实验3-3测定水的汽化热

69实验3.3测定水的汽化热[目的]1.用混合法测定水的汽化热.2.学习使用集成电路温度传感器.[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.不论何种汽化形式，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，液体的温度将要下降，若要保持温度不变，在汽化过程中就要供给热量.通常定义在一定压强下，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和压强有关，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，因此，可以通过测量凝结时放出的热量来测量液体的比汽化热.本实验采用混合法测定水的比汽化热.方法是将烧瓶中接近100℃的水蒸汽，通过短的玻璃管和一段短橡皮管(或乳胶管)插入到量热器内筒中.如果水和量热器内筒的初始温度为1℃，而质量为M的水蒸汽进入量热器的水中被凝结成水，当水和量热器内筒温度均一时，其温度值为2℃，那么水的比汽化热可由下式得到：)()()(12A12A11W23WcmcmmcMcML（3.3-1）式中，Wc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；3为水蒸汽的温度；L为水的比汽化热.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.其方法如下：在实验中作出水的温度-时间曲线，如图3.3-1中的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2.70[装置介绍]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（见图3.3-2）.当该器件的两引出端加有某一直流工作电压时（一般工作电压可在4.5V～20V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就增加或减少1μA.它的输出电流的变化与温度变化满足如下关系：I＝B·＋A(3.3-2）I为AD590的输出电流，单位μA；单位为℃，B图3.3-1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,本实验中R=1000Ω.测定水的汽化热的实验装置如图3.3-3所示.图3.3-2.图3.3-3实验装置图1烧瓶盖2烧瓶3通汽玻璃管4托盘5电炉6绝热板7橡皮管8量热器外壳9绝热材料10量热器内筒11铝搅拌器12AD59013温控和测量仪表71[实验内容]1.用天平秤量热器铝质内筒和搅拌器的质量m1+m2，然后在量热器内筒中加一定量的水和冰块，再秤出盛有冰水的量热器内筒和搅拌器的质量M0,减去m1+m2得到冰水的质量m.2.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，使低于沸点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蒸汽喷出速度，使之适度.水蒸汽的温度3由实验室给出.3.将内筒（内筒中的冰已全部溶化为水）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，这时开始计时，大约隔1min记一次温度，通气前测5次.4.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，大约隔20s记一次温度，通汽时间长短以尽可能使量热器中水的末温度与室温的温差同室温与初温差值相近为宜.5.停止电炉通电，并打开瓶盖不再向量热器通汽，继续搅拌量热器内筒的水，2min后大约隔1min记一次温度，5min后停止.6.再一次秤量出量热器内筒水的总质量M总，经过计算，求得量热器中水蒸汽的质量M＝M总－M0.将所测数据记入表3.3-1.7.做—t曲线，进行散热修正，确定1和2的值，可用计算机处理.8.将所得到的测量结果代入(3.3-1)式，求得水在温度3时的比汽化热.9.如有时间，重复以上步骤，再做一遍.将所得数据记入表3.3-2.选取与公认值最接近的一组计算不确定度.10.由于测量值均为单次测量，故各被测量的不确定度为B类不确定度，根据仪器的准确度及实测数据，忽略温度及M所引起的不确定度分量，L的合成标准不确定度公式为：2122B12B212AL2B212Wc)()()()()()(mumuMcmuMcLu相对合成标准不确定度公式为：LLuu)(ccr[数据表格]集成电路温度传感器AD590定标结果为B＝1.012μA/℃;A=271.6μA;cW=4.187103J/(kg·℃);cA1=0.9002103J/(kg·℃);水在温度3时的比汽化热公认值可由下式得到：322582.678(100)kJ/kgL72表3.3-1m1+m2=gm=gM=g3℃次数t/minU/mv/℃次数t/minU/mv/℃116217318419520621722823924102511261227132814291530表3.3-2编号L/(J/kg)相对误差12[注意事项]如果考虑量热器不可避免与外界进行热交换，可在实验中，先使水的初始温度低于室温，当水蒸汽进入量热器的水中，被凝结成水，水与量热器内筒均一温度时，使温度高于室温，并且两者与室温相差不大，这样就可以减小量热器与外界进行热交换所引起的误差，也有利于进行散热修正.[思考题]1.分析本实验产生误差的原因.2.通过以上几个实验,你学会了几种进行散热修正的方法?