实验四 冷却法测金属的比热容

实验四 冷却法测定金属的比热容

【实验目的】

1.掌握用冷却法测定金属的比热容，测量金属在室温至200℃温度时的比热容。

2.了解金属的冷却速率与环境之间的温差关系，以及进行测量的实验条件。

【实验仪器】

FD-JSBR 型金属比热容测量仪，秒表。 【实验原理】

单位质量的物质，其温度升高或降低1K （1℃）所需的热量，叫做该物质的比热容，其值随温度而变化。根据牛顿冷却定律，用冷却法测定金属的比热容是量热学常用方法之一。若已知标准样品在不同温度的比热容，通过作冷却曲线可测量各种金属在不同温度时的比热容。本实验以铜为标准样品，测定铁、铝样品在100℃或200℃时的比热容。

实验装置由加热仪和测试仪组成如图4-1所示。加热仪的加热装置可通过调节手轮自由升降。被测样品安放在有较大容量的防风圆筒即样品室内的底座上，测温热电偶放置于被测样品内的小孔中。当加热装置向下移动到底后，对被测样品进行加热；样品需要降温时则将加热装置移上。仪器内设有自动控制

限温装置，防止因长期不切断加热电源而引起温度不断升高。

将质量为1M 的金属样品加热后，放到较低温度的介质（例如室温的空气）中，样品将会逐渐冷却。其单位时间的热量损失（t Q ??/）与温度下降的速率成正比，于是得到下述关系式：

t

M C t Q

??=??111θ （4-1） 式中1C 为该金属样品在温度1θ时的比热容，t

??1

θ为金属样品在1θ的温度下降速率， 根据冷却定律有：

图4-1金属的比热容测量仪装置

()1110Q

a s m t

θθ?=-? （4-2） 式中1a 为热交换系数1S 为该样品外表面的面积，m 为常数，1θ为金属样品的温度，0θ为周围介质的温度。由式（4-1）和（4-2），可得

()1

11

1110C M a s m t

θθθ?=-? （4-3） 同理对质量为2M ，比热容为2C 的另一种金属样品，可有同样的表达式：

()2

22

2220C M a s m t

θθθ?=-? （4-4） 由（4-3）和（4-4）式，可得：

()()2

22

22201

111011C M a s m t a s m C M t

θθθθθθ?-?=?-? （4-5） 所以 ()()1

1

22202

1221110M a s m t C C M a s m

t

θθθθθθ?-?=?-? （4-6） 如果两样品的形状尺寸都相同，即21s s =；两样品的表面状况也相同（如涂层、色泽等），而周围介质（空气）的性质当然也不变，则有21a a =。于是当周围介质温度不变（即室温0θ恒定而样品又处于相同温度θθθ=-21）时，上式可以简化为：

1

22

112?

?? ?????

??

????=t M t M C C θθ （4-7） 如果已知标准金属样品的比热容1C 质量1M ；待测样品的质量2M 及两样品在温度θ时冷却速率之比，就可以求出待测的金属材料的比热容2C 。

几种金属材料的比热容见表4-1，实验装置如图4-1所示。 表4-1

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