实验名称 测定水的汽化热
一、前言
物质由液态向气态转化的过程称为汽化。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。若要保持温度不变,就需要外界不断的供给能量。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汽化热。
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。
二、教学目的
1、学习用混合量热法测定水的汽化热。
2、了解一种粗略修正散热的方法——抵偿法。
三、教学重、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。
四、实验原理
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。
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,蒸汽由℃变到℃的有个中间转化过程,那就是℃的水蒸气首先转化成℃的水,这时要放出热量,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,
则总的放热量就是
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)
【散热修正】: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,因此必须考虑如何防止散热或对散热进行修正。
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,由此造成混合前水的初温与混合后水的终温不易测准.为此,根据牛顿冷却定律来修正温度。
在实验中作出水的温度-时间曲线,如图ABGCD所示,AB段表示混合前量热器及水的缓慢升温过程(由于其温度比室温低引起的);BC段表示混合过程;CD段表示混合后的冷却过程.过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,使面积BEG与面积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和终温 (隔5~10s测一个点)。
五、实验仪器
通DM-T数字温度计、LH-1量热器、WL-1物理天平、蒸馏烧瓶、电炉、秒表、毛巾等。
六、实验内容与步骤
1、将内筒擦干净,用天平称出其质量m1。
2、内筒中装入适量的从冰箱中取出预先备好的冷水(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M+m1。
3、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,确定初始温度t1。
4、与此同时,将蒸汽发生器通电加热至水完全沸腾剧烈的发出蒸汽。
5、初始温度t1确定后,擦干出气口的水滴,将其导入量热器,使蒸汽凝结并混合完成热交换,快到θ时,取下量热器,每隔10s记录一个数据,当温度达到最高值时,即为平衡温度θ。(θ=2θ环- t1 这里的θ值只是理论估算,不能作为实验结果)
6、用天平称出汽后总质量M1。
7、实验完毕,整理仪器,处理数据。
七、数据表格及数据处理
【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=2.2597×106J/kg
表格一 实验主表格
表格二 温度随时间变化数据表格
根据公式计算熔解热以及相对于参考值的百分比误差。
八、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。
九、实验思考题
1.实验开始时就将蒸汽导管通入量热器是否可以?为什么?
2.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?
十、实验后记
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?
2.本实验中的“热力学系统”是由哪些组成的?量热器内筒、外筒、温度计等都属于该热力学系统吗?
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?
4.试定性说明下述情况给 的测量结果带来的影响。
(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;
实验十 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。比汽化热不但和液体种类有关,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同热量,因而可以通过测量凝结时放出的热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的特性和使用。
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,电子天平等。
【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:
( 10.1)
从而
( 10.2)
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,实验上只要有温差存在,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,由此造成混合前水的初温与混合后水的终温不易测准。可以通过下面的抵偿方法减小系统误差:通入水蒸汽前将水温调低,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:
(10.3)
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,可放在冰点温度下进行确定)。利用上述特性,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,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
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。再将传感器插入到冰水混合物中,读出稳定时的电压,计算出电流,即为A值。
2.测定水的汽化热
①称量热器内杯和搅拌器的总质量
②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),加热时要移去瓶盖,使低于沸点的水蒸汽从瓶口排出。
③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5~10℃为宜,同时量热杯外不能结露。称出量热杯、搅拌器和水的总质量,计算出水的质量m。
④将量热器内杯放入量热器内,盖上量热器盖,插入温度传感器,并观察测温仪读数,可以通汽时,擦干橡皮管口的水,将通汽气橡皮管插入水中(约1cm深,不宜太深,以免通气管被堵塞),记录测温仪电压示数,计算出水的初温,及室温与水温的温差ΔT。
⑤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。
⑥称量量热杯、搅拌器和水的总质量,计算出水蒸汽质量M。
⑦换掉量热杯中的水,再重测一至两次。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,要等冰全熔解后才能测初温和通汽。
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,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= ℃,
【数据处理】
计算比汽化热和相对误差,取最接近公认值的一次作为测量结果,并对实验结果进行分析。
【思考题】
1.本实验的系统误差主要来源于哪些方面?怎样减小系统误差?
2.定标中B和A不准确,会造成温度测量误差,试分析这种系统误差对实验结果的影响。
3.在量热筒水中掺冰水,为什么不能使水温太低?准备冷水并测水的初温应在什么时候进行?
4.分析以下情况对实验结果的影响(使得测量结果偏大还是偏小?):
①水未沸腾就盖上瓶盖,通入水蒸汽;
②橡皮管带入或带出了水滴或实验中有水溅出;
③通汽时间过长
5.用这套装置,怎样测量冰的熔解热?
附录:
1、水在时的比汽化热公认值为:,水的比热容为:,铝的比热容:。
2、 若考虑温度传感器的影响,应在公式10.1中加入传感器的热容量,本实验装置传感器的热容量为 。
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