由温度q1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q1时所吸收的热量:

即   

所以,液氮的比汽化热为:

               (3)

       玻璃水银温度计浸没入水中的那部分的热容量ht可由下述方法确定。玻璃水银温度计由玻璃和水银组成。在常温下,玻璃的比热容c=790J/(kg·℃),玻璃的密度r=2.5×103kg/m3;水银的比热容c=138J/(kg·℃),水银的密度r=13.6×103kg/m3。因此,1cm3玻璃的热容量为1.97J/(℃·cm3);而1cm3水银的热容量为1.88J/(℃·cm3)。由此可见,同体积的玻璃与水银,热容量大致相当,所以可取平均值1.92J/(℃·cm3)来进行计算。于是,玻璃水银温度计浸没部分的热容量为

文本框:  
1.保温杯  2.软木塞  3.液氮
4.细棉线  5.铜样品
图2  用天平称衡保温杯
ht=1.92VJ/℃

式中V为水银温度计浸没部分的体积,单位为cm3

实验装置

实验装置如图2所示。它由电子天平、保温杯及软木塞、铜样品、量热器(关于量热器请阅实验4-13)、温度计等组成。


 [LX1]

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